Большая энциклопедия техники

Питание дуги осуществляется от источника постоянного тока. Возбуждение дуги производится кратковременным закорачиванием катода с поджигающим электродом. Для этого подают напряжение на электромагнит, который подводит электрод к катоду. В момент отвода электрода возвратной пружиной между катодом и анодом – корпусом насоса возникает устойчивая электрическая дуга. Напряжение поджига дуги лежит в пределах 25—35 В, а ток стабильного горения дуги составляет примерно 140 А при напряжении 20—21 В. Скорость испарения титана при этом достигает 15—17 г/ч. Для уменьшения скорости испарения титана с целью более рационального его расходования применяют периодический режим работы насоса. Причем чем ниже давление в откачиваемом сосуде, тем больше делают паузу между моментами включения насоса. При испарении титана на стенках насоса непрерывно образуется свежая активная пленка, на поверхности которой и происходит поглощение активных газов. Для откачки инертных газов к нижнему фланцу насоса через водоохлаждаемую ловушку присоединяется дополнительный паромасляный диффузионный насос, быстрота действия которого должна составлять 2—5% быстроты действия электродугового геттерного насоса.

Верхним фланцем, в сечении которого установлен отражательный экран, насос подсоединяется к откачиваемому сосуду. Экран предусмотрен для предотвращения попадания испаряющегося титана во внутреннюю полость откачиваемого сосуда. Быстрота действия геттерных электродуговых насосов может достигать 10⁴—10⁵ л/с. Предельное остаточное давление насоса составляет 10^{– 5} Па при откачке инертных газов дополнительным насосом и 10^{– 4} Па без такой откачки дополнительным насосом.

Электродуговые геттерные насосы используют простые источники питания, снабжены большим количеством геттерного материала и просты по устройству.

11. Ионно-геттерные насосы. Геттерные насосы малоэффективны при откачке инертных газов и для получения низких предельных остаточных давлений (менее 10^{– 4} Па) требуют применения дополнительных насосов. В то же время при возбуждении и ионизации откачиваемых газов электронным потоком или в электрическом разряде поглощение титановой пленкой идет более интенсивно, причем благодаря ионизации откачиваются и инертные газы. В современных ионно-геттерных насосах обычно совмещены геттерные и ионные методы откачки. Принцип действия ионно-геттерных насосов основан на поглощении газов периодически или непрерывно наносимой пленкой титана и улучшении откачки инертных газов и углеводородов путем ионизации и улавливания положительных ионов. Испарение титана в ионно-геттерных насосах происходит, как правило, из твердой фазы.

Конструкции и характеристики. Принципиальная схема ионно-геттерного насоса выглядит следующим образом: испарение титана на стенки водоохлаждаемого корпуса насоса производится из твердой фазы с прямонакальных испарителей, представляющих собой молибденовый U-образный стержень (керн), на который нанесен слой титана. Ионизация, необходимая для откачки инертных газов и углеводородов, осуществляется электронами, эмиттируемыми термокатодом. Эффективность ионизации повышена за счет увеличения длины пробега электронов. Это достигается применением «прозрачного» для электронов анода, на который подается положительное относительно катода напряжение 1000—1200 В. Анод, выполненный из молибденовой проволоки, используется также и в качестве внутреннего нагревателя для обезгазивания насоса при подготовке его к работе. Коллектором ионов является корпус насоса с напыленной титановой пленкой, в которую и внедряются образовавшиеся ионы. Таким образом, так же как и в геттерных насосах, химически активные газы поглощаются пленкой титана, непрерывно наносимой на внутреннюю поверхность корпуса насоса, а откачка инертных газов осуществляется путем ионизации и последующего внедрения ионов в пленку геттера.

В составе остаточных газов ионно– геттерных насосов, помимо обычно присутствующих в вакуумных системах водорода (массовые числа 2 и 1), паров воды (массовые числа 18 и 17), а также азота и окиси углерода (массовое число 28), наблюдаются аргон (массовое число 40) и метан (массовые числа 16 и 15).

Быстрота действия насоса зависит от впускного давления для воздуха; увеличение быстроты действия при откачке ионно-геттерного насоса достигается с помощью дополнительного диффузионного насоса. Уменьшение быстроты действия при давлениях выше 10^{– 4} Па объясняется большей степенью насыщения пленки титана при высоких давлениях (при постоянной скорости его испарения), вследствие чего уменьшается коэффициент прилипания газа.

Предельное остаточное давление геттерно-ионных насосов составляет около 10^{– 7} Па, а давление запуска около 10^{– 1} Па, так как при более высоком давлении возникает опасность перегорания вольфрамового катода.

Дальнейшим развитием ионно-геттерных насосов с испарением титана явились орбитронные ионно-геттерные насосы, в которых удачно сочетается простота конструкций с высокой стабильностью работы. В корпусе помещен центральный электрод (анод) с титановым цилиндром. Верхняя часть электрода защищена трубкой. На пластине укреплен керамический стержень, на котором крепится катод, изготовленный из вольфрамовой проволоки. Токовводом и экраном катода служит проволочка из тантала. Корпус насоса заземлен, а на центральный электрод подается положительное напряжение 4—5 кВ. Пластина и трубка имеют одинаковый с катодом потенциал.

Расположение и конфигурация катода и танталового токоввода выполнены таким образом, что осевая и радиальная симметрия электрического поля нарушены. Кроме того, к катоду приложено положительное напряжение смещения (от 50 до 250 В) относительно корпуса насоса. В результате электроны, эмиссируемые катодом, движутся со скоростью, имеющей осевую, радиальную и тангенциальную составляющие. Ввиду того что электрическое поле несимметрично и векторы скоростей электронов направлены под углом к силовым линиям электрического поля, направление движения электронов будет непрерывно меняться и их попадание на центральный электрод, имеющий малое поперечное сечение, затруднено. Попадание электронов на корпус также исключено благодаря положительному смещению на катоде. В результате электроны движутся по орбитам достаточно долго, проходят большое расстояние, и интенсивность ионизации газа резко увеличивается. Часть электронов, траектории которых проходят вблизи центрального электрода, попадает на титановый цилиндр и разогревает его до температуры 1430 К. При этом происходит испарение титана из твердой фазы и его конденсация на внутренней поверхности корпуса насоса. Так же, как и в предыдущей конструкции ионно-геттерного насоса, откачка активных газов орбитронным ионно-геттерным насосом идет путем поглощения их пленкой титана, непрерывно наносимой на внутреннюю поверхность корпуса насоса. В отличие от описанного выше ионно-геттерного насоса в орбитронном ионно-геттерном насосе благодаря увеличению длины свободного пути электронов (до нескольких метров) быстрота откачки инертных газов значительно увеличена.

Следует отметить, что примененный в этом насосе испаритель при достаточно большом запасе испаряемого вещества имеет небольшую тепловыделяющую поверхность, что позволяет размещать внутри насоса дополнительный охлаждаемый жидким азотом экран, на который наносится пленка титана, при этом резко уменьшается предельное остаточное давление насоса (менее 10^{– 11} Па).

Большим достоинством геттерно-ионных насосов, как и других сорбционных насосов, является отсутствие рабочей жидкости, что позволяет получать с их помощью вакуум, практически свободный от углеводородных загрязнений (безмасляный вакуум). Эти насосы не требуют охлаждаемых ловушек на входе и часто присоединяются к откачиваемому сосуду без промежуточного крана, благодаря чему эффективно используется быстрота действия насоса. Как все сорбционные насосы, геттерно-ионные насосы не боятся аварийного отключения энергии, так как при этом наблюдается довольно медленный рост давления в откачиваемом сосуде, они бесшумны в работе, не создают вибраций, не требуют непрерывной работы насосов предварительного разрежения. Насосы с термическим испарением титана очень быстро запускаются в работу.

Основные недостатки ионно-гетерных насосов с термическим испарением титана состоят в отсутствии саморегулирования скорости испарения активного вещества, наличии накаленных элементов в электродной системе и в некоторой сложности источников электропитания.

Практические указания по эксплуатации. При использовании геттерных насосов желательно обеспечивать безмасляную предварительную откачку сосуда до давления менее 10^{– 1} Па с помощью адсорбционных насосов или паромасляных диффузионных насосов с эффективными ловушками. Не следует допускать чрезмерно длительной откачки сосуда механическим насосом с масляным уплотнением из-за возможного загрязнения сосуда углеводородами. Эксплуатация насосов связана с необходимостью периодической чистки внутренних поверхностей насоса от нанесенной пленки титана. При механической чистке насосов от слоев нанесенного титана следует использовать респиратор или плотную марлевую повязку для защиты от вдыхания титановой пыли и рукавицы для защиты рук от небольших вспышек на титановой пленке, которые могут возникнуть при использовании металлической щетки.

12. Магнитные электроразрядные насосы.

13. Конденсационные насосы. При температурах, близких к температуре жидкого водорода или гелия, большинство веществ имеет весьма низкую упругость паров. Так, при температуре, близкой к точке кипения водорода, давление насыщенных паров О₂ составляет 10^{– 11} Па, N₂ и СО – 10^{– 9} Па, а Аг – 10^{– 15} Па. При температуре, близкой к точке кипения гелия, упругость насыщенного пара Н₂ составляет 10^{– 4} Па, a Ne – 10^{– 17} Па. Поверхность, заключенная в герметичный сосуд и охлажденная до температур, близких к точке кипения водорода, будет конденсировать молекулы всех газов, за исключением Не, Н₂ и Ne. При охлаждении поверхности до температуры, близкой к точке кипения гелия, на ней будут конденсироваться молекулы всех газов, кроме гелия.

Конструкции и характеристики. По принципу конденсации газов поверхностью, охлажденной до точки кипения водорода (20,4 К), выполнен водородный конденсационный насос.

Основным элементом насоса является медный сосуд, заполняемый жидким водородом. Для уменьшения теплопритока от окружающих стенок сосуд окружен цилиндрическим медным экраном, охлаждаемым жидким азотом. Задний экран с впаянной азотной ловушкой также охлаждается жидким азотом.

Для откачки не конденсирующихся при температуре жидкого водорода газов (водород, гелий, неон) и создания предварительного разрежения насос снабжен паромасляным диффузионным насосом. Для предотвращения попадания паров масла и продуктов его разложения из насоса предусмотрены военная ловушка и жалюзийная азотная ловушка. Жидкий азот для охлаждения экранов и ловушки подается из сосудов Дьюара.