Ионно-сорбционная откачка
Ионно-сорбционная откачка использует два способа поглощения газа: внедрение ионов в объем твердого тела под действием электрического поля и химическое взаимодействие откачиваемых газов с тонкими пленками активных металлов. Высокоэнергетические ионы или нейтральные частицы, бомбардируя твердое тело, проникают в него на глубину, достаточную для их растворения. Этот способ удаления газа является разновидностью ионной откачки. На рис. 7 показано равновесное распределение концентрации при ионной откачке в объеме неограниченной пластины толщиной 2К, расположенной внутри вакуумной камеры.
Рисунок 7 – Установившееся распределение концентрации в неограниченной пластине. бомбардируемой ионами
Во время ионной бомбардировки наблюдается распыление материала, сопровождающееся нанесением тонких пленок на электроды и корпус насоса. Сорбционная активность этих пленок используется для хемосорбционной откачки. Распыление активного материала может осуществляться независимо от процесса откачки, например с помощью регулирования температуры нагревателя. Расход активного материала в таких насосах осуществляется независимо от потока откачиваемого газа. Более экономно расходуется активный металл в насосах с саморегулированием распыления. В этих насосах распыление производится ионами откачиваемого газа, бомбардирующими катод, изготовленный из активного материала. Распыляемый материал осаждается на корпус и анод, где осуществляется хемосорбционная откачка.
В электронных лампах применяются распыляемые геттеры на основе бария и нераспыляемые геттеры из спеченных порошков активных металлов: Ti, Al, V. Нераспыляемые геттеры нужно перед началом работы активировать при повышенной температуре. Для геттера из титана и ванадия температура активирования 400 °С.
Конструкции ионно-сорбционных насосов
Пример конструкции насоса с независимым распылением активного материала представлен на рис. 8, 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. Электроны, направляющиеся к анодной сетке 2, совершают до попадания на нее несколько колебаний, ионизируя молекулы остаточных газов. Сетка 3 служит для поддержания постоянства эмиссионного тока при временном отравлении катода.
Рисунок 8 – Конструктивные схемы ионно-сорбционных насосов
Ионизированный газ хорошо сорбируется активным металлом, напыленным на поверхность стенки корпуса, и ионной откачкой путем внедрения положительных ионов в материал стенок корпуса.
Электродная система, обеспечивающая эффективную ионизацию молекул остаточных газов при ионной откачке, используется в конструкции орбитронного насоса (рис. 8, б). Электроны, эмиттируемые 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. 9, 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 оси анода, который имеет положительный относительно катодов потенциал 3-7 кВ. В диодном магниторазрядном насосе, имеющем ббльшую производительность (рис. 10), 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. 9, б.
Рисунок 9 – Конструктивные схемы магниторазрядных насосов
Рисунок 10 – Конструкция магниторазрядного насоса
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 применяют схемы диодных магниторазрядных насосов с ребристыми катодами (рис. 9, в) и триодную схему (рис. 9, г) с сетчатым катодом 1. 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 % быстроты откачки азота. В конструкциях насоса триодного типа и в насосах с ребристыми катодами быстрота откачки аргона повышается до 25 и 10 % быстроты откачки азота. При длительной откачке аргона в насосе может возникнуть аргонная нестабильность, сопровождающаяся периодическими колебаниями давления в связи с выделением аргона.
Магнитную систему насосов по соображениям экономичности и надежности выполняют на постоянных магнитах из сплава железа с кобальтом, сплава ниодим - железо - бор или сплава кобальта с самарием. Максимальная температура обезгаживания этих магнитов 500, 300 и 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 газовыделением из-за перегрева электродов насоса. При давлениях более 5 • 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 устанавливают по образующей корпуса вакуумного насоса. Быстрота откачки такого насоса пропорциональна числу секций или диаметру входного патрубка насоса.