
книги из ГПНТБ / Слабкий Л.И. Методы и приборы предельных измерений в экспериментальной физике
.pdfКбдимоё 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.
Рис. 32. Предельный |
вакуум, |
создаваемый насосом |
ІТ-1С-2 с |
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.
Темпера |
П оказатель |
Удельный |
Температура |
|
прелом ления, |
П римечание |
|||
тура плав |
|
вес |
кипения, °С |
|
ления, °С |
n D |
(Г-20 °С) |
( Р - 1 , 3 4 H f M * ) |
|
+ 4 ,4 |
1,6305 |
1,4300 |
300—305 |
|
+ 4,4 |
1,6303 |
— |
— ' |
|
|
|
|||
— 12,2 |
1,6200 |
— |
— |
|
— 12,2 |
1,6213 |
_ |
_ |
|
+ 5 |
— |
— |
— |
Коммерческий эфир |
|
||||
от + 4 |
1,6310 |
— |
— |
|
д о + 5 |
|
|
|
|
То же |
1,6310 |
|
|
|
|
|
“ |
|
|
131 |
5 * |
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
1 |
— неохлаждаемые электроды; |
2 |
— охлаждаемые электроды |
133
|
Рис. 36. |
Общий} вид триодного |
магниторазрядйб- |
|||||||||
|
го |
насоса |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 — теплоизоляция; |
2 — электрод;'^ — магнитная |
си |
|||||||||
|
стема; 4 — корпус насоса |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
При охлаждении электродов насоса водой |
||||||||||
|
скорость откачки в области |
давлений |
10“ 3н- |
|||||||||
|
10~5 НІм2 составляет |
~ 8 |
л/с, |
насос надеж |
||||||||
|
но |
запускается |
при |
|
1,34-ІО1 |
'Н/м2 и |
||||||
|
работает при р^1,34 -10 _1 Н/м2, |
в то |
вре |
|||||||||
|
мя |
как |
для |
диодных |
|
насосов |
эти |
величины |
||||
|
равны |
1—ІО-1 Н/м2 |
и ~2,7-10_3 НІм2. |
|||||||||
|
|
Еще один тип трехэлектродного маг |
||||||||||
|
ниторазрядного |
насоса несколько |
большей |
|||||||||
|
скорости откачки с оксиднобариевыми магни |
|||||||||||
|
тами |
показан |
на |
рис. 36 |
[31]. |
Емкость |
||||||
|
азотного сосуда составляет 3,5 л. |
|
|
|
||||||||
Предельный вакуум, который может быть получен после пред |
||||||||||||
варительной |
работы насоса |
в среде аргона, составляет 1,3-10“° — |
||||||||||
6 -10“10 НІм2, причем время достижения |
вакуума |
2,6-ІО“5 |
НІм2 |
|||||||||
(с момента включения |
насоса) |
составляет |
всего |
несколько |
ми |
|||||||
нут. |
работы при р ^ З -1 0 “ 2 |
НІм2, |
напряжении U= 7 |
кв, |
||||||||
В режиме |
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
(откачиваемое количество |
газа в 1 с): |
|
П |
Pi = ksn F [л-мкм/с], |
(3.81) |
Spo = ks 2 |
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
F = (про)” 1 І Рп. |
(3.82) |
і=1 |
|
Будем исходить из уравнения непрерывности газового потока, которое для і, (і—1), (t+1) ячеек имеет вид
с3 {pi- 1 - Рі) = spi + (Pi - pi+1) c3, |
(3.83) ‘ |
где ci"1— сопротивление зазора для двух соседних ячеек в горизон тальном ряду, с/л.
1 — анод; 2 — катоды; |
8 — об" |
1 |
ластъ ноннзацнн газа |
Z |
Рис. 38. Схема многоэлемент ного магниторазрядного на соса
|_/____L . 3
Ро |
\н |
1 — аноды; |
2 — катоды; |
3 —корпус |
насоса. Р ѵ — давле |
ние в ячейке с номером у
Решением этого уравнения |
при і= 1, 2, 3, . . . |
оо является |
|
функция |
= Po exp (—a i ) , |
(3.84) |
|
P t |
|||
а = arc ch 1 |
+ |
s V/> |
(3.85) |
2Co |
Для случая конечного числа ячеек в горизонтальном ряду ре шение имеет вид
Рі = А ch (аі) + В sh (аі), |
(3.86) |
где коэффициенты А и В, определенные из граничных условий, равны
А = ро |
|
B = —p0Tha(i + 1/2). |
(3.87) |
Подстановка (3.86) в (3.82) с учетом (3.87) дает после суммирования (при а<^1 и 6>1)
f a ТЬ-(ая) '. |
(3.88) |
Для случая двух открытых концов функция F принимает вид:
|
<3-89) |
График функции F=F (ап) приведен на рис. 39. |
|
Величина с3, входящая в (3.83), равна |
|
с3 = 11,6а = 11,6-2аЬ, |
'(3.90) |
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
§ 0,8 |
|
Удельная мощность излуче |
|
О |
ния испарителя, Вт/смг |
°>В |
— |
|
і/ |
|
|
'Z? o/i |
|
|
|
А |
|
|
/ |
|
О |
0,г 0,4 0,6 Oß 1,0 1,2 1,4 /,6 |
’ |
Скорость напыления титана., г/с -смг40в
Рис. 42. Скорость откачки насоса ГИН-0.5М1 как функция скорости напыления титана
Рис. 43. Скорость испарения титана при различных температурах испарителя
1 и 2 — по данным [39]; 3 — данные для титаново-молибденовых испарителей
прогреваемым и тем самым позволяет проводить предварительное его обезгаживание, а также обезгаживание всей системы.
Катодом служит вольфрамовая проволока диаметром 0,5 мм, которая нагревается током 17—18 А. (При напряжении анод—катод, равном 1200 е, ток ионизации равен примерно 0,3—0,4 Л). Тита но-молибденовые испарители (2) в режиме работы потребляют ток 45—50 А, что соответствует средней скорости испарения титана около 12 мг/час и при эффективном запасе титана 6 г могут не прерывно работать в течение 500 час при давлении 1,37-10-4 НІм2 и 1500 час при давлении 1,37-10-5 НІм2 (за счет снижения скоро сти испарения титана до 4 мг/час при той же средней скорости откачки).
В режиме предварительного прогрева, с целью обезгаживания, потребляемая на разогрев анода мощность составляет 0,6 кВт (температура внутренних частей насоса при обезгаживании ранее работавших насосов должна поддерживаться в пределах 350— 400° С в течение 2—5 час при вакууме ~(10-1 -И 0 -3) НІм2, а для вновь изготовленных насосов —■не менее чем в течение суток).
Запуск предварительно обезгаженного насоса производится после его охлаждения водой, пропускаемой через специальную ру башку на его корпусе, при вакууме не хуже 10-1—ІО-2 НІм2, причем сначала включается испаритель титана, а затем (после достижения вакуума 1,4-10-3 НІм2) включается система анод — катод. Общий вид насоса ГИН-05М1 показан на рис. 41. Все электри ческие вводы насоса собраны на основе металлокерамических изо ляторов, вакуумные уплотнители на фланцах — медные кольца с канавочно-клиновым типом уплотнения.
На рис. 42 и 43 приведены некоторые характеристики этого насоса. Как видно из графика рис. 42, скорость испарения титана зависит от температуры Т испарителя, которая может быть опреде лена через мощность накала испарителя с помощью соотношения
ТДСП — ( |
ГС^иал |
V. |
( 3 . 9 1 J |
|
I > |
||
|
|
где №пзл — удельная мощность излучения испарителя (в Вт/см2} (при условии, что вся электрическая мощность разогрева перехо
дит в излучение); сг0 — постоянная Стефана — Больцмана, |
равная |
|
5,72 -10~12 |
Вт-см~гГ К4; е — коэффициент черноты титана |
(излу |
чательная |
способность), равный 0,48. |
|
При постоянной подводимой мощности к испарителю и его неиз менной поверхности температура испарителя в процессе испарения
|
Рис. |
44. Спектр |
масс «остаточ |
|
ных» |
газов, не |
сорбируемых |
м го гз |
титановой пленкой |
||
. |
|
|
|
Массовое число |
|
|
|
титана остается постоянной. Однако с учетом расхода титана при его испарении величина излучающей поверхности уменьшается,
что приводит к некоторому |
повышению температуры излучателя |
||
(увеличение АТ = +10° С |
при |
(Д т/т)титаиа = |
0,1, что соот |
ветствует уменьшению поверхности |
излучателя |
на 3,3%). |
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
рода, азота |
и некоторых других). |
|
Предельный вакуум таких насосов равен приблизительно 1,34— |
||
2,68-ІО-7 Н/м2, причем при небольших |
откачиваемых объемах |
|
(~1 л) уже |
через 20 мин после включения |
азотно-титанового н а-; |
coca вакуум |
улучшается с 1,4-ІО- * до ~ 1 0 ~ 0 Н/м?, а еще через |
140