Конструкции ионно-сорбционных насосов

Пример конструкции насоса с независимым распылением активного материала представлен на рис. 5.13, а. Насос состоит из корпуса 6, холодильника 5, распылителя 4, управляющей сетки 3, ионизирующей анодной сетки 2, катода 1. Электроны, вылетающие из термокатода, направляются на распылитель и анодную сетку, к которым приложено положительное напряжение в несколько сотен вольт. Электронная бомбардировка распылителя разогревает его до температуры испарения находящегося на нем активного металла. При этом электроны, направляющиеся к анодной сетке 2, совершают до попадания на нее несколько колебаний, ионизируя путем соударения молекулы остаточных газов. Сетка 3 служит для поддержания постоянства эмиссионного тока при временном отравлении катода.

Ионизированный газ хорошо сорбируется активным металлом, напыленным на поверхность стенки корпуса, и ионной откачкой путем внедрения положительных ионов в материал стенок корпуса. Основные характеристики насосов такого типа приведены на рис. П.4 и в табл. П.7.

Электродная система, обеспечивающая эффективную ионизацию молекул остаточных газов при ионной откачке, используется в конструкции орбитронного насоса (рис. 5.13, б). Электроны, эмиттиру-емые небольшим вольфрамовым катодом 5, под действием положительного потенциала анода 4 и сеток 1 направляются в пространство ионизации между концентрично расположенными анодом 4 и коллектором ионов 3. Одновременно благодаря наличию присоединенного к катоду специального электрода 2 электронам сообщаются касательные скорости, обеспечивающие движение электронов по круговым траекториям, что в несколько тысяч раз увеличивает пробег электрона по сравнению с расстоянием между катодом и анодом. Положительные ионы, образовавшиеся в результате ионизации остаточных газов, под действием ускоряющего поля внедряются в коллектор ионов, которым может служить корпус насоса. Одновременно с анода, разогретого до температуры испарения электронной бомбардировкой, активный материал напыляется на коллектор ионов, что обеспечивает хемосорбционное поглощение откачиваемого газа и «растворение» поглощенных молекул.

Недостатком этих насосов является то, что скорости распыления активного металла и производительность откачки в таких насосах независимы друг от друга. Это часто приводит к непроизводительному расходу активного металла.

Саморегулирование скорости распыления обеспечивается в магниторазрядном насосе (рис. 5.14, а, б), который состоит из двух катодов 1 и проволочного или цилиндрического анода 2, находящихся ^в магнитном поле с индукцией В. Магнитное поле направлено по °си анода, который имеет положительный относительно катодов потенциал 3…7 кВ. В диодном магниторазрядном насосе, имеющем большую производительность (рис. 5.15), анод 2 выполнен в виде сотовой рамки, каждая ячейка которой вместе с катодами 3, прикрепленными к корпусу 1, соответствует вместе с магнитом 4 схеме рис. 5.14, б.

Откачиваемые газы ионизируются электронами, появляющимися за счет автоэлектронной эмиссии из катода, и вторичными электронами, возникающими при бомбардировке катода ионами откачиваемого газа.

Напряженность магнитного поля выбирают таким образом, чтобы радиус траектории электронов был меньше радиуса анода. При этом общая длина траектории электрона до его попадания на анод сильно увеличивается, что ведет к возрастанию вероятности ионизации остаточных газов

Положительные ионы, слабо отклоняющиеся магнитным полем, бомбардируют катод и распыляют активный металл, который осаждается на аноде. Один ион выбивает в среднем один атом активного материала, что и обеспечивает саморегулируемую скорость распыления при работе насоса.

Активные газы химически взаимодействуют с распыляемыми атомами материала катода и осаждаются на анод в виде химических соединений. Инертные газы откачиваются за счет ионной откачки: положительные ионы — внедрением в материал катода, отрицательные ионы и высокоэнергетические нейтральные частицы — на аноде. Основное количество инертных газов откачивается на аноде, так как из катодов в процессе их распыления наблюдается выделение поглощенных газов.

Для повышения эффективности распыления активного материала применяются схемы диодных магниторазрядных насосов с ребристыми катодами (рис. 5.14, в) и триодная схема (рис. 5.14, г) с сетчатым катодом /. Распыление активного материала в этих насосах ведется с больших поверхностей при малых углах падения ионов. В триодном насосе напыление ведется дополнительно на коллектор 2 (корпус насоса), который не бомбардируется положительными ионами.

Магниторазрядные насосы обладают заметной избирательностью в процессе откачки. Быстрота действия этих насосов при откачке водорода в три раза выше, а кислорода в два раза ниже, чем азота.

Быстрота действия при откачке инертных газов в диодных насосах составляет для гелия 10%, неона — 4%, аргона, криптона и ксенона — 1 …2% от быстроты действия при откачке азота. В конструкциях насоса триодного типа и в насосах с ребристыми катодами быстрота действия при откачке аргона повышается до 25 и 10% от быстроты откачки азота.

При длительной откачке аргона в насосе может возникнуть аргонная нестабильность, сопровождающаяся периодическими колебаниями давления.

Магнитная система насосов по соображениям экономичности и надежности выполняется на постоянных магнитах из феррита бария (2БА, ЗБА), сплава железа с кобальтом ЮНДК35Г5 и сплава кобальта с самарием. Максимальная температура обезгаживания этих магнитов 150, 500, 150°С.

Предельное давление магниторазрядных насосов 10^-8… 10~¹⁰ Па. Для облегчения зажигания разряда в насосах при работе в сверхвысоком вакууме используется триггерное устройство на основе радиоактивных изотопов с электронным умножителем.

Верхний предел рабочих давлений определяется газовыделени-ем из-за перегрева электродов насоса. При давлениях более 10~³ Па длительная работа насоса возможна лишь при дополнительном охлаждении его электродов. Кратковременная работа насоса при его запуске возможна от давления 1 Па.

Наличие загрязнений на электродах насоса, особенно органических, уменьшает быстроту действия насоса и ухудшает предельное давление, поэтому предварительная откачка этих насосов должна обеспечиваться безмасляными средствами откачки.

Магниторазрядными насосами трудно обеспечить большую быстроту откачки из-за малой проводимости корпуса насоса, находящегося в магнитном зазоре.

В связи с этим распространены многосекционные насосы, в которых магниторазрядные секции устанавливаются по образующей корпуса вакуумного насоса. Быстрота откачки такого насоса пропорциональна количеству секций или диаметру входного патрубка насоса.

Массовая удельная характеристика магниторазрядных насосов составляет 0,4 кг/(л/с). Комбинированные испарительные насосы с магниторазрядными секциями, предназначенными для откачки инертных газов, имеют лучшие массовые характеристики, т. е. °>1 кг/ (л/с).

Характеристики современных магниторазрядных насосов приведены на рис. П.4 и табл. П.8.