Запитання для самоперевірки

1. Поясніть будову і принцип роботи водоструминного насоса.

2. Поясніть будову і принцип роботи пароструминного насосу.

3. Поясніть будову і принцип роботи дифузійного насосу.

4. Які умови ефективної роботи пароструминних і дифузійних насосів?

5. Яким вимогам повинна задовольняти робоча рідина пароструминних насосів?

6. Назвіть позитивні й негативні якості пароструминного і дифузійного насосів ?

7. Напишіть рівняння Бернуллі і поясніть його використання?

8. Що називають ежектором?

9. Поясніть будову, принцип роботи і призначення ежектора?

10. Які правила запуску і зупинки високовакуумної установки?

Лекція тринадцята насоси високого вакууму

13. 1. Іонні насоси

Розробка іонних насосів була викликана бажанням отримувати високий вакуум, в якому була б відсутня пара робочої, що завжди присутня при використанні паромасляних насосів .

Якщо молекули газа, що за визначенням є електрично нейтральними найменшими частинками речовини, перетворити в позитивні іони за допомогою ударної іонізації, то під впливом електричного поля їх можна спрямувати до випускного патрубка. Якщо на випускному патрубку такого насоса створити необхідний попередній вакуум механічним або паромасляним насосом, то отримаємо іонну відкачку.

П

Рис. 13.1.

ринцип роботи іонного насоса можна зрозуміти розглянувши таку найпростішу конструкцію, як скляна циліндрична трубка з двома металевими кільцями-електродами (анодом і катодом) всередині (рис.13.1). Катод знаходиться в кінці трубки, де розташовано випускний отвір, на якому створюють попередне розрідження за допомогою насоса попередного вакуума, а анод – на іншому кінці трубки, через який газ буде потрапляти до насоса. Якщо між електродами створити електричне поле, то при пониженому тиску газу в трубці виникне газовий розряд в результаті ударної іонізації молекул електронами, прискореними електричним полем. Тоді позитивно заряджені іони, почнуть направлено рухатися під дією електричного поля в напрямі катода, де, таким чином, створиться більший тиск ніж на впускному кінці трубки. При стиканні з катодом ці іони віддають свій заряд і перетворюються в нейтральні молекули, які, продовжуючи свій направлений рух, потряпляють до насоса попереднього вакуума і видаляються останнім з вакуумної системи.

Такий процес буде повторюватися з наступними молекулами, які будуть надходити з вакуумної системи до трубки через впускний отвір, це призведе до зниження тиску в вакуумній системі, тобто виникне під дією газового розряда іонна відкачка.

Продуктивність такого насоса дуже низька, оскільки імовірність актів іонізації мала, а тому і число створених іонів дуже мале. Її можна підвищити, якщо перед анодом розмістити іонізаційну камеру, де іони будуть створюватися, наприклад, іонізуючим випроміненням. Але, крім цього, скляна (діелектрична) стінка в таких іонних насосах заряджається негативно, тому частина позитивних іонів відхиляється від напряму руху до катода.

13. 2. Металеві іонні насоси

У

Рис. 13-2.

металевих іонних насосах (рис.13.2) скляна трубка замінена на металеву 1, що є одночасно як корпусом насоса, так і заземленим анодом. Це дало можливість знизити напругу між анодом і катодом до 300 – 400 В, при якій збільшується ймовірність іонізації. Насос має два порожнистих вольфрамових катоди 2,3, з яких перший (2) “гарячий”, тобто спеціально підігрівається для здійснення термоелектронної емісії, тоді як другий (3) -холодний і слугує для відзеркалення потоку електронів. Відстань між ними складає 2, 75 м.

Б

Рис. 13.2.

іля катодів розміщені випускні патрубки 4 насоса, а впускний отвір 5 знаходиться посередині трубки. Газ з вакуумної системи спочатку надходить до центральної зони насоса, а потім розповсюджується до обох бокових зон. Щоб підвищити число актів іонізації молекул насос розміщено в соленоїді 6, за допомогою якого створюється постійне магнітне поле. У центральній зоні знаходиться внутрішній соленоїд 7.

Під дією електричного поля, яке створюють між катодами і анодом, електрони, емітовані гарячим катодом, здійснюють коливальний рух в центральній зоні. Спочатку вони будуть прискорено рухатися до центральної зони, але після її проходження вони потрапляють до гальмуючого електричного поля, а тому відзеркалюються у зворотньому напрямі. Поступово частина їх потрапляє на анод, тобто стінку насоса. Але завдяки постійній емісії ці витрати будуть скомпенсовані. Коливальний рух електронів подовжує їх шлях, що сприяє зростанню імовірності іонізації.

Магнітне поле соленоїдів примушує електрони рухатися уздовж насоса по гвитоподібній траєкторїї, тому довжина шляху електронів значно зростає, що різко збільшує імовірність іонізації молекул газа. За величиною електричне і магнітне поле добираються так, щоб іонізація відбувалась головним чином у центральній зоні. Під дією електричного поля позитивні іони будуть рухатися до катода, після зіткнення з яким вони віддадуть свій заряд і перетворяться в нейтральні молекули. Якщо тиск, створений на випускному патрубку насосом попереднього розрідження, буде підтримуватися нижче за тиск скупчених нейтральних молекул, то вони відкачаються з вакуумної системи. Таким чином відбудеться іонна відкачка. Для зменшення зворотньої дифузії нейтральних молекул створені звуження 8 трубки насоса.

Швидкодія такого насоса може досягати 7 000 л/с, а створений вакуум має тиск (0,8 - 6) Торр - при умові, що насосом попереднього розрідження підтримується тиск (3 - 5) Торр.

Для створення електричного і магнітного поля, а також термоелектронної емісії в таких насосах витрачається значна електрична потужність (приблизно 40 кВт).

У зв’язку з тим, що нагрівання катода викликає випарення вольфраму і катод швидко руйнується, більш широке практичне застосування отримали іонно-сорбційні насоси.