Магниторазрядные насосы

Магниторазрядные насосы

Принцип действия и основные характеристики. Широкое распространение в отечественной промышленности магниторазрядных насосов объясняется их высокими техническими характеристиками, простотой эксплуатации и обслуживания, высокой надежностью и большим ресурсом работы. Основная откачка активных газов магниторазрядными насосами осуществляется в результате хемосорбции газов постоянно возобновляемой плен-

кой титана. Непременным условием эффективной и устойчивой работы магниторазрядных насосов, как и геттерных и геттерно-ионных насосов, является соответствие количества распыляемого титана количеству поступающего газа.

Принцип устройства магниторазрядного насоса иллюстрируется рис. 4-14. Плоские титановые катоды 1 и анод 2, состоящие из многих прямоугольных или круглых ячеек, образуют электродный блок, который помещается в магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом 3. Каждое отверстие в аноде вместе с противолежащими участками катодов образует разрядную ячейку насоса. При приложении разности потенциалов между электродами разрядного блока, находящегося в вакууме, в ячейках насоса возникает электрический разряд. Для возникновения разряда достаточно случайного присутствия в разрядном промежутке нескольких электронов. Под действием сильного магнитного и электрического полей электроны движутся по спирали вокруг оси разрядной ячейки. На своем пути электроны производят ионизацию газа. Образующиеся положительные ионы, бомбардируя катод, распыляют титан из катодных пластин. Поскольку основная часть распыляемых частиц титана представляет собой электрически нейтральные атомы и молекулы, они осаждаются на все поверхности электродов, но в основном на анод. Активные газы, попадая на непрерывно возобновляемую пленку титана, хемосорбируются ею. Катоды также поглощают газы, но из-за постоянного распыления большей части их поверхности вклад катодов в процесс откачки активных газов незначителен.

Таким образом, основным механизмом при откачке активных газов является хемосорбция газов непрерывно напыляемой на аноде пленкой титана. Наряду с этим в магниторазрядных насосах имеет место проникновение ионов в материал катода. Последнее характерно дль откачки легких газов — водорода и гелия. Водород легко диффундирует в титане, образуя твердые растворы. Непрерывное поступление ионов водорода на поверхность катодов создает повышенную концентрацию водорода на поверхности, которая приводит к диффузии водорода в глубь катодов. Если в откачиваемом сосуде присутствует только водород, поглощение его титановым катодом является основным механизмом откачки, поскольку распыление материала катода в результате бомбардировки его ионами водорода мало и основной механизм откачки магниторазрядных насосов —хемосорбция напыляемой пленкой титана — в значительной степени ослабляется. Если откачивается смесь водорода с более тяжелыми газами, то распыление титана происходит интенсивнее и заметная часть водорода откачивается на других поверхностях насоса.

Откачка тяжелых инертных газов преимущественно осуществляется катодами. В силу больших размеров и соответственно малой подвижности ионов этих газов диффузия их в глубь катода практически отсутствует. При бомбардировке катодов ионами инертных газов, например аргона, поверхностный слой распыляется, в результате чего вновь высвобождается ранее поглощенный аргон. Таким образом, ионы аргона необратимо поглощаются только небольшими участками катодов, которые не подвержены эффективной бомбардировке ионами газа. На рис. 4-15 отчетливо видны участки катода, поглощающие инертные газы.

Внедрение ионов инертных газов в материал катода сопровождается замуровыванием ионов распыляемым титаном. Такой механизм хотя и не создает большой быстроты действия, является основным при откачке инертных газов матниюразрядным насосом.

Таблица 4-1

Относительная быстрота действия диодных магниторазрядных насосов по разным газам

Газ	Быстрота действия, %	Газ	Быстрота действия, %
Водород	250—350	Воздух	100
Метан	300	Азот	100
Аммиак	170	Двуокись углерода	85
Этиловый эфир	135	Кислород	55
Пары воды	130	Гелий Аргон, криптон, неон	10—20 1—4

Поскольку химическая активность различных газов и эффективность распыления титана их ионами различны, быстрота действия магниторазрядных насосов существенно зависит от рода откачиваемого газа. Относительная быстрота действия магниторазрядных насосов по разным газам, выраженная в процентах от быстроты действия по воздуху, представлена в табл. 4-1.

Конструкции магниторазрядных насосов весьма разнообразны, что объясняется различным их назначением. Отечественной промышленностью выпускаются не-охлаждаемые магниторазрядные диодные насосы типа НЭМ с быстротой действия от 10до7000л/с, охлаждаемые диодные насосы типа НОРД с быстротой действия от 10 до 1000 л/с и триодные насосы МаРТ и ТРИОН-150 с быстротой действия 30 и 150 л/с соответственно.

Электродный блок насоса типа НЭМ (рис. 4-16) состоит из трех титановых катодов 1 и двух ячеистых анодов 2 из нержавеющей стали, жестко соединенных между собой и изолированных друг от друга с помощью керамических изоляторов 3. Внутри корпуса насоса (рис. 4-17) они располагаются в соответствующих карманах. На аноды электродных блоков через высоковольтные вакуумные электрические вводы от блока питания подается высокое положительное напряжение (7 кВ). Катоды имеют надежный электрический контакт с заземленным корпусом насоса. С внешней стороны корпуса насосов располагаются постоянные оксид-но-бариевые магниты (рис. 4-18), создающие в зазоре напряженность поля 56 000 А/м (700 Э).

Электродный блок насосов типа НОРД (рис. 4-19) состоит из двух катодов и одного охлаждаемого водой анода. Соосно с ячейками анода (рис. 4-19,6) в катодных пластинах просверлены отверстия (рис. 4-19,а). Наличие отверстий в катодных пластинах и охлаждение анодов позволили использовать более мощный источник питания и повысить тем самым наибольшее давление запуска. Электродные блоки устанавливаются в карманах корпуса насоса и закрепляются в нем с помощью вакуумных водяных вводов, через которые подается вода на охлаждение анодов. В насосах с охлаждаемыми анодами в отличие от насосов типа НЭМ высокое отрицательное напряжение (минус 7 кВ) подается на катоды, электрически изолированные от корпуса.

Как было сказано, недостатком диодных магниторазрядных насосов является малая быстрота действия по инертным газам. Этот недостаток в меньшей степени присущ триодным магниторазрядным насосам, схема устройства которых показана на рис. 4-20. Электродный блок образует анод, располагаемый в середине, и два катода. Коллектором является корпус насоса. Катоды триодного насоса имеют ячеистую структуру, в силу чего положительные ионы, образующиеся в разряде при работе триодного насоса, бомбардируют катод не под прямым углом, как в диодном насосе, а под острым углом, что существенно увеличивает эффективность распыления титана, который равномерно осаждается на корпусе насоса. Благодаря триодной схеме и ячеистой структуре катодов часть ионов, движущихся из области анода, достигает коллектора — корпуса насоса. Ионы, достигшие коллектора, обладают малой энергией и не могут вызвать вторичного распыления титана с коллектора при их поглощении. Таким образом, благодаря однопотенциальной триодной схеме насос имеет повышенную быстроту действия по инертным газам. Например, по аргону она составляет 1/3 от быстроты действия по воздуху.

Анод и коллектор триодного магниторазрядного насоса ТРИОН-150 (рис. 4-21) при работе в области высоких впускных давлений охлаждаются водой, а в области низких давлений — жидким азотом, что позволяет повысить наибольшее давление запуска и существенно снизить предельное остаточное давление.

Основными характеристиками магниторазрядных насосов являются быстрота действия, предельное остаточное давление, наибольшее давление запуска и наибольшее рабочее давление. Характеристики насосов, которые приведены в приложении 8, определяются геометрией разрядных ячеек, параметрами источника питания и напряженностью магнитного поля.

Типичные графики быстроты действия магнитораз-рядных насосов представлены на рис. 4-22. Как видно из графиков, охлаждаемые насосы обладают большей быстротой действия в области высоких впускных давлений. Различие в положении максимума быстроты действия не связано с охлаждением насоса, а определяется некоторым различием в геометрии разрядных ячеек. На этом же рисунке приведена зависимость тока разряда от давления. Построенная в логарифмических координатах, она в широком диапазоне давлений представляет собой почти прямую линию, что позволяет использовать показывающий прибор блока питания насоса для оценки давления в системе. Ток разряда и быстрота действия в отличие от других характеристик насоса — наибольшего давления запуска, наибольшего рабочего давления и предельного остаточного давления — являются наиболее стабильными в процессе эксплуатации характеристиками магниторазрядного насоса.

Эксплуатация и обслуживание. Магниторазрядные насосы поступают с завода-изготовителя герметично закрытыми, откачанными до давления в несколько паскаль или заполненными сухим азотом. Магниторазрядный насос обычно соединяют непосредственно с откачиваемым сосудом. Сохраняемость насосов при транспортировании очень высокая, и, как правило, при получении насоса не требуется специальных проверок его работоспособности. Однако определенный минимум проверочных операций бывает полезен. К ним относится проверка сопротивления утечки между электродами и проверка работоспособности блока питания. Блок питания бывает достаточно проверить на наличие высокого напряжения. Для проверки сопротивления утечки между электродами необходимо снять с насоса магнитную систему, подключить один провод 2,5-киловольтного мегаомметра к высоковольтному вводу через разъем, аналогичный разъему соединительного кабеля блока питания, а другой провод к корпусу насоса и измерить сопротивление утечки. Сопротивление утечки должно быть не менее 1000 МОм.

После проверки насос устанавливают в вакуумную систему, снабженную средствами предварительной откачки, и устанавливают магниты. Магниты в насосе располагаются таким образом (см. рис. 4-18), что силовые магнитные линии замыкаются, проходя через все магниты и магнитопроводы. Боковые магниты, расположенные с боковых сторон насоса, приклеиваются на заводе-изготовителе к металлическому листу, являющемуся магнитопроводом. Центральные магниты, вставляемые в пазы корпуса насоса, склеиваются попарно. Устанавливать магниты удобнее в следующей последовательности. Вначале закрепляют на корпусе насоса боковые магниты. Перемена местами при установке пластин с боковыми магнитами не имеет значения, так как в любом случае вектор напряженности магнитного поля в насосе сохранит свое направление. Затем устанавливают центральные магниты. В результате взаимодействия магнитных полей боковых и устанавливаемого магнитов последний должен втягиваться в паз корпуса насоса. Если при установке магнит разворачивает, а после установки он выталкивается назад, то необходимо перевернуть магнит. Затем охлаждаемые насосы подключают к системе подачи и слива воды. Подсоединяют блок питания. Создают предварительное разрежение и производят пробное включение насоса. Если давление в системе понижается, то перекрывают линию предварительного разрежения и откачивают сосуд до давления 10~⁵ Па (10^-7 мм рт. ст.). В ходе пробного включения насоса необходимо обратить внимание на уровень шума блока питания в период старта и на время откачки системы от 10~² Па (10~⁴ мм рт. ст.) до 10~⁴ Па (10~⁶ мм рт. ст.). Этот период должен длиться несколько минут. Сильная вибращщ/блока питания в момент включения и в период старта насоса обычно свидетельствует о нарушении плотной упаковки магнитопровода силового трансформатора.

Период старта насоса должен проходить под наблюдением оператора, который следит за работой насоса по показывающему прибору блока питания и вакуумметру, всегда имеющемуся в системе. Графики изменения во времени давления в системе, напряжения на электродных блоках и тока разряда насоса в период старта приведены на рис. 4-23. При включении насоса при давлении запуска напряжение на электродах около 400 В, а ток разряда определяется величиной тока короткого замыкания источника питания. Максимальная энергия положительных ионов, бомбардирующих катод, не может превышать 400 эВ. Этой энергии недостаточно для эффективного распыления титана. Поэтому в изолированном откачиваемом сосуде в период старта насоса давление газа понижается довольно медленно. В это время напряжение на электродах остается практически постоянным. При давлении в насосе 10~²—10^-1 Па изменяется характер разряда. Происходящее при этом резкое изменение разрядного тока и напряжения на электродах свидетельствует об окончании периода старта (на рисунке обозначено пунктирной линией), который завершается быстрым переходом в область высокого вакуума. В дальнейшем ток уменьшается пропорционально давлению, напряжение на электродах и быстрота действия достигают номинальных значений.

После пробного включения насос подготавливается к дальнейшей его эксплуатации: производится контроль герметичности фланцевых соединений и прогрев насоса с целью обезгаживания вместе со всей высоковакуумной частью установки. В насосах типа НОРД имеется соб-

В момент старта насоса при высоком давлений пуска возникающий тлеющий разряд может выходить за пределы разрядных ячеек, захватывая д0ке область присоединительного патрубка насоса. В этом случае при разобщении средств предварительной откачки с откачиваемым сосудом и магниторазрядным насосом и включении насоса вместо понижения давления будет наблюдаться его повышение в результате повышенного газовы-деления внутренних поверхностей насоса и присоедини— тельного патрубка. Если нет возможности создать лучшее предварительное разрежение, запуск насоса производят, не прекращая предварительной откачки. Средства предварительной откачки разобщают с откачиваемым сосудом и насосом после того, как стабильно начнет понижаться давление.

Длительный старт не является особо опасным для магниторазрядных насосов. Это видно из рис. 4-25, на котором изображены энергетические характеристики насоса НОРД-250.    Наиболее

опасными являются давления 10~² Па (10^-4 мм рт. ст.) для охлаждаемых и 10~³—Ю~² Па (10~⁵—10~⁴ мм рт. ст.) для неохлаждае-мых насосов. Именно в этом диапазоне давлений насос потребляет наибольшую мощность, которая рассеивается на электродах разрядных блоков, и приводит к их неравномерному нагреву и может привести к короблению. Температура электродов может достигать 300°С, а температура корпуса насоса в отдельных местах 150— 200°С.

Наибольшее рабочее давление новых охлаждаемых магниторазрядных насосов составляет Ы0"¹ Па (7-10~⁴ мм рт. ст.). По мере увеличения общей наработки эта граница смещается до 2-10^-2 Па (i ■ 1(Н—1,5-1СН мм рт. ст.) и ниже при суммарной наработке, равной десяткам и сотням тысяч часов.

Достигаемое с помощью магниторазрядных насосов предельное остаточное давление зависит от предыстории насоса, суммарной наработки, режимов работы и рода откачиваемого газа. На предельное остаточное давление, так же как и на длительность старта, сильное влияние оказывает загрязнение насоса углеводородами. Например, создание предварительного разрежения с помощью механических насосов с масляным уплотнением повышает предельное остаточное давление в 5—10 раз. В последующем паспортное значение предельного остаточного давления может быть достигнуто после десяти-, двадцатичасового прогрева насоса при откачке его цео-литовым насосом. Насос хорошо обезгаживается и восстанавливается и при прогреве его с откачкой механическим насосом с защитной ловушкой. Но в этом случае необходимо разобщить с помощью прогреваемого клапана высоковакуумную часть установки и линию предварительной откачки до того, как насос успеет полностью остыть. Как было показано, оптимальная температура, при которой следует закрыть клапан, 100°С. Если перекрыть клапаны при большей температуре, появляется вероятность нарушения герметичности клапана в паре седло — заслонка. Если перекрыть клапан при меньшей температуре, то насос успеет загрязниться парами масла и не произойдет необходимого его восстановления.

С течением времени происходит самовосстановление насоса в результате разложения тяжелых углеводородов в разряде с последующей откачкой образующихся легких углеводородов. Но процесс этот длительный.

Наиболее характерным отказом магниторазрядных насосов является электрический пробой разрядного промежутка. Пробой возникает на различного рода остриях или отслоившейся пленке титана, вблизи которых напряженность электрического поля намного больше. Небольшие острия, первоначально не приводящие к пробою, растут в процессе работы насоса. Небольшие острия можно «выжечь» пропусканием тока. Проще всего это сделать с помощью универсальной пробойной установки (УПУ), не снимая насос с установки. Для этого снимают с насоса магнитную систему, напускают в насос атмосферный воздух и присоединяют УПУ аналогично присоединению мегаомметра при измерении сопротивления утечки. При плавном увеличении напряжения до 4—5 кВ происходит пробой разрядного промежутка по острию. Если их было несколько, то каждый следующий пробой будет происходить при большем Напряжении. Увеличивать напряжение выше 4,8—5,0 кВ нельзя, так как при этом напряжении и атмосферном давлении должен происходить пробой нормальной разрядной ячейки. Проверка осуществляется той же пробойной установкой. Если при напряжении 4,8—5,0 кВ в течение 1—2 мин не происходит пробоя, можно считать, что разрядный блок исправен. Когда подобная операция не дает эффекта, насос подлежит разборке.

Частота появления пробоев определяется продолжительностью и режимом работы насоса. При работе насоса в области давлений 10~³—10~² Па (10^-5— 10~⁴ мм рт. ст.) образующаяся на аноде пленка имеет матовый коричневый цвет и рыхлую структуру. Пробой по такой пленке может быть устранен легким постукиванием по корпусу выключенного насоса, в результате ‘(его пленка осыпается на дно насоса и пробой устраняется.

При работе насоса в области давлений 10~⁴ Па (10~⁶ мм рт. ст.) и ниже пленка образуется более прочная и плотная и имеет металлический блеск. В процессе длительной, более 1000 ч, непрерывной работы на аноде возникает довольно толстая пленка. Напуск атмосферного воздуха в такой насос влечет за собой отслаивание пленки. При последующем включении насоса возникает пробой, для устранения которого требуется разборка насоса.

Электрические пробои возникают реже, если насос работает во всем диапазоне рабочих давлений с периодическим напуском атмосферного воздуха в насос. Для обеспечения безотказной работы насоса в этих условиях рекомендуются периодическая разборка и чистка насоса через каждые 5—7 тыс. ч работы, т. е. 1 раз в год. Если насос работает в постоянном режиме, рекомендуемая периодичность разборки и чистки насоса через каждые 1—2 тыс. ч работы, т. е. 3—4 раза в год.

В процессе эксплуатации магниторазрядных насосов иногда возникают легкие потрескивания, характерные признаки пробоя электродных блоков. Причиной может быть не только пробой между электродами, но и пробой высоковольтных вводов. Внешние признаки этих двух видов пробоя одинаковы. Отличие в слабом нагреве ввода в последнем случае. Причина пробоев и последующего короткого замыкания в высоковольтных разъемах — плохо запаянные провода, когда отдельные жилы многожильного провода или экранирующей оплетки отделяются от общей массы и образуют острия над поверхностью припоя. Напряженность электрического поля на остриях может превзойти допустимую величину, и тогда произойдет пробой. В результате может быть прожжена изолирующая фторопластовая втулка и произойдет короткое замыкание. Короткое замыкание в насосе не приводит к выходу из строя блока питания, так как ток ограничивается схемой источника питания. Такой вид отказа возникает при частой разборке и отъединении насоса и недостаточной аккуратности обслуживающего персонала.

Разбирая и собирая насос, в особенности электродные блоки, необходимо пользоваться только исправным инструментом. Нанесение инструментом глубоких царапин и заусениц может привести к пробою разрядного промежутка при включении насоса. В ходе разборки и сборки необходимо обращать внимание на состояние изоляторов и по мере необходимости производить их очистку.

Опыт эксплуатации магниторазрядных насосов убеждает в практически неограниченном их ресурсе. Предельное остаточное давление, наибольшее рабочее давление и давление запуска магниторазрядных насосов на протяжении всего периода эксплуатации находятся в пределах требований технических условий. К тому же после очередной чистки насоса они приближаются к своему первоначальному значению. Быстрота действия неохлаж-даемых насосов с плоскими сплошными катодами остается постоянной вплоть до момента образования сквозных отверстий в катодных пластинках по центру разрядных ячеек. Быстрота действия охлаждаемых диодных насосов, в катодных пластинах которых выполнены сквозные отверстия, по мере увеличения отверстий в результате распыления титана постепенно снижается. Распыление титана по поверхности катода не равномерно (рис. 4-26), что обусловлено неравномерностью магнитного поля. Диаметр отверстий в центре пластины после наработки (2500 ч при давлении 4,0-10 ² Па (3-10^-4мм рт. ст.) увеличивается в 1,5—2 раза, в то время как крайние отверстия почти не увеличиваются, причем

отверстия растут пропорционально плотности тока в конкретном насосе Так, удельная плотность тока и удельная быстрота откачки (быстрота откачки в расчете на одну разрядную ячейку) насоса НОРД-10 выше, чем у насоса НОРД-250 Соответственно ресурс, определяемый как время снижения быстроты действия на 10% номинального значения, насосов НОРД-Ю меньше, чем насосов НОРД-250 В триодных насосах происходит разрушение катодов, как это показано на рис 4-27, и соответственно уменьшается быстрота действия насоса

Наблюдаемое в процессе эксплуатации, в том числе в конце срока службы, увеличение быстроты действия магниторазрядных насосов после «аргонной обработки» носит временный характер По прошествии нескольких часов быстрота действия снижается до первоначального значения Под «аргонной обработкой» подразумевается длительная, в течение нескольких часов, работа насоса в среде аргона при повышенном давлении, 10^-3 Па (10^-5 мм рт ст ) В силу повышенного распыления титана тяжелыми ионами аргона катодные пластины очищаются, при этом насос нагревается, а большое количество распыляемого титана поглощает загрязняющие систему газы В дальнейшем чистый насос некоторое время имеет повышенную быстроту действия. На практике «аргонная обработка» используется для очистки загрязненных, например углеводородами, насосов, когда нет возможности произвести их прогрев с помощью внешних нагревателей

Ресурс магниторазрядных насосов при рабочем давлении 1 • 10^_4 Па (~1-10~⁶ мм рт ст) оценивается следующими величинами неохлаждаемые диодные насосы — бол ее 150 000 ч, НОРД-250 — более 100 000 ч, НОРД-Ю — более 65 000 ч, ТРИОН-150 —более 70 000 ч.