Геттерно-ионные насосы

Как уже было отмечено в геттерных насосах в качестве газопоглотителей применяют чаще всего титан, хотя могут быть использованы и другие металлы (барий, хром).
Титан образует практически нелетучие при комнатной температуре устойчивые твердые соединения или твердые растворы почти со всеми газами, имеющимися в вакуумных системах, кроме инертных газов и углеводородов.
При испарении газопоглотителя в замкнутом объеме на стенках образуется свежий активный слой, на поверхности которого происходит контактное поглощение газа в результате физической адсорбции, хемосорбции, а также химических реакций и растворения газа в твердой фазе.
При возбуждении и ионизации откачиваемых газов за счет электрического разряда или электронных потоков поглощение газов активными пленками идет более эффективно. С другой стороны, процесс ионизации дает возможность связать и инертные газы.
В современных геттерно-ионных насосах обычно совмещены геттерные и ионные методы откачки. Принцип действия геттерно-ионных насосов основан на поглощении газов периодически или непрерывно напыляемой пленкой активного вещества (чаще всего титана) и улучшении откачки инертных газов и углеводородов за счет ионизации и улавливания положительных ионов отрицательно заряженными элементами насоса, также запыляемыми активным веществом. Испарение титана в геттерно-ионных насосах может происходить как из твердой, так и из жидкой фаз.
На рис. 3.31 представлена схема насоса типа ГИН-05М1 с быстротой откачки 400 л/сек по воздуху. Внутри водоохлаждаемого корпуса 4 размещены прямонакальный вольфрамовый катод 1, два испарителя 2 и анод 3, смонтированные на металло-керамических изоляторах, уплотненных с днищем 5. Для предварительной откачки в крышке насоса предусмотрен патрубок 6. Корпус и крышки уплотняются металлическими уплотнениями. Подготовка насоса к работе состоит в предварительном обезгаживании при температуре 250—300 °С и давлении 2 • 10-5 мм рт. ст. в течение 4—6 ч.
Общий запас титана составляет около 7 г. При мощности на испарителе 200 и 240 Вт достигается скорость сублимации титана 5 и 15 мг/ч и обеспечивается срок службы насоса 1500 и 500 ч соответственно.
Скорость сублимации титана мало меняется в течение сотен часов работы насоса вплоть до использования 80 % запаса титана при условии, что мощность, необходимая для нагрева испарителя, поддерживается постоянной. Как уже отмечалось, химически активные газы поглощаются пленкой титана, непрерывно напыляемой на поверхность корпуса.
Прогрев этого насоса осуществляется внутренним нагревателем, роль которого выполняет анод 3, изготовленный из молибденовой проволоки. Эксплуатация насоса упрощается, так как отпадает необходимость в применении внешней теплоизоляции, а подводимая для нагрева энергия используется более эффективно.

Рис. 3.31. Геттерно-ионный насос ГИН-05М1:
1 — прямонакальный вольфрамовый катод; 2 — два титановых испарителя; 3 — анод; 4 — водоохлаждаемый корпус; 5 — фланец насоса; 6 — патрубок подсоединения насоса предварительной откачки

Ионизация газов, слабо поглощаемых пленкой титана, осуществляется электронами, эмитируемыми катодом. Быстрота откачки этих газов зависит от эффективности их ионизации. Эффективность ионизации может быть повышена за счет увеличения длины пробега электронов. Это достигается применением «прозрачного» для электронов анода, на который подается напряжение +(1000 ÷ 1200) В относительно катода. Общая мощность, потребляемая насосом, составляет 0,8-1 кВт.
Геттерно-ионные насосы позволяют создавать разрежение порядка 5 • 10-9 мм рт. ст. и ниже.
Дальнейшее развитие геттерно-ионные насосы с термическим испарением титана получили в конструкции, называемой «орбитрон».
В насосе типа «орбитрон» удачно сочетаются относительная простота конструкции с высокой стабильностью работы. На рис. 3.32 приведена простейшая схема насоса с быстротой откачки по воздуху 300 л/с. Внутри корпуса 5 размещен центральный электрод (анод) 3 с титановым цилиндром 4. Верхняя часть электрода 3 защищена трубкой 7. На пластине 8 укреплен керамический стержень 1, на котором крепится катод 2, изготовленный из вольфрамовой проволоки диаметром 0,15 мм. Токовводом и экраном катода служит проволочка 6 из тантала диаметром 0,38 мм. Корпус насоса заземлен, а на центральный электрод 3 подается положительный потенциал до 5 кВ. Пластина и экранная трубка 7 находятся под потенциалом катода. Расположение и конфигурация катода и танталового токоввода выбраны так, что осевая и радиальная симметрия электрического поля нарушена. Кроме того, к катоду приложено положительное напряжение смещения (от 50 до 250 В) относительно корпуса насоса. В результате электроны, эмитируемые катодом, движутся со скоростью, имеющей осевую, радиальную и тангенциальную составляющие. Ввиду того что электрическое поле несимметрично и векторы скоростей электронов составляют некоторый угол по отношению к силовым линиям электрического поля, направление движения электронов будет непрерывно меняться и их попадание на центральный электрод, имеющий малое поперечное сечение, затруднено.

Рис. 3.32. Геттерно-ионный насос типа «орбитрон»: 1 — керамический стержень; 2—   прямонакальный катод; 3— анод; 4 — титановый цилиндр; 5 — корпус; 6 — токо-ввод и экран катода; 7 — экранная трубка; 8 — монтажная пластина

Осаждение электронов на корпус также исключается благодаря наличию положительного смещения на катоде.
В результате электроны движутся по орбитам достаточно долго, проходят большие расстояния, и вероятность ионизации газа резко увеличивается.
Часть электронов, траектории которых проходят вблизи центрального электрода 3, попадает на титановый цилиндр 4 и разогревает его до температуры ~1160 °С. При этом происходит сублимация титана и запыление внутренней поверхности корпуса насоса.
Так же как и в предыдущих конструкциях геттерно-ионных насосов, откатка активных газов орбитроном идет за счет поглощения их пленкой титана, непрерывно напыляемой на внутреннюю поверхность корпуса насоса. При условии достаточной сублимации титана и вероятности прилипания молекул, близкой к единице, скорость откачки активных газов будет ограничиваться в основном входным сечением насоса. Быстрота откачки насоса типа «орбитрон» с входным сечением, равным 100 мм, составила для водорода 900 л/с, для азота 500 л/с и для воздуха 300 л/с. Быстрота откачки насоса с входным сечением, равным 300 мм, достигает для водорода 9000 л/с, для азота 6000 л/с и для воздуха 4500 л/с.
В отличие от описанных выше геттерно-ионных насосов в орбитроне за счет значительного увеличения длины свободного пробега электронов (до нескольких метров) быстрота откачки инертных газов увеличена и составляет для насоса с входным сечением 300 мм около 105 л/с.
Предельное давление, получаемое с помощью насоса типа «орбитрон», достигает 5 • 10-10 мм рт. ст. и ниже.
Часто, чтобы избежать загрязнения вакуумной системы парами рабочей жидкости, при предварительной откачке до давления 10-3—10-4 мм рт. ст. применяют адсорбционные угольные или цеолитовые насосы, которые объединяют в агрегаты с геттерно-ионными насосами.
Быстрота откачки воздуха у геттерно-ионных насосов значительно выше быстроты откачки аргона и гелия. Разница в скоростях откачки может быть использована для поисков течей порядка 10-6—10-7 л • мкм рт. ст./с при давлении в системе не выше 5 • 10-8 мм рт. ст.
К недостаткам испарительно-ионных насосов следует отнести некоторую сложность системы электропитания, отсутствие саморегулирования скорости распыления титана и наличие горячего катода.
Для создания насосов с большой быстротой откачки (5000 л/с и больше) применяют испарение титана из жидкой фазы.
Нагрев титана до температуры плавления может производиться электронной бомбардировкой. Мощность нагрева подбирается такой, чтобы капля расплавленного титана сохраняла свою форму за счет поверхностного натяжения. При этом удается испарять титан со скоростью в десятки миллиграммов в минуту и в то же время выделять в окружающее пространство значительно меньшее количество тепла по сравнению с прямонакальными испарителями.
Следует отметить, что быстрота откачки газов значительно возрастает при напылении титана на поверхность, охлаждаемую до низких температур. Так, например, скорость откачки водорода возрастает в 17 раз при охлаждении титановой пленки до температуры жидкого азота.
При напылении активных пленок на поверхность, охлаждаемую до температуры жидкого азота (77 К), значительно снижаются равновесные давления водорода и других газов и практически прекращается образование метана.
Существенное увеличение скорости поглощения активных и инертных газов титановыми пленками, напыляемыми на охлаждаемые жидким азотом поверхности, объясняется увеличением физической адсорбции.
Поэтому для целей получения сверхвысокого вакуума разработаны геттерно-ионные насосы с корпусами, охлаждаемыми жидким азотом или даже гелием.

Эксплуатация и обслуживание
Пуск насоса производится в такой последовательности. Насос откачивают до давления 1 • 10-3 Па (1 • 10-5 мм рт. ст.). Сливают воду и продувают систему охлаждения сжатым воздухом. Включают внутренний нагреватель, которым насос прогревается в течение 10 ч. По окончании общего прогрева насоса производят обезгаживание испарителя и катода. После охлаждения корпуса насоса до температуры ниже 100 °С в систему охлаждения подается вода. В момент пуска расход воды не должен превышать 50 л/ч. Последнее вызвано тем, что, если насос недостаточно остыл, в системе охлаждения может сильно возрасти давление в результате образования большого количества пара. Затем включают испаритель, с этого момента насос начинает откачку. Включают катод. Плавно, в течение 30 мин, напряжение на аноде увеличивают до 1200 В. В дальнейшем насос может производить откачку без вспомогательных средств откачки. Вакуумный клапан, соединяющий насос со вспомогательными средствами откачки, перекрывают. Естественно, если в откачиваемом сосуде присутствует большое количество инертных газов, откачка его вспомогательными средствами откачки не прекращается и клапан оставляют открытым. Выключение насоса производится в обратной последовательности.
В процессе эксплуатации геттерно-ионных насосов, так же как и геттерных насосов, требуется периодическая чистка корпуса насоса от пленок титана. Необходимая периодичность чистки определяется режимом работы насоса, рабочим давлением, количеством напусков атмосферного воздуха, количеством прогревов установки и т. д. Рекомендуется чистить насос после полного испарения трех-четырех блоков испарителей. Требования техники безопасности при чистке корпуса геттерных и геттерно-ионных насосов одинаковы.