22.Магнитные электроразрядные ионно-геттерные насосы.

Магнитными электроразрядными (магниторазрядными) вакуумными насосами называются ионно-геттерные насосы, в которых как для ионизации молекул откачиваемого газа, так и для распыления геттера используется высоковакуумный газовый разряд во взаимно-перпендикулярных электрическом и магнитном полях.

Работа магниторазрядных насосов основана на принципе действия так называемой ячейки Пеннинга. Ячейка (рис. 2.51, а) представляет собой систему электродов, состоящую из двух параллельных пластин катода и цилиндрического анода, расположенного между пластинами катода так, что его ось перпендикулярна плоскости пластин. Между анодом и катодом поддерживается разность потенциалов в несколько киловольт, а также создается магнитное поле с индукцией ~0,1 Тл, направленное вдоль оси анода. Схема простейшего двухэлектродного (диодного) магниторазрядного насоса представлена на рис. 2.51, б, а также на рис. 2.52. В корпусе 1 насоса (рис. 2.52) размещается электродная система, включающая анод 2, представляющий собой набор ячеек в форме параллелепипедов или цилиндров, и пластины катода 3 и 5. Пластины катода размещены по обе стороны анода напротив открытых торцов его ячеек. Корпус насоса помещен в магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом 6. Электродная система ориентирована таким образом, чтобы линии магнитного поля были перпендикулярны плоскости катодов. Корпус насоса и ячейки анода изготавливаются из немагнитного материала, обычно из нержавеющей стали. Материалом пластин катода служит геттерный металл, чаще всего титан. На анод через высоковольтный ввод в изоляторе 4 подается положительный потенциал, а катод вместе с корпусом заземляется. В магниторазрядных насосах в качестве источника электронов не используются нагреваемые катоды. По этой причине такие насосы называются насосами с холодным катодом. Отсутствие термокатодов, подверженных перегоранию, является одним из преимуществ магниторазрядных насосов. Электроны ускоряются под действием электрического поля, созданного разностью потенциалов между пластинами катода и анодом. Магнитное поле препятствует прямолинейному движению электронов непосредственно к аноду, искривляет траекторию их движения. В результате электроны движутся по спиральным траекториям в анодной ячейке между пластинами катода. Из-за большой длины пробега электронов возрастает вероятность их столкновения с молекулами газа даже при очень низких (~10−9 Па) давлениях. Молекулы газа в результате столкновений с электронами ионизируются. Поскольку масса каждой из ионизированных молекул во много раз превышает массу электрона, то магнитное поле оказывает на молекулы слабое воздействие, и они под действием электрического поля движутся к пластинам катода. Образующиеся в результате ионизации молекул электроны участвуют, как и первичные, в поддержании разряда. Ускоренные электрическим полем положительные ионы бомбардируют пластины катода, внедряются в приповерхностный слой, а также вызывают эмиссию вторичных электронов, которые, в свою очередь, также ускоряются и ионизируют газ. Ионная бомбардировка вызывает также распыление поверхности титановых катодов. В процессе распыления титан переносится на другие части насоса: прежде всего на анод, а также на корпус насоса и даже на противоположную катодную пластину. Непрерывно возобновляемая пленка геттера сорбирует либо замуровывает молекулы газа, попавшие на его поверхность. Чем выше давление откачиваемого газа, тем больше образуется ионов, бомбардирующих катоды, тем интенсивнее распыляется геттер и поглощается газ. Понижение давления приводит к уменьшению ионного тока и расхода распыляемого геттера. Таким образом в магниторазрядном насосе автоматически регулируется скорость распыления катодов, что обеспечивает экономное расходование геттера и длительный, в несколько десятков тысяч часов, ресурс работы насоса Основным процессом при откачке активных газов является их хемосорбция пленкой титана, осаждаемой на аноде.Водород диффундирует в титан с образованием гидрида титана. Откачка инертных газов происходит в основном путем внедрения ускоренных ионов в приповерхностный слой катода. Интенсивная ионизация и диссоциация молекул откачиваемого газа в газовом разряде способствуют более эффективной откачке как инертных газов, так и углеводородов, а также других сложных молекул. Непрерывно осаждаемый титан замуровывает сорбированные молекулы инертных газов. Однако имеющее место распыление материала катода под воздействием налетающих ионов приводит к высвобождению части физически адсорбированных молекул.

Для ослабления этого эффекта используются усовершенствованные конструкции магниторазрядных насосов. В частности, разработаны диодные насосы с ребристыми катодами (рис. 2.53, а). Наличие канавок на поверхности пластин катода 3 делает ее более неоднородной по отношению к ионной бомбардировке. На дне канавок скорость напыления титана превосходит интенсивность его распыления, и поэтому молекулы инертных газов там более эффективно замуровываются. Использование ребристых катодов примерно в пять раз повышает быстроту действия насоса по инертному газу − аргону. Более совершенными магниторазрядными насосами являются насосы с трехэлектродной системой (триодные) (рис. 2.53, б). Триодный насос состоит из многоячеистого анода 2, с обеих сторон которого расположены также ячеистые катодные пластины 3 из титана. Анод и катодные пластины размещены внутри корпуса 1насоса, внутренняя поверхность которого является коллектором ионов. Часть ионов, движущихся из области анода 2, попадает на ячеистые катодные пластины 3 и распыляет их. Распыляемый титан осаждается в основном на внутренних стенках корпуса− коллектора 1. Большая часть ионов проходит сквозь отверстия ячеек катода, замедляется в его электрическом поле и попадает на коллектор. Так как эти ионы обладают низкой энергией, то они не вызывают заметного распыления титана с коллектора. В результате существенно возрастает быстрота откачки насоса по отношению к инертным газам. Таким образом, в триодном насосе катод играет роль только поставщика титана, а сорбирующей является внутренняя поверхность корпуса, на которой осаждается пленка геттера. В триодных магниторазрядных насосах, в отличие от диодных, катодные пластины 3 находятся под отрицательным потенциалом, а ячеистый анод 2 и коллектор ионов 1 заземлены. Эффективное поглощение инертных газов характерно и для диодных насосов, катодные пластины которых соединены центральными для каждой анодной ячейки стержнями (магнетронная электродная система (см. рис. 3.14, б)). Поскольку электрический потенциал осевой области ячейки фиксирован, то режим высоковакуумного тлеющего разряда и распределение плотности ионного тока в такой системе не зависят от давления. Сильному ионному распылению подвергаются только катодные стержни; катодные пластины лишь незначительно разрушаются вблизи стержней. Остальная поверхность катодных пластин покрыта слоем осажденного титана, в котором замурована значительная часть поглощенных инертных газов. Откачке инертных газов способствует и применение катодных пластин из материалов с существенно различающимися коэффициентами распыления. Например, при использовании одной катодной пластины из титана, а другой − из тантала, имеющего больший коэффициент распыления, атомы тантала при их осаждении на титановой пластине препятствуют высвобождению поглощенных ею инертных газов. Из-за различий в химических активностях разных газов и в эффективности распыления титана их ионами магниторазрядные насосы обладают заметной избирательностью откачки. Предельное давление магниторазрядных насосов составляет 10⁻⁸−10⁻¹⁰ Па. Наибольшее рабочее давление ограничивается возможностью перегрева электродов насоса при больших потоках ионов (вследствие высокой концентрации молекул газа), а также газовыделением. Неравномерный разогрев электродов может приводить к их короблению. При давлениях выше 10⁻³ Па длительная работа насоса возможна лишь при охлаждении электродов. Кратковременная работа насоса при его запуске возможна от давления ~1 Па. Быстрота откачки магниторазрядных насосов может составлять от 10 дм³/с до 7 м³/с. Магнитная система магниторазрядных насосов выполняется на постоянных магнитах из феррита бария, сплава железа с кобальтом или сплава кобальта с самарием.