§ 5.8. Ионно-сорбционная откачка

При ионно-сорбционной откачке используют два способа поглощения газа: внедрение ионов в объем твердого тела под действием электрического поля и химическое взаимодействие откачиваемых газов с тонкими пленками активных металлов.

  Высокоэнергетические ионы или нейтральные частицы, бомбардируя твердое тело, проникают в него на глубину, достаточную для их растворения. Этот способ удаления газа является разновидностью ионной откачки. На рис. 5.12 показано равновесное распределение концентрации при ионной откачке в объеме неограниченной пластины толщиной 2R, расположенной внутри вакуумной камеры.  

Максимальную удельную геометрическую быстроту ионной откачки можно рассчитать по формуле

где μ — коэффициент внедрения ионов; N+=i+/q — удельная часто¬та бомбардировки; i+ — плотность ионного тока; q — элементарный электрический заряд; n — молекулярная концентрация газа.

  Коэффициент внедрения учитывает частичное отражение и рассеивание, возникающие при ионной бомбардировке. Коэффициент внедрения сильно зависит от температуры тела и слабо — от плотности тока и ускоряющего напряжения. Значение μ→1 наблюдается для Ti, Zr при 300... 500 К.  

Максимальное значение концентрации растворенного газа при ионной откачке можно определить из условия равновесия газовых потоков:

Ф — коэффициент диффузии газа в твердом теле. Градиенты концентраций определяются следующими соотношениями:

здесь h = CE — глубина внедрения ионов (Е — ускоряющее напряжение); Smax и S0 — максимальная и начальная концентрации поглощенного газа.

Так как величина h мала по сравнению с 2R (константа С даже для легких газов не превышает 1,0 нм/кВ, то величиной J_V2 В уравнении (5.23) можно пренебречь:

Отсюда следует выражение для максимальной концентрации растворенного газа:

Если величина «_max, рассчитанная по приведенной формуле, превышает максимально возможную в данных условиях растворимость газа в металле, то поглощенный газ начинает объединяться в газовые пузырьки, вызывая разрыв металла. Это явление получило название блистер-эффекта.

В нержавеющей стали водородный блистер-эффект наблюдается при поглощении 3-10^~2 м^3-Па/cм², что соответствует при быстроте откачки 10^~2 м³/(с-см²) и давлении 4-10^-8 Па приблизительно 300 ч непрерывной работы.

По известному значению «_max можно подсчитать общее количество газа, которое будет поглощено единицей поверхности:

а = (S_max—SQ)R. Во время ионной бомбардировки наблюдается распыление материала, сопровождающееся нанесением тонких пленок на электроды и корпус насоса. Сорбционная активность этих пленок используется для хемосорбционной откачки. Распыление активного материала может осуществляться независимо от процесса откачки, например с помощью регулирования температуры нагревателя. Расход активного материала в таких насосах осуществляется независимо от потока откачиваемого газа.

  Более экономно расходуется активный металл в насосах с саморегулированием распыления. В этих насосах распыление производится ионами откачиваемого газа, бомбардирующими катод, изготовленный из активного материала. Распыляемый материал осаждается на корпус и анод, где осуществляется хемосорбционная откачка.