Комбинированный магниторазрядный геттерно-ионный насос

 

Использование: в средствах получения высокого и сверхвысокого вакуума и в областях, где для обеспечения рабочего процесса необходим безмасляный вакуум. Сущность изобретения: в корпусе насоса размещены магниты, электродуговые испарители геттера, магнитопроводы и магниторазрядные ступени, состоящие из ячеистых анодов и катодных пластин. Магнитопроводы выполнены в виде набора пластин, разнесенных на расстояния, равные примерно шагу ячеек анода, и расположенных перпендикулярно к плоскостям анодов и к осям протяженных электродуговых испарителей геттера, а катодные пластины имеют отверстия, расположенные соосно с анодными ячейками. В результате этого при работе насоса атомы и возбужденные молекулы газа выходят из области разряда ячеек и поступают на поверхности пластин магнитопроводов и корпуса, запыляемые электродуговыми испарителями геттера, а плазма дугового разряда может проникать вдоль пластин магнитопроводов через отверстия в катодных пластинах внутрь магниторазрядных ячеек. 4 ил.

Изобретение относится к средствам получения высокого и сверхвысокого вакуума, в частности к геттерно-ионным насосам, и может быть использовано в областях, где для обеспечения рабочего процесса необходим безмасляный вакуум. Целью изобретения является увеличение быстроты откачки активных и инертных газов и улучшение предельного вакуума. Цель достигается тем, что в насосе, содержащем в герметичном корпусе магниторазрядные ступени, магнитопроводы и протяженные электродуговые испарители геттера, магнитопроводы выполнены в виде набора пластин, перпендикулярных к осям протяженных электродуговых испарителей, и размещены на границах рядов магниторазрядных ячеек. В катодных пластинах магниторазрядных блоков соосно с анодными ячейками выполнены отверстия. Диаметр этих отверстий равен или меньше диаметра анодных ячеек на величину, не превышающую размер холловского слоя. Катодные пластины находятся под потенциалом корпуса насоса. Электродуговые испарители расположены по обе стороны магниторазрядных ступеней параллельно плоским электродам этих ступеней. Анодом дугового разряда является корпус насоса, катодом испаритель геттера. При работе магниторазрядных ступеней атомы и возбужденные молекулы газа беспрепятственно выходят из внутренней области ячеек и поступают на поверхности, запыляемые электродуговыми испарителями геттера. Такими поверхностями кроме стенок корпуса служат поверхности пластин магнитопроводов, размещенных поперек протяженных испарителей и запыляемых геттером при движении катодных пятен по испарителю. Во время работы электродуговых испарителей плазма дугового разряда может проникать вдоль пластин магнитопроводов и вдоль магнитного поля сквозь отверстия в катодных пластинах непосредственно в область холловского слоя внутри магниторазрядных ячеек, способствуя усилению разряда либо осуществляя поджиг в ячейках с погасшим разрядом. Быстрота откачки пропорциональна интенсивности разряда l/p (l -ток разряда, р давление), поэтому увеличение тока разряда приводит к увеличению быстроты откачки магниторазрядных ступеней при сверхвысоком вакууме и улучшению предельного вакуума. Таким образом, поток плазмы позволяет компенсировать свойственное магниторазрядным ступеням ослабление либо исчезновение разряда в ячейках при сверхвысоком вакууме. Это явление объясняется тем, что пропорциональность между током разряда и давлением обеспечивается благодаря существованию холловского слоя, образованного электронами, дрейфующими в скрещенных полях, и отстоящего от анода на расстоянии порядка ларморовского радиуса. На холловском слое сосредоточено почти все падение напряжения. Холловский ток I_ϕ (азимутальный ток) при данной геометрии ячейки, напряжении на разрядном промежутке и магнитном поле не зависит от давления. Ток разряда l l_r (радиальный ток) обусловлен столкновениями дрейфующих электронов холловского слоя с молекулами остаточного газа (классическая диффузия). Из соотношений где V_r радиальная скорость дрейфа за счет столкновений; v_ϕ азимутальная скорость дрейфа в скрещенных полях; E электрическое поле в холловском поле; В магнитное поле; n_e -- частота неупругих столкновений; n плотность остаточного газа; σ_e сечение неупругих столкновений. следует, что откуда видно, что пропорциональность между током разряда и давлением во всем диапазоне давлений 10^-1-10^-8 сохраняется благодаря постоянству в этом диапазоне холловского тока. Эта пропорциональность нарушается при уменьшении холловского тока из-за возникновения неустойчивостей. Уход электронов из холловского слоя в результате столкновений не обедняет холловский слой, так как часть столкновений является ионизирующей. Ионизирующее столкновение приводит к возникновению электрона и иона. При бомбардировке ионом катода образуются электроны, часть которых также поступает в холловский слой. Однако при низких давлениях время между ионизирующими столкновениями электрона холловского слоя с молекулами остаточного газа t=1/σ_iv_ϕ (s_i сечение ионизации) может достигнуть величины, превышающей время развития неустойчивостей. В этом случае холловский ток заметно уменьшается либо вообще исчезает. Поскольку известно, что в используемых магниторазрядных насосах разряд устойчиво существует вплоть до давлений 10^-7-10^-10 Па (предельное давление зависит от геометрии ячейки и величины магнитного поля), при которых τ ~ 1 - 1000 с, то следует предположить, что время развития неустойчивостей превышает эти значения. На основании приведенных рассуждений можно утверждать, что если с той же периодичностью или чаще инжектировать поток плазмы в область, занимаемую холловским слоем, то разряд поддерживается при значительно более низких давлениях. Это позволяет получить предельный вакуум более высокий, чем в насосах с традиционными магниторазрядными ступенями, в аналоге или в прототипе. Используемая конструкция дуговых испарителей позволяет осуществлять импульсное периодическое срабатывание с требуемой частотой. Для того, чтобы поток плазмы попадал непосредственно в область холловского слоя, диаметр отверстий в катодных пластинах не должен быть меньше внутреннего диаметра холловского слоя. Толщина холловского слоя δ≅ 16 rL, где ларморовский радиус электрона. Этот вывод следует из того, что каждое столкновение приводит к смещению электрона по радиусу на ≅ 2rL, а для того, чтобы холловский ток не уменьшался (т.е. разряд существовал), хотя бы одно столкновение должно быть ионизирующим, и поэтому, так как доля ионизирующих столкновений составляет приблизительно 0,13, общее число столкновений одного электрона должно быть приблизительно 8, т.е. где U ≃ E·δ- напряжение на разрядном промежутке. В действительности эта величина несколько меньше, так как следует еще учесть образование электронов на катоде при бомбардировке ионами. Для предлагаемой конструкции насоса (описанной ниже) при U 5 кВ и В 0,16 Т диаметр отверстий в катодных пластинах должен быть уменьшен не более чем на 2δ≅ 9 мм.
Видно, что удовлетворить этому, условию в реальных конструкциях не трудно. Однако для лучшего выхода возбужденных, диссоциированных и ионизированных в разряде частиц, а также для сведения к минимуму обращенной к ячейкам поверхности катодов желательно отверстия в катодных пластинах делать как можно больше. С учетом воронкообразной формы магнитного поля внутри ячейки, даже при диаметре отверстий в катодах, равном диаметру анодных ячеек, катодные пластины полностью заслоняют от прямого потока плазмы дуговых испарителей, находящиеся под напряжением анодные пластины. Благодаря этому удается избежать описанного выше шунтирования электродов магниторазрядной ступени. Откачка водорода или его изотопов в магниторазрядной ступени происходит в основном за счет поглощения образовавшихся в разряде атомов и возбужденных молекул свеженапыленной пленкой геттера (так, например, коэффициент прилипания для атомарного водорода в 10 раз выше, чем для молекулярного). В предлагаемом насосе поверхность, доступная для попадания осколков молекул из разряда и эффективно запыляемая пленкой геттера, увеличена более чем в 6 раз за счет пластин магнитопроводов. Это приводит к значительному увеличению быстроты откачки этих газов. Кроме того, интенсивное напыление геттера позволяет избежать перенасыщения водородом приповерхностного слоя. По этим же причинам растрескивание и коробление поверхностей происходят значительно медленнее, а деформация магнитопроводов, если и возникает в конце концов, не приводит к замыканию электродов. Это дает возможность работать при давлениях водорода приблизительно 2·10^-2 Па, в 6 или более раз превышающих допустимые для обычных ячеек (1-3·10^-3 Па), и позволяет продлить срок службы насоса при откачке водорода. При откачке инертных газов поверхность, доступная для внедрения ионов инертных газов, поступающих из разряда, и эффективно запыляемая пленкой геттера, в предлагаемом насосе более чем в 10 раз выше, чем соответствующая поверхность в магниторазрядных ступенях прототипа. Это во столько же раз снижает вероятность десорбции захороненных ранее ионов инертных газов. Более того, поскольку скорость напыления пленки геттера электродуговым испарителем превышает скорость удаления геттера с этой поверхности за счет распыления ионами разряда в магниторазрядных ячейках, обратный выход инертных газов или аргонная нестабильность почти полностью исключается. Это видно из приводимых ниже оценочных расчетов. Оценим скорость напыления титана на поверхность пластин магнитопроводов вблизи ячейки (в "наихудшем" месте, т.е. там, где эта скорость минимальна, а скорость распыления максимальна). Число атомов титана, наносимых за Δt с на см² этой поверхности, равно

где число частиц титана, испаряемое из катодных пятен вакуумной дуги;


V скорость ретроградного движения катодного пятна вдоль стержня дугового испарителя;
N_a число Авогадро (6,02·10²³);
l_d ток вакуумной дуги;
μ_Ti=50 молекулярный вес титана;
k коэффициент массопереноса в вакуумной дуге, k 6·10^-5г/кул для титана. Проинтегрировав приведенное выражение от 0 до L получим

число атомов титана, напыляемых за один импульс дугового испарителя на см₂ поверхности магнитопроводов вблизи магниторазрядной ячейки. Для приводимой конструкции насоса при R 10 cм, l_d 300 А, v 9·10² см/с, L 2 см и частоте срабатывания дугового испарителя 1 Гц число атомов титана, поступающих на рассматриваемую поверхность, равно

Число атомов титана, распыляемых с см² этой же поверхности в результате бомбардировки ионами из магниторазрядной ячейки.
где l_i ток ионов, распыляющих катод (примем для большей убедительности явно завышенное значение тока ионов, равное току разряда l₁ 1);
S коэффициент распыления (S 2);
Sʹ=4π² примем для убедительности, что ионы из ячейки излучаются равномерно в направлении двух полусфер, хотя в действительности большая часть ионов уходит вдоль оси ячейки. При радиусе ячейки r 0,6 см, S' 4,5 см². При давлении р 10^-3 Па (ток разряда ячейки l 7·10^-6A) т. е. скорость напыления пленки титана превышает скорость ее удаления. Сравним также с числом атомов титана, напыляемых на см² в секунду внутри магниторазрядной конструкции

где S ≃ 6 см² площадь внутренних поверхностей ячейки. При давлении р 10^-3 Па
Таким образом, дополнительное подпыление титана внутрь ячейки существенно увеличивает сорбционную емкость внутренних поверхностей ячеек (многие указывают на недостаток титана внутри ячейки по сравнению с количеством образующихся атомов и радикалов) и может способствовать улучшению поглощения осколков молекул газов, имеющих в молекулярном состоянии малый (Н₂) или близкий к нулю (СН₄) коэффициент прилипания. Эффективное напыление титана на поверхности магнитопроводов, а также внутрь ячейки является также причиной того, что при откачке метана и других углеводородов в предлагаемом насосе не происходит снижение скорости откачки из-за образования карбидов титана, т. е. предлагаемый насос в отличие от прототипа способен работать в системах с источниками молекул углеводородов (резиновые уплотнения, форвакуумная откачка, непрогретые объемы). Таким образом, заявляемый комбинированный магниторазрядный геттерно-ионный насос соответствует критерию изобретения "новизна". Признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях при изучении данной области техники и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию "существенные отличия". На фиг. 1 показан общий вид предлагаемого насоса; на фиг.2 поперечный разрез насоса; на фиг.3 и 4 элемент магниторазрядной ступени. В корпусе 1 насоса размещены магниты 2 в карманах, протяженные электродуговые испарители 3 геттера, магнитопроводы 4 и магниторазрядыне ступени, состоящие из ячеистых анодов 5 и катодных пластин 6 из материала геттера. Катодные пластины 6 имеют отверстия, соосные с анодными ячейками. Диаметр отверстий в катоде на 0,2 мм меньше диаметра (12 мм) анодных ячеек. Это дает возможность при существующей точности установки катодных пластин относительно анодов с одной стороны обеспечить полную экранировку анода от прямого потока плазмы вдоль магнитного поля и, с другой стороны, не создавать препятствий для описанных выше процессов проникновения потока плазмы в область, занимаемую холловским слоем, и выхода из ячеек "перегоревших" частиц. Магнитопроводы 4 представляют собой набор пластин, размещенных на границах рядов ячеек (фиг.3, 4) и расположенных перпендикулярно к осям протяженных электродуговых испарителей 3 геттера. Для получения более однородного магнитного поля устанавливаются пластины 7 из ферромагнитного материала, которые полностью повторяют по форме катодные пластины. Поверхности пластин магнитопроводов и внутренние поверхности корпуса насоса в процессе изготовления подвергнуты пескоструйной обработке для лучшей адгезии титана. Насос работает следующим образом. После предварительной откачки до давления приблизительно 10 Па включаются импульсы дугового разряда испарителя геттера. Затем подается высокое напряжение на аноды магниторазрядных ступеней. При движении катодных пятен вдоль электродугового испарителя равномерному напылению геттера подвергаются все поверхности пластин магнитопроводов 4. Поток плазмы, выходящей из области катодного пятна, распространяется в направлении полусферы. Пластинами магнитопровода этот поток делится на несколько плоских потоков, проникающих в соответствующие ряды ячеек. Перемещение катодных пятен по поверхности испарителя сопровождается их взаимным удалением друг от друга по оси испарителя. Поэтому воздействию потока плазмы одновременно подвергается значительная часть ячеек. При движении катодных пятен вдоль испарителя равномерному напылению титана и воздействию потока плазмы поочередно подвергаются все ряды ячеек. Основная часть потока откачиваемого газа поступает в магниторазрядные ячейки, проникая между покрытыми сорбирующей пленкой пластинами магнитопровода. Часть активных газов поглощается на этих поверхностях. Так, например, расчет, проведенный для предлагаемой конструкции насоса, при отношении ширины пластины магнитопровода к расстоянию между пластинами, равном 6, показывает, что парциальное давление водорода (коэффициент прилипания γ=0,05)) на входе в магниторазрядные ячейки составляет 0,66 от давления водорода в объеме насоса. Соответственные значения для N₂ (γ=0,2), O₂ и СО (γ=0,8), CО₂ (γ=0,4) равны 0,22, 0,06, 0,11, т.е. в среднем ток разряда при откачке остаточного газа уменьшается более чем в 5 раз. Это облегчает работу магниторазрядной ступени. Уменьшение нагрузки на магниторазрядные ячейки особенно существенно при низком вакууме и при запуске насоса, поскольку максимальное рабочее давление ограничено перегревом электродов при больших токах разряда и связанной с этим тепловой неустойчивостью из-за десорбции газа при нагреве. Поглощение активных газов на поверхностях магнитопроводов позволяет, таким образом, расширить диапазон рабочих давлений в сторону низкого вакуума. В конструкции магниторазрядных ступеней аналога и прототипа величина зазоров между электродами должна обеспечить достаточную пропускную способность для газа, поступающего в ячейки. Отсутствие этого требования в предлагаемом насосе позволяет за счет уменьшения зазоров увеличить либо толщину анода, либо величину магнитного поля (уменьшив величину рабочего промежутка между магнитопроводами). И то, и другое позволяет увеличить интенсивность разряда l/p.

Формула изобретения

Комбинированный магниторазрядный геттерно-ионный насос, содержащий в герметичном корпусе магниторазрядные блоки с плоским ячеистым анодом и катодными пластинами, магнитопроводы и протяженные электродуговые испарители геттера, размещенные параллельно электродам магниторазрядных блоков, отличающийся тем, что, с целью увеличения быстроты откачки и улучшения предельного вакуума, магнитопроводы выполнены в виде набора пластин, перпендикулярных к осям протяженных электродуговых испарителей и размещенных на границах рядов магниторазрядных ячеек, а в катодных пластинах магниторазрядных блоков соосно с анодными ячейками выполнены отверстия, диаметр которых равен или меньше диаметра анодных ячеек на величину, не превышающую размер холловского слоя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 29-2000

Извещение опубликовано: 20.10.2000        

---