IV. Магнитные электроразрядные насосы

В 1958 г. Холл [17] создал удачную металлическую конструкцию насоса повышенной производительности, в которой используется многоячеистый анод. Такая конструкция лежит в основе ионных насосов типа «Вакион», имеющих ячейки размером 8Х8Х 15 мм3, Уа — 3 — 3,5 кВ или 6 кВ и В = 0,12 — 0,15 Т.

В магниторазрядных насосах типа НЭМ, выпускаемых в Советском Союзе, до последнего времени использовалась двухсекционная система, два анода и три катода которой расположены в одном магнитном зазоре [18]. Характеристики ионных насосов НЭМ: размеры ячеек 20X 20X15 мм3, Vа = 7 кВ, В = 0,07 Т (фиг. 3).

Многочисленные исследования, проводившиеся в последние 10 лет, привели к выяснению механизма действия ионных насосов и позволили обоснованно производить выбор оптимальных значений геометрических и физических параметров насоса.

В основе механизма действия ионных насосов лежат следующие явления: 1) ионизация атомов и молекул колеблющимися электронами и возникновение электрического разряда в высоком вакууме; 2) распыление катода ударами положительных ионов; 3) химическая и физическая сорбция атомов газа на электродах и пленках металла, непрерывно напыляющихся на стенках разрядной камеры.

Рассмотрим основные процессы, происходящие в объеме разреженного газа и на граничных поверхностях. Процессы, развивающиеся в разряде, зависят от анодного напряжения, индукции магнитного поля В, давления р и рода газа, а также от геометрических размеров ячейки. При низких давлениях длина свободного пробега частиц значительно больше размеров разрядного пространства. Специальная конфигурация электрического и наличие магнитного поля создают ловушку для электронов, увеличивают время пребывания их в разрядном пространстве и делают возможным зажигание разряда при сверхвысоком вакууме. Неоднородное электрическое поле разрядного пространства искажается в горящем разряде пространственными зарядами. Опыты показали, что при низких давлениях разряд развивается в основном вблизи продольной оси z ячейки и внутри полости анода (вблизи плоскости симметрии, перпендикулярной оси). Для этих областей распределение потенциала с достаточной точностью описывается квадратичной функцией от r и z. При индукции магнитного поля больше критической Bкр для всех электронов, участвующих в ионизации (Bкр — значение В, при котором траектория электрона, образовавшегося в данном месте, касается анода), проекции траекторий электронов на плоскость симметрии представляют собой циклоиды; одновременно электроны совершают колебательное движение между плоскостями катодов. В стационарных условиях электроны перемещаются к аноду, испытывая упругие и неупругие соударения с атомами газа. В работе [19] определены значения коэффициента подвижности и таунсендовского коэффициента ионизации газа по r с учетом неоднородности электрического поля в пределах витка циклоиды. При больших значениях В, когда поле в пределах витка циклоиды можно считать однородным, уход электронов на анод происходит по закону классической подвижности,

Положительные ионы, образовавшиеся в результате ионизации, свободно уходят на катоды. Ионы, образовавшиеся на оси разряда, движутся прямолинейно к катодам; ионы, образовавшиеся на некотором расстоянии от оси, уходят на катод, совершая одновременно колебательное движение относительно оси. Угол падения ионов в центральную область катода (r≈3 мм) тем больше, чем дальше от оси образовался ион. Фокусирующее действие радиального электрического поля на ионы приводит к неравномерному распределению плотности ионного тока по радиусу катода: она максимальна в центральной части катода и спадает к краям [20].

Ионы, ударяясь о катод, вызывают ряд эффектов. Возникает вторичная электронная эмиссия; часть ионов захватывается кристаллической решеткой металла; часть может испытать перезарядку и отразиться в виде энергичных нейтралов. Передавая импульс атомам металла, ионы производят также распыление материала катода. Распыленный металл осаждается на противоположном катоде, аноде и стенках разрядной трубки, поглощая при этом газ.

Механизм зажигания разряда данного типа рассмотрен в ряде работ [19, 21]. В работе [19] получено уравнение, связывающее потенциал при зажигании разряда с другими параметрами, и показано, что при больших В необходимо учитывать влияние на распределение потенциала отрицательного объемного заряда, накапливающегося в процессе формирования разряда При зажигании разряда в сверхвысоком вакууме наблюдается затягивание зажигания, достигающее в условиях разрежения 10-9— 10-11 Тор десятков минут и затрудняющее запуск насоса. Затягивание зажигания определяется временем, необходимым для накопления отрицательного пространственного заряда, создаваемого в процессе формирования разряда. Зависимость тока в разряде с осциллирующими электронами от различных параметров является сложной (фиг. 4). Такая зависимость тока связана с различными распределениями потенциала, с условиями ионизации и механизмом ухода электронов на анод. Измерения радиального падения потенциала, выполненные различными методами [22—24], показали, что V(r, 0) при определенных значениях параметров является квадратичной функцией r и зависит от Vа, В, р, рода газа и размеров ячейки. Совместные измерения радиального падения потенциала и спектра электромагнитных излучений из разряда, проведенные в работе [25], позволили построить диаграммы состояний и детально проследить переход разряда от одного режима в другой при изменении параметров. На фиг. 5 показаны кривая зажигания разряда как функция В и ряд областей, соответствующих различным режимам. Внизу показано распределение V(r,0) для соответствующих областей,

Измерения динамических характеристик разряда показали, что в области А излучение из разряда не наблюдается. Это свидетельствует о равномерном распределении отрицательного пространственного заряда внутри анода (I режим разряда). Уход электронов на анод обусловлен лишь соударениями их с атомами газа. Из решения уравнения неразрывности с учетом уравнений движения электронов в электрическом Е и магнитном и полях получено следующее выражение, связывающее радиальное падение потенциала с другими параметрами в этом режиме разряда [26]:

где rа- радиус анода, Ψ=Vа-V0 (V0- потенциал центра разрядной ячейки), Уг — потенциал ионизации газа, ас — поперечное сечение соударения электронов с атомами газа, Я —постоянная Ридберга, а0 —радиус первой орбиты Бора, Мг — постоянные, у* — эффективный коэффициент вторичной электронной эмиссии с катода.

При увеличении В плотность пространственного заряда и радиальное падение потенциала растут. Максимальная величина пространственного заряда достигается при Ко —0. При таком значении У0 высота циклоид электронов, образовавшихся вблизи оси разряда, становится настолько малой, что энергия, набираемая ими при движении по г, меньше потенциала ионизации газа, и ионизация в разряде происходит в основном вблизи анода. Ионы из этой области уходят под действием радиального электрического поля. При этом около анода образуется узкий слой отрицательного пространственного заряда большой плотности, который экранирует поле анода, а потенциал внутри анодной области выравнивается (область Б). Слой отрицательного пространственного заряда при определенной толщине становится неустойчивым, и развивается так называемая диокотронная нестабильность [27]. Возникает неоднородное азимутальное распределение отрицательного пространственного заряда, следствием чего является появление излучения частоты V, связанного с вращательным движением электронного слоя [28]:

В области Б наряду с излучением частоты V имеет место также излучение, образуемое пучком сгруппированных (фокусирующим действием' магнитной индукции В и модуляцией V0 с частотой v) осевых электронов, колеблющихся вдоль оси относительно плоскости симметрии с частотой

где 2r расстояние между катодами. Область Б, для которой характерны неоднородное распределение отрицательного пространственного заряда и наличие излучений частот v и vz, является переходным режимом разряда. Условие стационарности имеющее место в режиме I, здесь нарушается, и разряд переходит в динамический режим. В первом и переходном режимах разряда можно пренебречь влиянием положительного пространственного заряда на распределение потенциала.

С увеличением В частоты v и vz сближаются и при некотором значении В наступает резонанс (кривая 3 на фиг. 5). При этом электроны, образовавшиеся вблизи оси разряда, получают дополнительную энергию и начинают ионизировать газ, находящийся в этой области. Образующиеся в результате ионизации положительные ионы создают положительный пространственный заряд в той области, где поле было ранее экранировано, и частично компенсируют отрицательный пространственный заряд вблизи анода. При этом радиальное падение потенциала уменьшается (скачком), и разряд переходит в режим II, в котором на распределение потенциала влияет заряд положительных ионов (область Ь ). Амплитуда излучения частоты при резонансе резко возрастает от милливольт до нескольких вольт, а с дальнейшим увеличением В амплитуда излучений частоты V уменьшается С переходом разряда в режим II характер кривых V(r 0) и спектр излучений из разряда меняются. На кривой V (г 0) возникает излом, появляются излучение типа пучок —плазма частоты у2 и комбинационные частоты v' = v ± v'z. Вблизи оси образуется «виртуальный катод»; основная лавина развивается при движении электронов по r. На некотором расстоянии r01 от оси возможно образование плазменного слоя, простреливаемого быстрыми электронами и ионами. Большое положительное анодное падение потенциала и перпендикулярное ему магнитное поле приводят к образованию на внешней границе плазмы тонкого слоя отрицательного пространственного заряда частота вращения которого определяется формулой

При еще больших В плазменная область расширяется виртуальный катод вблизи оси разряда и колебания v'z и v' пропадают (область I). При дальнейшем увеличении В анодное падение потенциала уменьшается, слой отрицательного пространственного заряда и излучение частоты v пропадают, а всю область внутри анода заполняет квазинейтральная плазма. В динамических режимах (при наличии излучений) уход электронов на анод вызывается не только соударениями с атомами газа, но и аномальной диффузией вследствие развивающейся в разряде нестабильности. Положение границ рассмотренных областей зависит от конфигурации и размеров системы, а также от давления и рода газа. Аналогичные области наблюдаются на диаграмме Vа = f(р) (фиг. 6), характеризующей различные режимы разоряла при изменении давления газа Размеры различных областей зависят от величины В и геометрических размеров ячейки.

Переход разряда при изменении его параметров через различные режимы говорит о том, что разрядный ток не может быть выражен одной формулой для всех состояний разряда.

В работе [28] проведен расчет тока в предположении однородного электрического поля по r и получено выражение, связывающее разрядный ток с пространственным зарядом. Однако, поскольку величина пространственного заряда не была известна, сравнение теории с экспериментом не проводилось. В работе [21] получена зависимость тока от параметров в предположении ухода электронов на анод по закону классической подвижности; при этом вероятность ионизации считалась постоянной. Однако указанная зависимость не учитывает изменение распределения потенциала с изменением магнитного поля и не объясняет уменьшение тока в режиме 11 разряда. Расчет стационарной компоненты разрядного тока с учетом реального изменения V (r, 0) и вероятности ионизации в горящем разряде проведен в работе [29]. Для первого и переходного режимов разряда получена следующая зависимость для тока:

В режиме II разряда, когда вблизи оси образуется виртуальный катод, а ионизация электронами, движущимися по r, начинается с некоторого расстояния r01 стационарная компонента разрядного тока определяется формулой

Положение внешней границы виртуального катода r01 и ее потенциал V01 определяются экспериментально.

В динамических режимах разряда ток на анод образуется двумя составляющими: одна из них обусловлена постоянными полями и соударениями в разряде, а другая представляет собой среднее значение тока, создаваемого уходом электронов из вращающегося электронного слоя под действием переменного электрического поля развивающейся нестабильности. Последняя составляющая тем больше, чем больше амплитуда колебаний, и особенно существенна при резонансе колебаний V и и переходе разряда в плазменный режим. Вклад аномальной диффузии также увеличивается с уменьшением давления газа, и при р ~ 10-8 Тор переменная составляющая разрядного тока становится сравнимой с постоянной. Уход части электронов из электронного облака без соударений приводит к уменьшению плотности пространственного заряда и к нарушению постоянства интенсивности (Iр/р) разряда в области сверхвысокого вакуума. Указанные особенности разряда следует учитывать при использовании этого механизма в ионном насосе.

Исследованные зависимости распределения потенциала и разрядного тока позволяют обоснованно выбрать оптимальные значения параметров для ячеек ионного насоса. Из выражении (1) и (5) следует, что радиальное падение потенциала hjtok на единицу длины анода остаются постоянными при В•ra=^ const, если можно пренебречь осевым падением потенциала по сравнению с радиальным. В работе [30] показано, что произведение В•ra является параметром подобия в первом и переходном режимах разряда для определенного интервала значений геометрических параметров (0,57 < lа/rа < 3, 0,4 < (d-la/2)/d < 0,8). Для коротких анодов подобие нарушается вследствие влияния компоненты г скорости, для длинных анодов — из-за увеличения величины осевого падения потенциала и влияния положительного пространственного заряда. В режиме II разряда подобие нарушается вследствие влияния положительного пространственного заряда и аномальной диффузии электронов к аноду. На основании параметров подобия можно определить оптимальные соотношения физических и геометрических величин. Опыты показали, что для подобных промежутков в первом и переходном режимах разряда величины Iр/Iа всегда больше, чем для неподобных. Чтобы получить максимальное значение Iр в широком диапазоне давлений, следует выбирать конфигурацию системы отвечающую условиям подобия, и работать вблизи максимума кривой Iv = f(Bra). Значение Вга, соответствующее Iр,Макс для любого Va определяется из выражения (1) при условии К0=0 (например, при Vа = 3 кВ получаем В•ra = 0,09 Т•см). Выбор радиуса ячейки зависит от напряженности имеющегося магнитного поля. При выборе параметров разряда в ионных насосах при низких давлениях следует не только добиваться максимальной интенсивности разряда в каждой ячейке и ее постоянства, но также обеспечивать получение максимального значения суммарного разрядного тока в выбранных габаритах и учитывать многоячеистость конструкции.

Быстрота откачки ионных насосов S в первом приближении пропорциональна интенсивности разряда, однако при определении S следует учитывать не только процессы в объеме, но и на поверхностях. Область максимума S может быть смещена в сторону низких р соответствующим подбором значений Va, В и размеров ячейки.

Быстрота откачки ионных насосов зависит также от рода газа Механизм поглощения газа в магниторазрядных насосах рассмотрен в ряде работ [31—39]. Химически активные газы в основном откачиваются за счет хемосорбции на электродах и стенках насоса. Быстрота откачки Н2 примерно в 2 раза больше, чем воздуха. Вследствие малой массы Н2 распыление катодов при работе в атмосфере водорода незначительно. Для катодов из Ti на каждый электрон, протекающий во внешней цепи, откачивается несколько атомов водорода. Это говорит о том, что ионизация каждого откачиваемого атома Н2 не является необходимой. Атомы и ионы Н2, попадая на очищенную под действием ионной бомбардировки поверхность S, диффундируют в глубь металла, образуя соединение ПН. Так как Т1Н имеет больший объем, чем сам Т1, то образование гидрида по всей толще материала при длительной работе насоса вызывает растрескивание и деформацию катодов.

Механизм откачки 1Ч2 отличается от механизма откачки Н2. Так как масса N2 больше, чем Н2, то при разряде в азоте происходит сильное катодное распыление, поэтому в откачке газа принимают участие не только катоды, но также анод и стенки трубки. Поглощение газа катодами происходит в областях, где осаждение металла с противоположного катода преобладает над распылением (периферийные части катода). Для откачки одной молекулы 1Ч2 необходим один электрон во внешней цепи, так что эффективность использования ионизации при откачке' N2 довольно высокая.

Механизм откачки O2 сходен с механизмом откачки N2. Окислы Тi являются устойчивыми, и ионы кислорода используются с меньшей эффективностью, чем ионы азота: на каждый откачиваемый ион кислорода тратится в среднем около двух электронов, протекающих во внешней цепи, вследствие чего быстрота откачки кислорода меньше, чем воздуха.

Механизм откачки сложных молекул (Н20, СO2, СН4 и др ) не вполне ясен. Предполагается, что при откачке сложных молекул имеют место ионизация, диссоциация и откачка отдельных компонент. Для увеличения быстроты откачки химически активных газов следует выбирать материалы с большим коэффициентом катодного распыления; при этом необходимо также учитывать химическое взаимодействие газа с материалом катода Быстрота откачки инертных газов магниторазрядными насосами значительно меньше, чем химически активных газов. Характерным для откачки инертных газов (особенно Аr) являются периодические колебания давления в области 10-5—10-4 Тор (аргонная нестабильность). Низкие скорости и нестабильность откачки инертных газов связаны с особенностями механизма их откачки Ионы инертного газа откачиваются в основном, внедряясь в катод и удерживаясь в нем силами физической сорбции. При распылении катода значительная часть атомов газа может вновь выделиться; этим определяется малая быстрота откачки инертных газов. Изменение распределения плотности ионного тока по поверхности катода при изменении давления газа приводит к перераспределению областей распыления и поглощения на катоде и к выделению ранее поглощенного на катоде газа, вследствие чего наступает аргонная нестабильность. Для объяснения откачки инертного газа анодом Джепсен выдвинул гипотезу об откачке на аноде энергичных нейтралов. Нейтралы высокой энергии образуются при перезарядке и при отражении падающего иона от катода. Чем больше m2/m1 (где m1 — масса иона, m2 — масса атома металла), или чем больше угол падения ионов на катод, тем большая доля ионов отражается от катода в виде энергичных нейтралов и тем больше их энергия. Известно несколько конструкций магниторазрядных насосов, которые приводят к устранению аргонной нестабильности. На фиг. 7 показаны схемы таких насосов. Наряду с триодными насосами, описанными в гл. 4 книги, применяются и другие насосы такого типа. Во всех триодных насосах распыленный металл в основном направляется на третий электрод—коллектор (стенку) и поглощает там газ. Поскольку ионы непосредственно не бомбардируют коллектор, изменение распределения тока по поверхности катода не сопровождается выделением поглощенного газа. Быстрота откачки инертных газов триодным насосом выше, чем диодным, а для активных газов одинакова.

В насосе с ребристыми катодами (фиг. 7,6) увеличение рабочей поверхности катода, разделение областей распыления и осаждения позволяет повысить быстроту откачки Аг до 10% быстроты откачки воздуха. Магнетронный ионный насос (фиг. 7, е) позволяет увеличить быстроту откачки Аг до 12—20% относительно воздуха и не обнаруживает аргонной нестабильности. Если на оси насоса поместить металлический стержень, потенциал которого равен потенциалу катода, то при изменении давления не происходит изменение потенциала центра и моды разряда. Устранение аргонной нестабильности в дифференциальном ионном насосе (фиг. 7,д) объясняется увеличением числа энергичных нейтралов вследствие увеличения отношения R = m2/m1,. Установлено, что насосы R> 2,5 стабильно откачивают инертные газы [35]. Для устранения аргонной нестабильности можно в центральной части катода поместить метала с большим коэффициентом распыления (Сu, Ag) [38, 39].

При эксплуатации магниторазрядных насосов 'необходимо учитывать некоторые их особенности. В частности, источник питания должен соответствовать условиям работы насоса в широком диапазоне давлений. При тренировке и запуске магниторазрядных насосов происходит резкое увеличение давления и тока поэтому схема должна содержать сопротивление, предохраняющее разряд от больших токов. Целесообразно предусмотреть в схеме автоматическое устройство, которое отключало бы насос от источника питания при возникновении больших токов. Тренировку насосов можно производить кратковременным включением источника питания. Длительность промежутков между импульсами зависит от соотношения между быстротой откачки и скоростью выделения газа и имеет порядок нескольких десятков секунд.

Для получения сверхвысокого вакуума при безмасляной откачке предварительное разрежение создается цеолитовыми насосами. Предельное давление насоса зависит от соотношения между быстротой откачки и натеканием в систему Для получения предельного давления — 10—12 Тор насосом с производитель - 100 л с-1 необходимо, чтобы натекание было меньше 10 Тор•л•с , а десорбция с единицы поверхности стекла насоса не превышала 10-16 Тор•л-1•с-1•см-2. Для обеспечения такой малой десорбции требуется тщательное обезгаживание как вакуумной системы, так и самого насоса.

В последние годы магниторазрядные насосы получили широкое применение. Небольшие насосы и отдельные ячейки помещаются непосредственно в электровакуумные приборы благодаря чему срок службы и надежность приборов повышаются. Созданы насосы различной производительности — от нескольких литров в секунду до десятков тысяч литров в секунду. Для лабораторных целей наряду с насосами в металлических корпусах используются насосы в стеклянных корпусах с быстротой откачки 5—10 л•с [1]. Такие насосы просты в изготовлении и весьма экономичны. Большую скорость откачки при высоких давлениях обеспечивают откачные системы, в которых магниторазрядные насосы комбинируются с криогенными и сублимационными насосами.