Большая энциклопедия техники - Коллектив авторов

В некоторых вакуумных установках (для исследования термоядерных реакций, имитации космических условий и т. п.) титан конденсируется на охлаждаемые жидким азотом экраны, установленные непосредственно внутри сосуда, причем рабочая зона сосуда экранирована от попадания паров титана. Такое устройство получило название азотит. При этом достигаются высокая быстрота действия (до сотен тысяч л/с) и предельное остаточное давление до 1010—10-11 Па.

  10. Электродуговые геттерные насосы. Испарение геттера в электродуговых геттерных насосах происходит с поверхности титанового катода за счет высокой концентрации энергии в катодном пятне электрической дуги постоянного тока. Плотность тока в катодном пятне достигает 1010—1111 А/м2. Катодное пятно хаотически перемещается по поверхности титана, благодаря чему обеспечивается равномерное испарение материала катода. Благодаря тому, что дуга горит в парах испаряющегося металла, создаются условия для ее стабильного горения при сколь угодно низком давлении остаточных газов.

Конструкции и характеристики. В корпусе, являющемся анодом системы, помещен катод с поджигающим устройством, собранный на общем фланце. Катод представляет собой титановый диск, который крепится титановыми шпильками к медному основанию, охлаждаемому водой. Боковые поверхности основания, титанового диска и электрического ввода закрыты металлическим экраном, предотвращающим возникновение дуги между поверхностями этих деталей и корпусом насоса – анода. В экране предусмотрен вырез для подвода поджигающего электрода. Поджигающий электрод через балластное сопротивление, ограничивающее ток короткого замыкания, соединен с корпусом насоса.

Питание дуги осуществляется от источника постоянного тока. Возбуждение дуги производится кратковременным закорачиванием катода с поджигающим электродом. Для этого подают напряжение на электромагнит, который подводит электрод к катоду. В момент отвода электрода возвратной пружиной между катодом и анодом – корпусом насоса возникает устойчивая электрическая дуга. Напряжение поджига дуги лежит в пределах 25—35 В, а ток стабильного горения дуги составляет примерно 140 А при напряжении 20—21 В. Скорость испарения титана при этом достигает 15—17 г/ч. Для уменьшения скорости испарения титана с целью более рационального его расходования применяют периодический режим работы насоса. Причем чем ниже давление в откачиваемом сосуде, тем больше делают паузу между моментами включения насоса. При испарении титана на стенках насоса непрерывно образуется свежая активная пленка, на поверхности которой и происходит поглощение активных газов. Для откачки инертных газов к нижнему фланцу насоса через водоохлаждаемую ловушку присоединяется дополнительный паромасляный диффузионный насос, быстрота действия которого должна составлять 2—5% быстроты действия электродугового геттерного насоса.

Верхним фланцем, в сечении которого установлен отражательный экран, насос подсоединяется к откачиваемому сосуду. Экран предусмотрен для предотвращения попадания испаряющегося титана во внутреннюю полость откачиваемого сосуда. Быстрота действия геттерных электродуговых насосов может достигать 104—105 л/с. Предельное остаточное давление насоса составляет 10-5 Па при откачке инертных газов дополнительным насосом и 10-4 Па без такой откачки дополнительным насосом.

Электродуговые геттерные насосы используют простые источники питания, снабжены большим количеством геттерного материала и просты по устройству.

  11. Ионно-геттерные насосы. Геттерные насосы малоэффективны при откачке инертных газов и для получения низких предельных остаточных давлений (менее 10-4 Па) требуют применения дополнительных насосов. В то же время при возбуждении и ионизации откачиваемых газов электронным потоком или в электрическом разряде поглощение титановой пленкой идет более интенсивно, причем благодаря ионизации откачиваются и инертные газы. В современных ионно-геттерных насосах обычно совмещены геттерные и ионные методы откачки. Принцип действия ионно-геттерных насосов основан на поглощении газов периодически или непрерывно наносимой пленкой титана и улучшении откачки инертных газов и углеводородов путем ионизации и улавливания положительных ионов. Испарение титана в ионно-геттерных насосах происходит, как правило, из твердой фазы.

Конструкции и характеристики. Принципиальная схема ионно-геттерного насоса выглядит следующим образом: испарение титана на стенки водоохлаждаемого корпуса насоса производится из твердой фазы с прямонакальных испарителей, представляющих собой молибденовый U-образный стержень (керн), на который нанесен слой титана. Ионизация, необходимая для откачки инертных газов и углеводородов, осуществляется электронами, эмиттируемыми термокатодом. Эффективность ионизации повышена за счет увеличения длины пробега электронов. Это достигается применением «прозрачного» для электронов анода, на который подается положительное относительно катода напряжение 1000—1200 В. Анод, выполненный из молибденовой проволоки, используется также и в качестве внутреннего нагревателя для обезгазивания насоса при подготовке его к работе. Коллектором ионов является корпус насоса с напыленной титановой пленкой, в которую и внедряются образовавшиеся ионы. Таким образом, так же как и в геттерных насосах, химически активные газы поглощаются пленкой титана, непрерывно наносимой на внутреннюю поверхность корпуса насоса, а откачка инертных газов осуществляется путем ионизации и последующего внедрения ионов в пленку геттера.

В составе остаточных газов ионно– геттерных насосов, помимо обычно присутствующих в вакуумных системах водорода (массовые числа 2 и 1), паров воды (массовые числа 18 и 17), а также азота и окиси углерода (массовое число 28), наблюдаются аргон (массовое число 40) и метан (массовые числа 16 и 15).

Быстрота действия насоса зависит от впускного давления для воздуха; увеличение быстроты действия при откачке ионно-геттерного насоса достигается с помощью дополнительного диффузионного насоса. Уменьшение быстроты действия при давлениях выше 10-4 Па объясняется большей степенью насыщения пленки титана при высоких давлениях (при постоянной скорости его испарения), вследствие чего уменьшается коэффициент прилипания газа.

Предельное остаточное давление геттерно-ионных насосов составляет около 10-7 Па, а давление запуска около 10-1 Па, так как при более высоком давлении возникает опасность перегорания вольфрамового катода.

Дальнейшим развитием ионно-геттерных насосов с испарением титана явились орбитронные ионно-геттерные насосы, в которых удачно сочетается простота конструкций с высокой стабильностью работы. В корпусе помещен центральный электрод (анод) с титановым цилиндром. Верхняя часть электрода защищена трубкой. На пластине укреплен керамический стержень, на котором крепится катод, изготовленный из вольфрамовой проволоки. Токовводом и экраном катода служит проволочка из тантала. Корпус насоса заземлен, а на центральный электрод подается положительное напряжение 4—5 кВ. Пластина и трубка имеют одинаковый с катодом потенциал.

Расположение и конфигурация катода и танталового токоввода выполнены таким образом, что осевая и радиальная симметрия электрического поля нарушены. Кроме того, к катоду приложено положительное напряжение смещения (от 50 до 250 В) относительно корпуса насоса. В результате электроны, эмиссируемые катодом, движутся со скоростью, имеющей осевую, радиальную и тангенциальную составляющие. Ввиду того что электрическое поле несимметрично и векторы скоростей электронов направлены под углом к силовым линиям электрического поля, направление движения электронов будет непрерывно меняться и их попадание на центральный электрод, имеющий малое поперечное сечение, затруднено. Попадание электронов на корпус также исключено благодаря положительному смещению на катоде. В результате электроны движутся по орбитам достаточно долго, проходят большое расстояние, и интенсивность ионизации газа резко увеличивается. Часть электронов, траектории которых проходят вблизи центрального электрода, попадает на титановый цилиндр и разогревает его до температуры 1430 К. При этом происходит испарение титана из твердой фазы и его конденсация на внутренней поверхности корпуса насоса. Так же, как и в предыдущей конструкции ионно-геттерного насоса, откачка активных газов орбитронным ионно-геттерным насосом идет путем поглощения их пленкой титана, непрерывно наносимой на внутреннюю поверхность корпуса насоса. В отличие от описанного выше ионно-геттерного насоса в орбитронном ионно-геттерном насосе благодаря увеличению длины свободного пути электронов (до нескольких метров) быстрота откачки инертных газов значительно увеличена.