Геттерные насосы

Геттерные насосы работают на физическом принципе хемосорбции, т. е. путем поглощения активных газов на поверхности металлов.
Показателем активности газа является его теплота адсорбции на данном металле. Наибольшее распространение для хемосорбционной откачки получили следующие металлы: Ti, Zr, Та, Ва, Mo, W, Hf, Ег. Теплота адсорбции Qa при малых степенях заполнения поверхности сильно зависит от рода газа, например, для Ti, сильно поглощающего все газы, кроме инертных, имеем:

Для увеличения поверхности металла при его взаимодействии с откачиваемыми газами используется распыление металла, сопровождающееся нанесением тонких пленок на электроды или корпус насоса. Возможность непрерывного обновления напыленной пленки увеличивает срок службы насоса.
Напыление происходит при давлениях паров вещества, больших давления насыщенного пара над поверхностью напыления, когда на единице поверхности в единицу времени конденсируется большее число молекул, чем испаряется.
Быстрота поглощения газа пленкой S0 зависит от ее материала, рода газа и температуры пленки. Для 1 см2 титановой периодически напыляемой пленки S0 для Н2 и N2 при 77 К соответственно равны 26 • 10-3 и 7 • 103, а при 293 К — 15·10-3 и 10-3 м3/(с-см2).
Поглощение газов пленками может носить поверхностный или объемный характер. При поверхностном поглощении для небольших степеней покрытия количество сорбированного газа прямо пропорционально времени сорбции. Объемное поглощение происходит за счет диффузии газов в пленку, и количество поглощенного газа на начальном участке сорбционной кривой пропорционально корню квадратному из времени сорбции.
Поверхностный характер сорбции наблюдается обычно при низких температурах, объемный — при высоких. Титановая пленка при температурах выше 150 К водород поглощает объемно. Коэффициент диффузии водорода при температуре 220 К составляет 10-15 см2/с, а при 300 К — 2 • 10-11 см2/с.
При поверхностном поглощении водорода на титановых пленках при Т > 77 К за счет каталитических реакций со свободным углеродом, растворенным в пленке, происходит образование и выделение метана СН4.
Такие газы, как N2, 02, СО и СO2, начинают поглощаться объемно титаном только при температурах более 1000 К. Поглощение воды сопровождаетсявыделением водорода.
Сорбционные характеристики пленок сильно зависят от условий их образования. Пленка, осажденная при низкой температуре, имеет пористую структуру, что приводит к значительному повышению скоростей поглощения газов. Конструкция испарительного насоса в основном определяется типом испарителя.
Испарители бывают прямонакальные, подогревные, электронно-лучевые и дуговые.
В качестве прямонакального испарителя (рис. 3.28, а) используется биметаллическая проволока с молибденовым керном, на который иодидным способом осажден слой титана.
Подогревный испаритель (рис. 3.28, б) представляет собой оболочку из активного материала, внутри которой вставлен проволочный нагреватель. Для титана максимальная рабочая температура таких испарителей составляет 1150 "С, что обеспечивает максимальную скорость испарения 1 мг/с.
Электронно-лучевой испаритель (рис. 3.29) представляет собой электронную пушку с вольфрамовым катодом 1, помещенную в поперечное магнитное поле. Магнитное поле позволяет разместить пушку вне зоны нанесения активного материала. Между пушкой и мишенью прикладывается ускоряющее напряжение в несколько тысяч вольт. Максимальная скорость испарения из жидкой фазы может достигать 30 мг/с.

Рис. 3.28. Конструкции электрохимических испарителей: а — прямонакальный; б — подогревный

Рис. 3.29. Конструкции электронно-ионных испарителей:
а — электронно-лучевой; б — дуговой

В дуговых испарителях (рис. 3.29, б) активный материал распыляется в катодном пятне дуги постоянного тока.
Катодное пятно хаотически перемещается по поверхности охлаждаемого водой катода из титана. Плотность тока в пятне достигает 106 А/см2. Дуга горит в парах испаряемого материала, что позволяет поддерживать разряд даже в условиях сверхвысокого вакуума. Возбуждение дуги происходит, например, при коротком замыкании подвижного электрода. Питание дуги осуществляется от источника постоянного тока с U = 30...50 В и I = 100...180 А. Максимальное давление запуска не превышает 10 Па. При больших давлениях анодное пятно становится неподвижным и может расплавить стенку насоса. Скорость испарения в дуговых испарителях может достигать 20 мг/с. В насосах испарительного типа, не имеющих устройств для ионной откачки, предельное давление составляет обычно 10-7 Па. Охлаждение активной пленки до температуры жидкого азота снижает предельное давление до 10-11 Па.
Верхний предел рабочих давлений, равный 10-2 Па, лимитируется образованием во время работы испарителя оксидов, нитридов и карбидов на поверхности активного материала, что приводит к уменьшению скорости испарения. Максимальная быстрота действия насосов такого типа при откачке водорода достигает 2 · 105 л/с. Применение испарительных насосов неэффективно при откачке продуктов органического происхождения и инертных газов. Испарительный насос (рис. 3.30) состоит из корпуса 4, в котором размещается испаритель 5. Атомы активного металла, вылетающие из испарителя, конденсируются на экранах 2 и обеспечивают откачку химически активных газов. Экран 3 защищает откачиваемый объект, присоединяемый к насосу через фланец 1, от проникновения паров испаряемого материала. Экраны 2 для повышения быстроты откачки могут охлаждаться жидким азотом.

Рис. 3.30. Испарительный насос: 1 — фланец для подсоединения к откачиваемому объекту; 2 — охлаждаемые экраны; 3 — экран защиты объекта откачки; 4 — корпус; 5 — испаритель