книги из ГПНТБ / Слабкий Л.И. Методы и приборы предельных измерений в экспериментальной физике

Кбдимоё Для работы Давление паров 0,0І мм рт. ст. в насосе дості-Ь гается при более высокой температуре для ПФ-эфира, чем для известных вакуумных масел (Т ПФ-эфира = Т масла + (100 ң-150° С).

Некоторые характеристики ПФ-эфира и его изомеров, выделен­ ных путем отгона легколетучих загрязнений и многократной ва­ куумной дистилляции, приведены в таібл. 1.

ПФ-эфиром при различной мощ­

ности подогревателя

_ J ___ I___ I____!___ I___ ____1—

500 1000

Мощность ЩВт

На рис. 32 приведена зависимость предельного вакуума в си­ стеме от мощности, потребляемой подогревателем.

Высоковакуумные камеры могут быть как стеклянными, так и металлическими (например, сварными из нержавеющей стали типа 1Х18Н9Т), причем в качестве уплотнителей обычно применяются медные или алюминиевые кольца (для металлических камер). Для достижения предельного вакуума, близкого к упругости пара ПФ-эфира, обычно требуется (без предварительного прогрева системы) от 12—14 час до 4—6 суток непрерывной работы насоса.

После достижения вакуума ~6,7-10~^Н/мі длительные перерывы в откачке (до суток) при остаточном вакууме ~10° Н!мг не оказывают какого-либо влияния на предельный вакуум, который после повторных включений насоса достигается за время, не пре­ вышающее 3—6 час. Следует отметить, что охлаждение маслоотра­ жателя или ловушек жидким азотом лишь незначительно (в 1,5— 2 раза) улучшает предельный вакуум, точно так же, как и пред­ варительный прогрев системы-до 400°С в течение нескольких де­ сятков часов. Однако предварительный прогрев камеры, ловушки и маслоотражателя до 600° С в течение 48 час (стальная камера объ­ емом 2,8 л с медными уплотняющими кольцами) улучшает пре­ дельный вакуум до 6,7-ІО-8 НІм*. При работе с ПФ-эфирами предварительный вакуум незначительно влияет на предельное раз­ режение в системе (так, предельный вакуум практически не меня­ ется при изменении форвакуума от 0,1 до 6,7 -10-4 НІм2). Во всех остальных отношениях работа диффузионных насосов с ПФ-эфира­ ми ничем не отличается (в том числе и по скорости откачки) от ра­ боты с обычными высоковакуумными маслами.

§2. Магниторазрядные триодные насосы

сохлаждаемыми электродами

Наряду с обычными диодными магниторазрядными насосами [301 в лабораторной практике используются магниторазрядные насосы с тремя электродами, которые могут охлаждаться либо во­ дой, либо жидким азотом. К преимуществам таких насосов, по срав­ нению с диодными насосами, можно отнести, прежде всего, более устойчивую работу при давлениях форвакуума до 10° НІм2 с применением водяного охлаждения электродов, а также большую скорость откачки при низких давлениях и более высокий пре­ дельный вакуум (до 4 -ІО-9 НІм2 с охлаждением электродов жид­ ким азотом). К этому следует добавить, что триодные насосы более эффективны для откачки остаточных инертных газов из вакуумируемого объема.

На рис. 33 [31 ] приведена компоновочная схема триодного магниторазрядного насоса с охлаждаемыми электродами.

Анод насоса изготовлен из меди и выполнен из 36 ячеек, оба кол­ лектора также медные. Материалом для катодов служит титан марки ВТ-1-1 толщиной 0,5 мм; магнитное поле, создаваемое внеш­ ней катушкой или оксиднобариевыми магнитами (не показаны на рис. 33) равно ~ 2 -103 ас; напряжение, подаваемое на катод, равно 7 кв.

На рис. 34 и 35 приведены графики функций давления р в си­ стеме и скорости откачки 5 для случая охлаждаемых (жидким азо­ том) и неохлаждаемых электродов при токе разряда, соответствен­ но равном 1,40 и 1,10 мА.

132

катоды

Рис. 33. Триодный магнито­ разрядный насос

Рис. 34. Функция р((] для неохлаждаемых (1) и охлаждаемых

(2) электродов триодного маг­ ниторазрядного насоса

Рис. 35. Скорость откачки триодного магниторазрядного насоса

133

токе короткого замыкания питающего выпрямителя^, равном 0,5 Л, средняя скорость откачки (при р—6,7- ІО-5 НІм2 и азотном охлаж­ дении) составляет около 200 ліс; максимальное количество отка­ чиваемого насосом воздуха не превышает 8,7 • 10_1 л ■(Н/м2)Іс при во­ дяном охлаждении электродов.

Рассмотрим влияние различных конструктивных факторов на скорость откачки магниторазрцйных насосов диодного и триодного типов.

Физический принцип работы магниторазрядных насосов с хо­ лодным катодом основан на том, что каждая элементарная ячейка такого насоса (ячейка Пеннинга), которая состоит из двух плоских катодов и цилиндрического анода и находится в однородном внеш­ нем магнитном поле, параллельном оси анода, обеспечивает лока­ лизацию электронов тлеющего разряда внутри анода. Это приводит к электронной ионизации атомов и молекул откачиваемого газа и ионной бомбардировке катодов с распылением материала като­ дов — титана. Образующаяся на внутренней поверхности цилинд­ рического анода титановая пленка (а также материал — титан — катодов) эффективно поглощает большинство из газов, входящих в компоненты воздуха. Обычно скорость откачки для ячейки Пен­ нинга составляет 0,5—2 л/с, а при параллельном соединении боль­ шого количества ячеек может достигать нескольких тысяч литров в секунду.

Рассмотрим схему элементов магниторазрядного насоса, изо­ браженных на рис. 37 и 38.

134

Всилу того, что зазор между анодом и катодами оказывает сопротивление потоку газа, эффективная скорость откачки для раз­ личных ячеек Пеннинга будет различной и суммарная скорость откачки не будет аддитивной.

Впредположении, что скорость откачки ячейки не зависит от

давления откачиваемого газа и собственное газоотделение ячейки в процессе работы ничтожно мало по сравнению с поглощаемым ею газом, можно написать для объема газа, поступающего в насос

i= 1

где 5 — скорость откачки всего насоса; р 0 — давление на входе насоса; k — число ячеек (по вертикали); s — скорость откачки од­ ной ячейки, л/с; /г — число ячеек в вертикальном ряду; рг — дав­ ление газа в і-й ячейке; F — «коэффициент эффективности», опре­ деляемый как

Будем исходить из уравнения непрерывности газового потока, которое для і, (і—1), (t+1) ячеек имеет вид

где ci"1— сопротивление зазора для двух соседних ячеек в горизон­ тальном ряду, с/л.

ние в ячейке с номером у

Для случая конечного числа ячеек в горизонтальном ряду ре­ шение имеет вид

где коэффициенты А и В, определенные из граничных условий, равны

Подстановка (3.86) в (3.82) с учетом (3.87) дает после суммирования (при а<^1 и 6>1)

Для случая двух открытых концов функция F принимает вид:

где о — суммарная площадь зазора между анодом и катодами.

F

Рис. 39. «Коэффициент эффек­ тивности» магниторазрядного насоса как функция от числа ячеек п в ряду: при одном (1) и двух (2) открытых торцах на­

соса

При s= 0,7 л/с, a = l,5 см, 6=0,5 см и п= 8 (а=0,2 и ап=1,6) величина Г =0,58 и 0,82 для насоса с одним и с двумя открытыми концами соответственно.

§ 3. Геттерно-ионные и азотно-титановые насосы

При откачке больших объемов высоковакуумных систем, а так­ же для нейтрализации возможных микротечей элементов вакуум­ ной аппаратуры и десорбции газов требуются высоковакуумные на-

135

I*/60

Рис. 40. Схема геттерно-ионного насоса ГИН-0.5М1:

1 — анод; 2 — испарители; 3 — катод

сосы с большей скоростью откачки (от нескольких тысяч до несколь­ ких десятков тысяч литров в секунду).

Такими насосами могут служить геттерно-ионные титановые насосы [32], которые могут иметь титановые испарители как пря­ мого, так и косвенного накала и использоваться либо со специаль­ ным охлаждением конденсационной поверхности, либо без него. Применение титановых насосов исключает попадание паров масел в откачиваемый объем, как это имеет место в случае обычных диф­ фузионных масляных насосов.

Ниже описывается геттерно-ионный насос типа ГИН-05М1 производительностью 500 ліс. Насос ГИН-0.5М1 (рис. 40) изготов­ лен из нержавеющей стали и имеет два прямонакальных испари­ теля из титано-молибденовой проволоки диаметром 2 мм, длиной по 450 мм при количестве титана по 4,5 г на каждом из испари­ телей .

Анод (/) представляет собой цилиндрическую сетку, изготов­ ленную из молибденовой проволоки толщиной 0,8 мм, высота ко­ торой равна 205 мм, а диаметр — 125 мм. Этот анод является

138

где №пзл — удельная мощность излучения испарителя (в Вт/см2} (при условии, что вся электрическая мощность разогрева перехо­

При постоянной подводимой мощности к испарителю и его неиз­ менной поверхности температура испарителя в процессе испарения

титана остается постоянной. Однако с учетом расхода титана при его испарении величина излучающей поверхности уменьшается,

При достижении предельного вакуума в откачиваемом объеме имеются «остаточные» газы — Н 2, Н 20 , СН4, СО, Ar, которые пло­ хо сорбируются пленкой титана. Примерный вид спектра масс «остаточных» газов для титановых сорбционных насосов приведен на рис.44.

Сравнение геттерно-ионных насосов с магниторазрядными пока­ зывает, что геттерно-ионные насосы обладают лучшими весовыми характеристиками (0,4—0,9 и 3,5—5 НІл/с соответственно), а так­ же значительно большей скоростью откачки. Что касается ресур­ сов этих насосов, то магнитные разрядные насосы имеют срок служ­ бы свыше 10 000 час, а геттерно-ионные — порядка 500—3000 час (до замены титановых испарителей).

Весьма близки к геттерно-ионным насосам по своему принципу действия являются азотно-титановые насосы, которые отличаются чрезвычайно простой конструкцией. Их действие основано на том, что при низких температурах (Г ~ —170° С) испаряемый в вакууме титан и его пленка обладают аномально большой сорбцией неко­ торых газов (в частности, основных компонентов воздуха—кисло­

140