3511

Из-за простоты и чистоты геттеро-ионные насосы, эти свободные от масла устройства, в настоящее время заменяют масляные насосы в широкой области вакуумных применений.

2.1.4. Геттеро-ионные насосы

Термин «геттеро-ионный насос» означает любой высоковакуумный насос, который использует как «геттер», так и ионизацию для обеспечения постоянного захвата (откачки) атомов и молекул газа. Слово «геттер» вошло в обиход из производства электронных ламп, где оно применялось в течение многих лет для обозначения химически активных металлов и сплавов, использующихся внутри электронных ламп. В лампе геттер испаряется на определенный участок стеклянной колбы и служит для улучшения существующего вакуума путем захвата добавочных молекул газа; при этом используется химическое взаимодействие между геттером и остаточными газами. Вновь испаренная пленка геттерного материала соединяется химически с неинертными газами, которые имеются в трубке. Эти молекулы или атомы, тем самым, удаляются из обращения, и катод лампы предохраняется от их вредного воздействия.

Термин «геттеро-ионный насос» применим к вакуумным насосам из-за полной аналогии с геттерами, которые используются в электронных лампах. Ионизация добавляется потому, что без нее благородные газы, такие как аргон, не могут быть откачаны. Так как воздух содержит примерно 1 % аргона, абсолютно необходимо, чтобы насос обладал способностью откачивать аргон, для того чтобы достичь высокого вакуума, когда откачивается воздух. Поэтому, хотя ионизация играет относительно меньшую роль в механизме газопоглощения любого геттеро-ионного насоса, она необходима.

Следует подчеркнуть, что газопоглощение всегда имеет место на твердых поверхностях внутри насоса. В газовой фазе не имеется соударений между молекулами газов и титаном. Захват происходит только тогда, когда атомы, молекулы

21

или ионы газов ударяются о поверхность, на которую осажден титан. Когда это происходит, они обычно прилипают, если только поверхность уже не насыщена частицами газов, которые попали на нее раньше.

Физические принципы

Химическое связывание атомов и молекул газов является наиболее сильным эффектом откачки в геттеро-ионных вакуумных насосах. Оно надежно лишь для откачки большинства активных (неинертных) газов, таких как кислород, азот, водород и многие другие. Это объясняется эффективностью титана, который сильно реагирует почти со всеми элементами. Титан используется в большинстве геттеро-ионных насосов из-за его химической активности в сочетании с такими благоприятными факторами, как невысокая стоимость, легкость обработки, возможность сочленения с другими материалами и достаточное давление паров ниже точки плавления. Хотя были испробованы и другие металлы, в современных насосах обычно применяется титан. Ионизация атомов и молекул газов является вторичным эффектом, который используется для захвата инертных газов, а также для того, чтобы разложить сложные молекулы, такие как водяные пары и метан. Для т о- го, чтобы откачать инертные газы, высоко-энергетичные ионы должны быть созданы и притянуты к поверхности, на которой они покрываются атомами металла и, таким образом, поглощаются.

Таким образом, чтобы эффективно откачать широкий ассортимент газов, в том числе воздух, геттеро-ионный насос должен включать в себя: 1) устройство для осаждения химически активного металла, такого как титан, на внутреннюю поверхность насоса; и 2) устройство для ионизации газов.

22

2.1.5. Ионный насос диодного типа

Принцип действия ионного насоса диодного типа аналогичен работе манометра Пеннинга, поэтому диодный ионный насос служит одновременно и манометром, и насосом. Положительные ионы, образованные при разряде, бомбардируют катоды, испускающие атомы металлов. Будучи электрически нейтральными и не подвергаясь, следовательно, воздействию электрического и магнитного полей, эти атомы осаждаются на стенках, которые занимают почти всю поверхность вблизи катода. Таким образом, на стенках образуется и непрерывно возобновляется пленка активного металла, которая улавливает нейтральные частицы газов.

Это улавливание нейтральных атомов и молекул газов с помощью распыленного титана составляет принцип откачки. Этим объясняется откачка активных газов, таких как азот, кислород и др.

Инертные газы, такие как гелий и аргон, откачиваются благодаря внедрению ионов в катоды. Таким же образом откачивается водород, так как, хотя он и распыляет материал катода очень слабо, но проникает вглубь кристаллической решетки катода легко благодаря своим малым размерам. Ионные насосы по-разному реагируют на инертные газы и на водород, дейтерий и тритий.

Все стандартные ионные насосы, диодные, триодные или другие, после интенсивной откачки водорода, дейтерия или трития (которые мы обозначим Н, Д и Т) на сыщаются. Эти элементы откачиваются, в основном, благодаря внедрению в катоды, и если этот процесс идет непрерывно, катоды насыщаются. В конце концов, они разбухают до такой степени, что начинают растрескиваться. Одновременно скорость откачки Н, Д и Т спадает до нуля. Насос нужно очень долго отжигать, чтобы удалить большую часть Н, Д и Т, либо кат о- ды должны быть заменены.

Насосы составлены из некоторого количества ячеек, или откачивающих элементов, каждая из которых состоит из

23

одного анода и двух катодов. Катоды представляют собой пластины из геттерного материала: титана, танталла. циркония, сплава титана с цирконием...

Аноды представляют собой небольшие цилиндры из нержавеющей стали. В результате проведенных исследований длина и диаметр были выбраны такими, чтобы обеспечить оптимальные параметры в диапазоне давлений 10-3 - 10-12торр. Ячейки смонтированы в магнитной цепи, собранной из высокотемпературных ферритовых магнитов, магнито-мягких железных полюсных наконечников и отсеков из нержавеющей стали (содержащих откачивающие ячейки).

Высокое напряжение, около 5 кв, приложено между анодом и катодами (рис. 8).

Рис. 8. Откачной элемент:

1 – анод; 2 – магнит; 3 – катод; 4 – источник питания

24

Рис. 9. Анод насоса

Рис. 10. Внутренний вид ионного насоса

25

Насосы для инертных газов

Рис. 11. Принцип откачки аргона:

1 – геттер из материала с тяжелыми атомами; 2 – отражение иона аргона; 3 – «захоронение» атома

аргона; 4 – ион аргона; 5 – геттер из материала с тяжелыми атомами; 6 – титан; 7 – область медленного распыления;

8 – область быстрого распыления

Насосы для водорода

Откачка водорода при высоком давлении, например, в ускорителях, иногда опасна, так как из-за локальных нагревов происходит обратное излучение водорода.

26

Рис. 12. Элемент для откачки водорода

«Рибер» производит насосы с усиленной механической структурой, работающие при высоких давлениях водорода, вплоть до 10-4торр. Эти насосы обладают улучшенными характеристиками теплопередачи.

Тщательно отобранный титан допускает глубокую диффузию водорода. Таким образом выдерживаются высокие водородные нагрузки.

27

Рис. 13. Полный комплект ионных насосов фирмы «Рибер» от 1 до 2 400 л/сек

2.1.6. Титановая сублимация

Сублимация (испарение металла из твердого состояния, ниже точки плавления) является наиболее эффективным способом осаждения химически активных металлов. Она происходит во много раз быстрее, чем другие методы осаждения, такие, как распыление, и дает значительно больший эффект.

На стенках насоса с помощью сублимации создаются большие поверхности активного металла, которые можно возобновлять с требуемой быстротой.

28

Рис. 14. Титановый сублиматор SBT130

Эта активная поверхность действует подобно губке на молекулы газов и может абсорбировать их в большом количестве. Ненасыщенная титановая поверхность при комнатной температуре может улавливать азот со скоростью 2,2 литра/сек.см . Обычно для сублимации используют нагрев проходящим током сублимационных шпилек, представляющих собой либо вольфрамовую проволоку, обмотанную титаном и молибденом, либо проволоку из сплава титана с молибденом. Более новым и совершенным методом является электроннолучевая сублимация. Этот метод позволяет использовать значительно большее количество титана. С применением титано-

29

вых стержней и электронной пушки созданы мощные насосы со скоростью откачки 50 000 л/сек и 100 000 л/сек.

Для инертных газов используется ионная откачка. На рис. 14 показан этот тип испарителя.

2.1.7.Принцип действия насоса PEG-1000S

Внасосе PEG-1000S (рис.15) используется динамическая комбинация ионной и геттерной систем откачки.

Рис. 15. 1 – фланец для соединения с системой предварительной откачки; 2 – сверхвысоковакуумный

фланец диаметром 150 мм, на котором может устанавливаться насос; 3 – оптический отражатель; 4 – высоковольтный ввод; 5 – титановые шпильки;4 – шпильки с большим сроком

службы (1,6 г.); 6 – водяное охлаждение; 7 – большая охлаждаемая поверхность для осаждения титана; 8 – откачные элементы ионного насоса, общая мощность 125 л/сек; 9 – ферритовые магниты,

выдерживающие прогрев до 350° С

30