1 − Впускной патрубок; 2 − охлаждаемый коллектор; 3 − защитный экран; 4 −

корпус; 5 − испаритель

Насос состоит из корпуса 4, в котором размещается испаритель 5. Атомы титана, вылетающие из испарителя, конденсируются на охлаждаемой поверхности коллектора 2 в виде тонкой пленки, на которой и осуществляется хемосорбционная откачка химически активных газов. Экран 3 защищает вакуумную камеру

от проникновения в нее паров распыляемого металла. Коллектор 2охлаждается проточной водой или жидким азотом. Ох-

лаждение коллектора способствует повышению быстроты откачки насоса. Повышение быстроты откачки при понижении температуры коллектора с осаждаемым геттером обусловлено тем, что при низкой температуре миграция частиц осаждаемого металла затормаживается, что способствует формированию пористой пленки геттера с хорошо развитой поверхностью.

Испарительные геттерные насосы используются для откачки газов в диапазонедавлений 10−4−10−8 Па. Они оказываются неэффективными при откачке инертных газов, атомы которых практически не связываются геттером. Быстрота действия геттерных насосов по инертным газам составляет менее 1 % от быстроты действия по азоту. Геттерные насосы обычно работают совместно со вспомогательными насосами других типов, которые осуществляют откачку инертных газов. Предельное давление геттерных насосов обычно меньше 2,5⋅10−8 Па, а при охлаждении пленки геттера жидким азотом мо-

жет достигать 10−11 Па. Наибольшее рабочее давление составляет 10−2 Па и лимитируется образованием на поверхности испаряемого металла оксидов, нитридов и карбидов, что приводит к уменьшению скорости испарения. Максимальная быстрота действия насосов такого типа при откачке водорода достигает 2⋅102 м3/с, а быстрота действия по азоту при давлении

10−4 Па составляет ~5 м3/с.

20 Геттерно-ионные вакуумные насосы. К геттерно-ионным (ионно-геттерным) относятся геттерные насосы, в которых наряду с хемосорбцией используется ионизация молекул откачиваемого газа с последующим внедрением ускоренных ионов в возобновляемую поверхность испаряемого геттера.

Ионизация молекул газа и их ускорение электрическим полем могут быть применены для так называемой ионной откачки. Рассмотрим ее принцип. Молекулы газа предварительно ионизируются, чаще всего посредством электронной бомбардировки . Электроны поступают вследствие термоэлектронной эмиссии с поверхности нагреваемого вольфрамового катода и ускоряются электрическим полем. Наиболее эффективная ионизация молекул газа имеет место при давлениях 1 Па. При более высоких давлениях для ионизации газа требуется высокая напряженность электрического поля, ускоряющего электроны; при более низких давлениях длина свободного пробега электронов существенно превышает размер вакуумной камеры и вероятность ионизации снижается. Таким образом, наиболее эффективной ионная откачка является в ограниченном диапазоне давлений вблизи давления 1 Па. Для сообщения молекулам откачиваемого газа импульса в направлении откачки используется постоянное электрическое поле. Насосы, действующие на принципе ионной откачки, называют ионными. Схема ионной откачки представлена на рис. 2.47. Молекулы газа, поступающего в насос, ионизируются в пространстве ионизации 1, затем ускоряются в направлении откачки напряжением U, приложенным между электродами 2,

и направляются к выпускному патрубку насоса. Такой ионный насос является газоперемещающим.

Рис 2.47. Схема ионной откачки газа: 1 − пространство ионизации газа; 2 −ускоряющие электроды

Д алее ионы нейтрализуются и откачиваются насосом предварительного разрежения. В

насосе имеются прямой и обратный газовые потоки. Прямой поток откачиваемого газа определяется ионным током в цепи ускоряющих электродов 2; обратный поток молекул газа зависит от разности давлений на входе и выходе насоса, а также от его проводимо-

сти. Из-за сложности обеспечения эффективной ионизации газа при низких давлениях и значительной проводимости насоса для обратного потока газа удельные энергетические затраты на единицу быстроты откачки ионных насосов слишком велики, что препятствует

их промышленному применению. Однако широко используются ионно-геттерные насосы, сочетающие принципы ионной и геттерной откачки. При этом ионизированные молекулы откачиваемого газа ускоряются электрическим полем в направлении геттера и внедряются в невозобновляемую или возобновляемую поверхность геттера. Для обеспечения эффективной работы ионно-геттерного насоса необходимо решить проблему ионизации молекул газа в области высокого и сверхвысокого вакуума. Поскольку количество газа, которое может быть связано поверхностью, ограничено, то ионно-геттерная откачка представляет интерес в области низких давле ний, когда эффекты насыщения несущественны. В то же время эффективность ионизации молекул электронными ударами высока только при давлении ~1 Па. В случае ионизации газа электронами повышение эффективности ионизации при низких давлениях может быть достигнуто двумя способами: либо увеличением количества электронов, либо увеличением пути ионизации. Энергетически более выгодным является второй способ − увеличение пути электронов, ионизирующих молекулы газа, достигаемое при движении электронов в электрическом и магнитном полях той или иной конфигурации. Геттерно-ионные насосы, так же как и испарительные геттерные, обычно работают совместно со вспомогательными высоковакуумными насосами других типов. Вспомогательные средства откачки предназначены для создания предварительного разрежения, необходимого для начала работы геттерного или геттерно-ионного насоса, а затем в процессе работы этих насосов − для откачки инертных газов. Вспомогательный насос подключается либо непосредственно к вакуумной системе, либо к геттерному или геттерно-ионному насосу. Обычно такое подключение реализуется использованием специальных вакуумных агрегатов, в состав которыхвходят средства откачки двух типов − испарительный геттерный или геттерно-ионный насос поверхностного действия и паромасляный диффузионный или турбомолекулярный газоперемещающий насос. Схема геттерно-ионного насоса представлена на рис. 2.48. В корпусе 1 насоса, охлаждаемом проточной водой, расположены прямонакальные титано-молибденовые биметаллические испарители 2, непрогреваемый сеточный анод 3, проволочные катоды 4 и прогреваемый сеточный анод

5. Испарители и электроды смонтированы на нижнем фланце насоса. На цилиндрической части корпуса насоса имеется патрубок 6 для под соединения вспомогательного насоса. Насос укомплектовывается блоком питания испарителей, анодов и катодов. Удаление газа из откачиваемого объема осуществляется путем хемосорбции его молекул постоянно возобновляе-

мой пленкой титана. Титан непрерывно испаряется из титано-молибденовых испарителей, накаляемых прямым пропусканием электрического тока. Испаряющийся титан конденсируется на внутренних стенках охлаждаемого корпуса

Р ис. 2.48. Схема геттерно-ионного вакуумного насоса: 1 − корпус; 2 − испарители; 3 − внутренние аноды; 4 − катоды; 5 – внешние аноды; 6 − патрубок.

насоса, образуя пленку геттера. Молекулы газа, ударяющиеся о поверхность пленки титана, сорбируются ею. Для увеличения быстроты действия насоса, в особенности по инертным газам, производится ионизация молекул газа. Иониза-

тор образован катодами 4 и анодами 3 и 5. Электроны, эмиттируемые накаленными катодами 4, совершают многократные колебательные движения вблизи внешнего сеточного анода 5. Увеличение длины пути электронов способствует повышению эффективности ударной ионизации молекул. Образующиеся при соударении электронов с молекулами газа положительные ионы ускоряются напряжением между катодами 4 и анодом 5 в направлении стенок корпуса. Внедрение ускоренных ионов в пленку титана, осажденную на

внутренней поверхности стенки, усиливает эффект сорбции газа пленкой геттера. Быстрота действия геттерно-ионных насосов по азоту в диапазоне давлений 1⋅10−4 −1⋅10−6 Па составляет не менее 4500 дм3/с, а по аргону − 80 дм3/с. Предельное остаточное давление, создаваемое такими насосами, составляет ~1⋅10−7 Па; наибольшее давление запуска − ~0,1 Па.

21 Орбитронные ионно-геттерные насосы. В орбитронных насосах увеличение длины пробега лектронов, ионизирующих молекулы откачиваемого газа, достигается при их движении в электростатическом поле между двумя коаксиальными цилиндрическими электродами. Эти же электроды используются и для ускорения ионизированных молекул газа. Для уменьшения вероятности захвата электронов внутренний цилиндр, находящийся под положительным потенциалом и являющийся анодом, выполняется в виде стержня небольшого диаметра или проволоки. Внешний цилиндр поддерживается под отрицательным потенциалом, т.е. является катодом. Разность потенциалов между электродами составляет, как правило, несколько киловольт; распределение потенциала зависит от геометрических размеров электродов следующим образом:

(2.29)

где L − длина электродов; rk и ra − радиусы катода и анода соответственно. Быстрота откачки орбитронного насоса пропорциональна ионному току, который, в свою очередь, пропорционален разности потенциалов U между катодом и анодом, а следовательно, длине L электродов. Схема конструкции простейшего орбитронного насоса представлена на рис. 2.49. Анод 2 выполнен в виде тонкого вольфрамового стержня. Цилиндрический корпус 1 насоса является катодом коллектором ионов. Источниками электронов являются вольфрамовые накальные катоды 4, установленные в торце насоса. На аноде 2 закреплены навески 6 геттера (титана). Корпус насоса охлаждается обычно проточной водой. Электроны, эмиттируемые нагретыми пропусканием тока вольфрамовыми нитями-катодами 4, попадают в область электростатического поля осевой симметрии, создаваемого напряжением U между цилиндрическими электродами, под действием которого

движутся по сложным орбитам, ионизируя при этом молекулы от качиваемого газа. Часть электронов, траектории которых проходят вблизи анода, попадают на навеску из титана и разогревают ее, что приводит к испарению титана. Титан осаждается в виде тонкой пленки на внутренней поверхности охлаждаемого корпуса насоса. В конструкции насоса, приведенной на рис. 2.49, используются термокатоды с разделенными функциями, являющиеся раздельными источниками

Рис. 2.49. Схема орбитронного вакуумного насоса:

а − схема насоса; б − проекции траекторий электронов.

1 − корпус насоса; 2 − анод; 3 − сетка; 4 − термокатод с экраном; 5 − отражатель-

ный электрод; 6 − навески геттера; 7 − источник электронов для распыления гет-

тера; 8 − траектория электрона, распыляющего геттер; 9 − источник электронов

для ионизации молекул газа; 10 − траектория электрона,

ионизирующего молекулы газа электронов для ионизации молекул откачиваемого газа и для испарения титана. Расположение этих источников 9 и 7 и проекции соответствующих орбит электронов 10 и 8 показаны на рис. 2.49, б. Управление орбитами электронов различного назначения осуществляется потенциалами, подаваемыми на катоды 4, экраны и отражательные электроды 5. Может устанавливаться также дополнительный электрод, сообщающий электронам касательные скорости, что способствует повышению эффективности ионизации. Откачка активных газов происходит в основном по тому же механизму, что и в испарительных геттерных и геттерно-ионных насосах: ионизированные молекулы хемосорбируются геттерной пленкой титана. Поглощение инертных газов осуществляется в основном за счет того, что ускоренные ионы газа внедряются в при поверхностный слой осажденного на корпус насоса геттера и замуровываются вновь напыляемыми слоями. Между анодом и коллек тором устанавливается сеточный цилиндр 3, и потенциал, подаваемый на сетку, способствует дополнительному ускорению ионов и повышению быстроты действия насоса по инертным газам. Насосы могут обеспечить быстроту откачки по азоту до 5 м3/с, а по аргону - 0,025 м3/с. Для их запуска требуется предварительное разрежение ∼10−1 Па. К достоинствам орбитронных насосов следует отнести их компактность, отсутствие магнитных полей, возможность достижения разрежения ~10−9 Па, отсутствие загрязняющих примесей, в частности углеводородов. Недостатком орбитронных, так же как и геттерно-ионных, насосов является то, что быстрота откачки и скорость распыления геттера независимы друг от друга, что часто приводит к непроизводительному расходу активного металла.