13. 3. Скляний іонно-сорбційний насос

Випарення вольфраму в металевих іонних насосах, а потім наступна його конденсація на холодних стінках викликали поглинання молекул газа тонким шаром осадженого метала, тобто додаткове зниження тиску. Цей явище дало поштовх для створення нових вакуумних насосів, які знижували тиск не здійсненням стискання газа на випускному патрубку, з використанням явища поглинання газів металами. У таких насосів випускний патрубок відсутній, називаються вони сорбційними.

С

Рис. 13-3.

кляний іонно-сорбційний насос (рис.13.3) складається з випарювача металу 1, іонізаційного пристрою 2 і магнітного пристрою 3, що створює магнітне поле, яке направлене так, щоб збільшувати імовірність іонізації молекул, тобто паралельно напряму руху емісійних електронів.

Д

Рис. 13.3

о іонізаційного пристроя входять катод 4, що нагрівається до температури електронної емісії, і два кільцевих аноди, розміщені симетрично відносно катода. На аноди і катод подається напруга для створення електричного поля, що прискорює емітовані електрони. Магнітне поле примушує електрони рухатися за гвинтоподібними траєкторіями і значно збільшує, таким чином, імовірність іонізації молекул.

Випарювач 1 – це вольфрамовий дріт, на який навита спіраль з титану.

При нагріванні вольфрамового дрота електричним струмом титан починає випарюватися і тонким шаром осаджуватися на холодній стінці, замуровуючи шар за шаром поглинуті молекули газів. Титаном добре поглинаються молекули таких активних газів, що часто відкачуються з вакуумних систем, як кисень, водень, азот, окис вуглецю та пари води.

Примусова іонізація молекул підвищує дієвість поглинання титаном активних газів, а також сприяє зв’язуванню молекул інертних газів, що важливо при відкачці аргону.

Відкритим кінцем насос приварюють до скляних приладів, де потрібно створити відповідний вакуум, після кожного знаходження в атмосферному повітрі необхідно попередньо проводити прожарення випарювача з метою старанного знегаження.

До особливостей використання такого насоса відноситься необхідність поновлення витраченого титану. Випарювач відрізають по колу 5 трубки і після навивки нової титанової спіралі приварюють знову. Насос повинен запускатися до роботи тільки після створення тиску не менше ніж Торр насосом попереднього розрідження, який потім відокремлюється, щоб вакуумна система відкачувалась лише іонно-сорбційним насосом.

Швидкодія таких насосів залежить від складу газів, поглинача і швидкості його випарення, конструктивних розмірів і для розглянутого випадку досягає декількох літрів за секунду для водню, азоту і пари води і долей літра за секунду для аргону. Граничний тиск може сягати області надвисокого вакуума ( Торр), але для цього треба провести старанне знегаження усіх елементів вакуумної системи, включно з іонно-сорбційним насосом.

13. 4. Магніторозрядний іонно-сорбційний насос

Р

Рис. 10-40.

озпилення металів, що будуть поглинати гази, можна здійснювати не тільки за допомогою додаткового нагрівання до температури випарення, а й – електричного розряду в залишковому газі. Насоси, в яких розпилення поглинача здійснюється за допомогою електричного розряду в магнітному полі, називаються магніторозрядними. Прикладом такого насоса може бути один з перших, який було розроблено в 1958 р. (рис.13.4). У цьому насосі використовувались одночасно два явища поглинання газів: розчинність газів металом під дією електричного поля і поглинання газів тонкими металевими плівками. Насос складається з корпусу, зробленого з листової нержавіючої сталі, двох катодів К у вигляді пластини з чистого титану (верхня пластина не показана на рисунку) і розміщеного між катодами анода А з великою площею поверхі завдяки виготовлення його у вигляді чарунок.

На анод подається висока напруга, що викликає ударну іонізацію. Подібно до скляного іонізаційно-сорбційного насоса постійний магніт використовується і в цьому насосі. Постійне магнітне поле напруженістю ~1000 Е направлене паралельно осі електродної системи і створюється оксидно-барієвими магнітами. Воно буде примушувати електрони, які здійснюють коливальний рух навколо чарункового анода, під дією гальмуючого електричного поля катодів і прискорюючого поля анода, рухатися за гвинтоподібними траєкторіями, значно збільшуючи довжину свого шляху і таким чином значно підвищувати імовірність ударної іонізації молекул навіть при дуже низькому тиску залишкових газів.

С

Рис. 13.4

творені іони, які значно важчі за електрони, під дією прискорюючого для них поля катодів будуть з великою енергією бомбардувати титанові пластини, викликаючи катодне розпилення, тобто відрив атомів титану з поверхні пластин. “Вибиті” атоми будуть прямолінійно рухатися за всілякими можливими напрямами. Але оскільки анод розміщений близько до катодів, то ці атоми будуть осаджуватися на поверхні його чарунок, створюючи свіжий шар за шаром титану, в якому будуть безперервно поглинатися і замуровуватися наступним шаром газові молекули. Високоенергетичні іони а також нейтральні молекули, що проникають в катоди на достатню глибину, розчиняються серед атомів титанових пластин.

Якщо концентрація розчиненого газа буде більшою за максимальну, що можливо за відповідних умов у металі, то поглинутий газ при об’єднанні створює бульбашки, які розривають метал. Це явище називають блістер-ефектом.

Знегаження насоса, тобто вивільнення поглинутих газів і викид їх до атмосфери проводять прогріванням до температури 400…500 °С.

До позитивних якостей електророзрядних насосів слід віднести можливість створення високого і надвисокого вакууму без загрози забруднення вакуумної камери будь-якою конденсованою парою; насос не має рухомих і гарячих елементів; з ростом розрідження розрядний струм і, відповідно, потужність, яку споживає насос, автоматично зменшуються.

Останню якість – залежність іонного струму від тиску залишкових газів можна використовувати для оцінки ступеня вакууму в насосі.

Промислові зразки електророзрядних насосів називають “вакіонами”. Швидкодія насосів залежно від конструктивних параметрів може бути від 1 л/с до десятків тисяч за секунду (відносно повітря) в широкому ряді тисків, включно з областю надвисокого вакууму.

Бистродію магніторозрядних насосів відносно різних газів ілюструє таблиця 1.

Іонно-сорбційні насоси мають широке застосування в лабораторних установках при виробництві електровакуумних приладів і напівпровідників; для тривалого підтримання вакууму в замкнених вакуумних системах і приладах; для відтворення космічних умов у спеціальних камерах.

Таблиця 1.

Газ	Швидкодія, %	Газ	Швидкодія, %
Водень	270	Окис вуглецю	85
Метан	270	Двоокис вуглецю	85
Аміак	170	Кисень	55
Пара води	130	Гелій	11 - 20
Повітря	100	Аргон	1 - 4
Азот	100