Электрофизические и сорбционные средства откачки

 

Для получения в лабораторных условиях высокого и сверхвысокого ва­куума чаше всего используются геттерно-ионные и электромагнитные насо­сы с катодным распылением сорбента. Все они, как и чисто сорбционные и криогенные. относятся к насосам накопительного типа, не имеющим выпуск­ного отверстия и требующим периодической остановки для очистки от нако­пившихся в них адсорбированных газов и пополнения сорбента. Чисто сорбционные и криогенные насосы применяются редко и в данном пособи не рассматриваются.

Электрофизические насосы всех типов яваяются накопительными, то-естъ откачиваемые газы поглощаются в насосе в виде хемосорбционных слоев, химических соединений и " замурованных" атомов. Диапазон создаваемых давлений 10^-2…10^-12 Па. Основной механизм связывания химически активных газов - хемосорбция; инертные газы при нормальной температуре в отличие от химически активных внедряются в поверхность твердого тела только в ио­низированном состоянии при определенной энергии ионов. Химически ак­тивная поверхность, поглощающая газы, может быть организована по- разному [21]:

- формированием пористой структуры с высокоразвитой поверхностью- адсорбенты типа силикагеля, алюмогеля и др.;

- однократным или периодическим нанесением пленки поглотителя;

- непрерывным восстановлением поглощающей поверхности.

 

К газопоглотителям, предназначенным для получения низких давлений, предъявляются следующие требования:

- максимальная поглотительная способность, то-есть объем газов, удер­живаемых поглотителем (геттером);

  - универсальность хемосорбционных свойств по отношению к макси­мальному числу газов;

- малое давление пара геттера и максимально низкое давление диссо­циации продуктов реакции;

- устойчивость материала геттера на воздухе после прогрева в вакууме и высокая химическая активность;

- легкость обезгаживания поглотителя при регенерации, то-есть он дол­жен содержать минимальное количество газов, выделяемых при обезгаживании в вакууме.

- в испарительных насосах геттер должен обладать высоким давлением пара при температуре испарения и низким давлением пара при температуре конденсации.

 

При откачке печных контролируемых атмосфер, содержащих N₂, H₂, СО, CO₂, СН₄, и воздуха абсолютной универсальностью обладают металлы Ва, Са, Nb, W, Zr, Mo, Ti, Та. На практике чаше всего используются Ti, Та и Мо в насосах, работающих на принципе ионизирования молекул откачивае­мых газов с последующей их сорбцией напыленным на поверхность корпуса металлическим геттером и " замуровыванием" путем непрерывного нанесения новых слоев поглотителя.

Наибольшее распространение получили гетгерно-ионные насосы (ГИН) с катодным распылением титана, схема которого приведена на рис. 5.13. Испа­рение титана на стенки водоохлаждаемого корпуса 4 производится из твер­дой фазы с прямонакальных испарителей 2, представляющих собой молиб­деновый U-образный керн диаметром 1 мм, на который нанесен слой иодидного титана толщиной 0, 5 мм. Общий запас титана на двух испарителях 2, установленных в насосе, составляет 7 л из них используется около 80%. При мощности на испарителе 200...240 Вт достигается скорость испарения тита­на 5 и 15 мг/ч и обеспечивается срок службы насоса 1500 и 500 ч. соответст­венно. По истечении срока службы или при выходе из строя испарителей 2 их заменяют. Непрерывно испаряющиеся атомы титана " замуровывают" адсорбированные поверхностью титановой пленки ионы газа [22]. Ионизация осу­ществляется электронами, эмитируемыми накаленным вольфрамовым като­дом 1.Снизу корпус 4 закрыт крышкой 5 из диэлектрика.

Анод 3, выполненный из молибденовой проволоки диаметром 0, 8…1, 0 мм. используется еще и в качестве внутреннего нагревателя для обезгаживания насоса от ранее адсорбированных газов при подготовке его к работе по­сле некоторого перерыва или после достаточно длительной непрерывной ра­боты, когда на стенке корпуса 4 нарастает достаточно большой слой " замурованных" молекул газов и возникает вероятность самопроизвольной взрывной их десорбции, называемой " газовой отрыжкой". Такой мгновен­ный выброс достаточно большого количества газа может привести к повы­шению давления в откачиваемом объекте сразу на 10³... l0⁴ Па.

Насосы ГИН имеют Р_нас=10^-2 Па и способны обеспечивать Р_техн= 10^-1 Па, сохраняя при этом большую S_н [21]. Поэтому требуется тщательная предварительная откачка объекта и всей системы, включая сам насос ГИН (через патрубок 6) и арматуру, для чего используется комбинация пароструй­ного диффузионного насоса и механическо­го форвакуумного (см. рис. 5.2, г).

 

Рис. 5.13. Геттерно-ионный насос

 

Для откачки небольших вакуумных объ­ектов, электрофизических приборов и уста­новок применяют магнитные электрораз- рядные насосы, которые часто называют просто магниторазрядными. Они являются также геттерно-ионными насосами и отли­чаются от испарительных тем, что в них как для распыления геттера, так и для иониза­ции газов используется газовый разряд в магнитном поле. Поэтому в них устранен такой недостаток, как наличие накаленных элементов, присущий насосам ГИН.

Схема простейшего диодного магнитно- разрядного насоса показана на рис 5.14. Анод 1, изготавливаемый из нержавеющей стали, собран из отдельных раз­рядных ячеек, с открытых концов которых расположены общие катоды 2 из активного материала (титана). Ячеек в аноде может быть от единицы до не­скольких тысяч, а форма их сечения - квадрат, прямоугольник или круг. Вся эта электродная система помещена в магнитное поле, перпендикулярное плоскости катодов. При подаче на электроды разности потенциалов в не­сколько киловольт в ячейках возникает газовый разряд, поддерживающийся в широком диапазоне давлений до 10^-9 Па. Источником разряда являются электроны, возникающие в результате автоэмиссии при подаче на электроды разности потенциалов.

Образующиеся в разряде положительные ионы ускоряются электриче­ским полем и бомбардируют катоды, вызывая распыление геттера. Распы­ленный материал осаждается на внутренних поверхностях насоса (главным образом на ячейках анода 1) и сорбирует газы.

 

Рис. 5.14. Схема магнитноразрядного диодного насоса.

 

Чем выше давление газа, тем интенсивнее рас­пыляется титан и поглощает газы: снижение давления уменьшает силу ионного тока и коли­чество распыляемого титана. Таким образом автоматически регулируется скорость распыле­ния катодов, что обеспечивает, в отличие от испарительно-ионных насосов ГИН, экономное расходование геттера и значительно больший (до десятков тысяч часов) ресурс работы.

По механизму откачки магнитноразрядные насосы во многом аналогичны испарительно-ионным, но интенсивные ионизация и диссоциация молекул откачиваемых газов в газовом разряде позволяют использовать их как эффективное средство откачки инертных газов и углеводородов.

Магнитноразрядные насосы серии НМДО (насос магнитноразрядный ди­одный охлаждаемый) имеют высокую надежность в работе, большой срок службы (нет накаленных и движущихся элементов), просты в эксплуатации, бесшумны в работе, не выходят из строя при аварийной разгерметизации ва­куумной системы и имеют достаточно высокую S_н = 10¹... 10³ дм·с.

 

⇐ Предыдущая21222324252627282930Следующая ⇒

Поделиться: