В целом о вакууме и вакуумных системах

Свойства вакуума
Особенности вакуумных систем

Вакуумные материалы и уплотнители

Вакуумные материалы
Уплотнители и и смазки

На заметку

Ионные насосы
Получение вакуума - Насосы для высокого вакуума
Оглавление
Ионные насосы
Магнитные электроразрядные насосы и агрегаты.
Все страницы
Ионные насосы, описанные в литературе, самостоятельно почти не применяют из-за большого расхода энергии. Их усовершенствование привело к созданию сорбционно-ионных насосов различных видов.

Фирма Эдварде (Англия) выпускает насос с радиальным электрическим полем, в котором магнитное поле отсутствует (рис. 360). Насос изготовлен из коррозионностойкой стали, охлаждается водой, он полностью прогреваем. Такой насос имеет скорость откачки 400 л/с и приводится в действие после предварительной откачки до 10-4 мм рт. ст. и включения высокого напряжения. Насос марки В 2101 создает предельный вакуум порядка 10-10 мм рт. ст., хорошо откачивает инертные газы.

Сорбционно-ионные насосы с водяным охлаждением. Описан ряд конструкций ионных насосов с горячим катодом, в которых одновременно с ионной откачкой производится распыление какого-либо металла, чаще всего титана, для поглощения молекул газа поверхностью распыляемого металла. Работа насоса основана на способности распыленного металла интенсивно поглощать газы в присутствии электрического поля. При этом поглощающее действие особенно сильно проявляется для химически активных газов, а нейтральные газы и водяной пар удаляются главным образом ионной откачкой. Скорость откачки насосов достигает 20 000 л/с, предельное давление до 10"9 мм рт. ст. Титан для распыления применяют в виде проволоки, которая сматывается с катушки. Преимущество насоса — отсутствие ловушек или отражателей; кроме того, не требуется непрерывная работа форвакуумного насоса.

Корпус такого насоса представляет собой цилиндр из коррозионностойкой стали с водяным охлаждением. В верхней части корпуса находится испаритель титана, в нижней — питатель, в который помещена катушка с титановой проволокой. Проволока периодически подается в испаритель с помощью электромагнита, которым управляет реле времени.

 


 

В испарителе находится кольцеобразная нить накала — катод с отрицательным потенциалом по отношению к титановой проволоке. Титановая проволока подвергается ударам электронов, испускаемых нитью накала, и почти мгновенно испаряется. Образующиеся пары титана конденсируются на холодных стенках насоса и поглощают газы, поступающие из откачиваемого объема.

Наиболее эффективно поглощаются водород, азот и кислород. Кроме эффекта поглощения используется и эффект ионизации, который позволяет активизировать процесс откачки инертных газов, содержащихся в воздухе. Ионизатор состоит из катода и цилиндрического анода с высоким потенциалом.

Вокруг ионизатора расположен соленоид, создающий продольное магнитное поле. Испускаемые катодом электроны под действием магнитного поля движутся по круговым траекториям, путь их от катода к аноду резко увеличивается, и происходит интенсивная ионизация газа. Положительные ионы направляются к стенкам насоса, которые имеют отрицательный потенциал, и поглощаются слоем титана, напыленным на стенке.


Предельное давление насосов СИН-20-3 и СИН-5-4 составляет 3-10~8 мм рт. ст., агрегатов на базе этих насосов: агрегата СИН-5-4—3- 10-8 мм рт. ст., агрегата СИН-20-3— 7*10-8 мм рт. ст.

Если необходимая скорость откачки не может быть достигнута присоединением отдельно расположенных сорбционно-ионных насосов, то применяют титановые испарители, устанавливаемые внутри камеры.

Наиболее удобными в эксплуатации и надежными являются насосы с прямоканальными испарителями титана. Насосы такого типа выпускает отечественная промышленность (табл. 70). Предельнее давление 1•1O-9 мм рт. ст. Эти насосы применяют Для безмасляной откачки электровакуумных приборов, ускорителей, для установок термоядерного синтеза, для получения тонких пленок. На рис. 361 показана схема насоса ГИН-05МТ.

 Как видно из рисунка, электродная система гетероионного насоса, состоящая из испарителей и ионизатора, монтируется на фланце. В насосе ГИН-05М1 установлено два U-образных прямоканальных испарителя из титано-молибденовой проволоки диаметром 2 мм, длиной 450 мм каждый.

Запас титана на одном испарителе 4,5 г. Биметаллическая проволока представляет собой молибденовый тугоплавкий керн, покрытый плотным слоем йодидного титана. Испарители работают поочередно. Ионизатор состоит из вольфрамового катода диаметром 0,5 мм и анодной сетки, коллектором ионов служит корпус.

Электродные системы всех насосов серии ГИН одинаковы. Отличие состоит в том, что каждый насос имеет разное число испарителей, различный диаметр проволоки испарителей и катодов и различную конструкцию анодов.

 

На рис. 362 показана электродная система насоса ГИН-5. Ионизатор состоит из двух анодов (наружного 2 и внутреннего 4) и катода 3.

Прогреваемый наружный анод представляет собой цилиндрическую сетку из молибденовой проволоки диаметром 1 мм. В насосах ГИН-2 и ГИН-05М1 прогреваемый анод изготовлен из молибденовой проволоки диаметром 0,8 мм. Анодная сетка выполняет две функции: прямоканального нагревателя при обезгаживании насоса и анода ионизатора при работе насоса.

Блок испарителей насоса ГИН-5 состоит из шести прямоканальных испарителей из проволоки диаметром 3 мм. Длина каждого испарителя 950 мм, запас титана на одном испарителе 24 г.

Рис. 362. Электродная система насоса ГИН-5: 1 — блок испарителей; 2 — наружный анод; 3 — катод; 4 — внутренний анод

Характеристики насосов ГИН приведены на рис. 363. Насосы ГИН откачивают газ благодаря поглощению его пленкой титана, непрерывно или периодически напыляемой на охлаждаемые водой до температуры 10—20° С внутренние стенки корпуса насоса и внедрению ионов газа в напыляемый на стенки корпуса титан. Инертные газы откачиваются только в ионизированном состоянии; при отсутствии ионизатора инертные газы насосом типа ГИН не откачиваются. Испарение титана в насосе происходит из твердой фазы (сублимация). Разогрев испарителя производится в зависимости от конструкции либо пропусканием через него тока, либо электронной бомбардировкой. Насос может работать длительное время без смены испарителей, а наличие внутреннего нагревателя сокращает время запуска насоса.


Разъемные соединения насоса выполняются канавочно-клиновыми с медными уплотнителями. Основной конструкционный материал — коррозионно-стойкая сталь, прогрев насоса можно производить до 500° С и получать предельное давление порядка 10-10 мм рт. ст. Конструкция насоса допускает периодическую разборку для смены испарителей. Насосы работают после создания предварительного давления 10-2 — 10-5 мм рт. ст. и обезгаживании при 350—400° С в течение 2—5 ч

Сверхвысоковакуумный гетероионный насос ГИН-0005Р применяют для безмасляной откачки небольших лабораторных установок.

Техническая характеристика гетероионного насоса ГИН-0005Р

Скорость откачки при давлениях от 1 • 10" 6 до 5-10" 8 мм рт. ст. в л/с:

воздуха ................... 5

водорода................... 20

Предельное давление в мм рт. ст.......... <10-9

Предварительное давление для запуска насоса в мм

рт. ст...................... 1 • 10-4

Максимальная мощность, потребляемая насосом, в Вт 130

Рабочее напряжение на -испарителе в В ....... 500

Продолжительность работы без смены испарителя  600 ч

Габаритные размеры (высота X диаметр) в мм 203X 85

Масса в кг ................... 1,1

 

На основе насоса ГИН-5 создан вакуумный агрегат АБТИ-5-3 для откачки больших прогреваемых объемов. На рис. 364 показана схема агрегата, представляющего собой сверхвысоковакуумную прогреваемую установку.

 

 

Рис. 363. Зависимость скорости откачки от давления для насосов ГИН:

а — насос ГИН-05М1 (I — воздух; II — азот; III — аммиак; IV — окись углерода; V — водород); б — насос ГИН-2 (I — аргон; II — метан; III — воздух; IV — азот; V — водород); в — насос ГИН-5 (I — аргои; II — метан; III — азот; IV — воздух; V—VI — окись углерода и углекислый газ; VII —водород)

 

Кроме сверхвысоковакуумного насоса ГИН-5 в агрегат входят насос Н-5СМ-1 и вакуумная арматура. Всеми операциями, кроме подачи охлаждающей воды, управляют дистанционно. Система водяного охлаждения имеет два гидрореле, которые отключают электропитание насосов при прекращении подачи воды. Для предотвращения проникновения паров масла из паромасляного и механического насосов в откачиваемый объем установлена ловушка, охлаждаемая жидким азотом, и ионная ловушка. Объем насоса ГИН-5 и  рабочий объем можно откачивать от атмосферного давления до 10" 2 мм рт. ст. через байпасную линию без выключения диффузионного насоса. Во время откачки через байпасную линию диффузионный насос отсоединяется от механического насоса закрытием вентиля (см. рис. 364) и работает с бачком предварительного разрежения.

Рис. 364. Принципиальная схема агрегата АВГИ-2-3:

1 — насос ГИН-5; 2 — манометрический преобразователь МИ-12-7; 3 — манометрический преобразователь ЛТ-4М; 4 — вентиль Ду-32-ЭП-2; 5 — вентиль Ду-10; 6 — линия байпасной откачки; 7 — ионная ловушка; 8 — бачок предварительного разрежения; 9 — насос H-5CM-1; 10 — азотная ловушка; 11 — манометрический преобразователь MM-13M-4; 12 — вентиль 100 ТД-У; 13 — вентиль 25 ТД-У


После пуска насоса ГИН-5 агрегат может работать с паромасляным диффузионным насосом или без него. Отсоединение паромасляного насоса производится вентилем 12. Работа с паромасляным насосом целесообразна, когда в составе откачиваемых газов имеются плохо откачиваемые насосом ГИН-5 инертные газы.

 

На рис. 365 показан спектр остаточных газов агрегата АВГИ-5-3. В спектре не содержится тяжелых углеводородов благодаря хорошим защитным свойствам ловушек, а также потому, что в самом насосе ГИН-5 происходят процессы диссоциации углеводородов и сорбция продуктов разложения. Агрегат может откачивать из больших вакуумных камер воздух со скоростью откачки 5000 л/с, азот со скоростью 10 000 л/с, водород со скоростью 20 000 л/с и создавать предельное давление 3-10~9 мм рт. ст.

 

 

 

 Рис. 366. Гетероионный насос типа «Орбитрон:

1 — керамический стержень; 2 — катод из вольфрамовой проволоки; 3 — анод; 4 — титановый цилиндр; 5 — корпус; 6 — танталовая проволока; 7 — экранная трубка; 8 — пластина

 

 

Насос, получивший название «орбитрон», показан на рис. 366. Внутри корпуса насоса размещен анод с титановым цилиндром. Вольфрамовый катод укреплен на керамическом стержне. Токовводом и экраном катода служит танталовая проволока. Корпус насоса заземлен и на анод подается положительный потенциал до 5 кВ. К катоду приложено положительное напряжение от 50 до 250 В относительно корпуса. Катод и токоввод расположены таким образом, чтобы нарушалась симметрия электрического поля, в результате чего электроны, эмиттируемые катодом, имеют осевую, радиальную и тангенциальную составляющие скорости. Направление движения электронов непрерывно меняется и они, двигаясь по «орбитам», проходят относительно большие расстояния, вызывая ионизацию газа. Испарение титана (сублимация) приводит к запылению внутренней поверхности корпуса титаном, поглощающим откачиваемый газ.

Предельное давление составляет 5*10-10 мм рт. ст., скорость откачки инертных газов увеличена благодаря увеличению длины пути электронов.


 

Сверхвысоковакуумные магнитные электроразрядные насосы являются эффективным средством создания высокого и сверхвысокого вакуума. Их применяют для безмасляной откачки вакуумных камер. В основе работы магниторазрядного насоса лежит поглощение газов титаном, распыляемым при высоковольтном разряде в магнитном поле. Для зажигания самостоятельного разряда в трубке с холодным катодом при давлении ниже 10-3 мм рт. ст. требуется очень высокое напряжение.

При таком давлении длина свободного пробега электрона велика, и он уходит на анод, не испытав соударений с частицами остаточного газа. Чтобы удлинить путь электрона, не увеличивая расстояние между электродами, предложено специальное расположение электродов во внешнем магнитном поле, так называемая ячейка Пеннинга. Два холодных катодных диска располагают симметрично по обе стороны анода, а вдоль оси системы направляется магнитный поток от внешних магнитов (рис. 367). Проходя через полый анод, электроны начинают колебаться между катодами и под влиянием магнитного поля движутся по циклоидам, сталкиваясь с молекулами остаточного газа, что приводит к возникновению газового разряда.

Одиночная разрядная ячейка образована двумя титановыми катодными пластинами и анодом из коррозионностойкой стали. При подаче на электроды разрядной ячейки высокого напряжения в ячейке возникает газовый разряд в широкой области низких давлений. Образующиеся в разряде положительные ионы газа ускоряются электрическим полем и внедряются в катоды, одновременно материал катода (титан) распыляется и осаждается на аноде и стенках насоса.

Эффективность откачки насоса определяется внедрением ионов газа в материал катода (ионная откачка) и поглощением газов распыленным титаном (сорбционная откачка). Магниторазрядные насосы НЭМ и НОРД отечественного производства содержат десятки и сотни разрядных ячеек, объединенных в электродные блоки. Блоки помещены в корпус из коррозионностойкой стали. Магнитное поле напряженностью 700 э создается оксидно-бариевыми магнитами, расположенными с внешней стороны корпуса. В насосах НЭМ на анод подается положительный по отношению к катодам потенциал; в насосах НОРД подается отрицательный по отношению к аноду потенциал на катоды. К достоинствам магниторазрядных насосов следует отнести постоянную объемную скорость откачки в широком диапазоне давлений, отсутствие движущихся частей и бесшумную работу, отсутствие горячего катода, надежность, отсутствие рабочих жидкостей и возможность получения чистого спектра остаточных газов, не загрязненного парами масел.

 

 


Магниторазрядные насосы откачивают различные газы с разной скоростью. Ниже указаны относительные скорости откачки различных газов (в %):

 

Насосы позволяют оценивать давление в системе по разрядному току. Предельное давление 10-10 мм рт. ст. Запуск насосов НЭМ можно производить при давлении —10-2 мм рт. ст. Насосы не могут длительное время работать при давлении 1 • 10-5 мм рт. ст. из-за перегрева электродов. Насосы НЭМ производительностью 30, 100 и 300 л/с имеют цельносварной корпус из коррозионностойкой стали, внутри которого размещены один, четыре или восемь разрядных электродных блоков. Съемные магнитные системы расположены с внешней стороны корпуса насоса. Разрядный электродный блок состоит из двух анодных решеток (сталь Х18Н10Т) и трех титановых катодов (титан ВТ 1-1), собранных на керамических изоляторах. На рис. 368 показан насос НЭМ-300-1, на рис. 369 — схемы магнитных систем насосов.


 

 

Высокое положительное напряжение подается на аноды электродных блоков через высоковольтные вакуумные вводы. К каждому вводу подсоединен один блок или группа электрически соединенных блоков. Это позволяет в случае необходимости отключать ту или другую электродную группу. Питание насоса осуществляется от высоковольтных выпрямителей с падающей характеристикой.

Магниторазрядный насос НЭМ*10-1В (рис. 371) не имеет собственного корпуса и размещен внутри откачиваемой вакуумной системы. Насос состоит из двух секций: каждая имеет собственную магнитную систему и электродный блок, состоящий из анодной сетки и двух титановых катодов. Высокое положительное напряжение подается на аноды через вакуумный токоввод, установленный на корпусе откачиваемой системы.

Технические характеристики насосов НЭМ-1Т-1, НЭМ-2.5Т-1, НЭМ-7Т-1 производительностью соответственно 1000, 2500 и 7000 л/с даны в табл. 72. Внутри цельносварного корпуса из коррозионностойкой стали расположены 12, 56 и 112 разрядных электродных блока (в зависимости от типа насоса). Уплотнение, как и в магниторазрядных насосах других типов, канавочно-клиновое с медными уплотнителями.

 

На базе насосов НЭМ отечественной промышленностью выпускаются магнитные электроразрядные агрегаты ЭРА (табл. 73). Для откачки вакуумной системы от атмосферного давления до 10-2— 10-3 мм рт. ст. в этих агрегатах применяют цеолитовые насосы, охлаждаемые жидким азотом. Агрегат состоит из двух сорбционных цеолитовых насосов ЦВН-1-2, сверхвысоковакуумного насоса НЭМ и вакуумной арматуры. При откачке больших объемов основное количество газа может быть удалено механическим насосом предварительного разрежения, присоединяемым к агрегату через ловушку, охлаждаемую жидким азотом.

Срок службы агрегатов ЭРА составляет десятки тысяч часов при рабочем давлении ниже 5*10-6 мм рт. ст. Для них не опасно случайное попадание атмосферного воздуха. Они бесшумны в работе, просты в обслуживании, позволяют оценивать давление в системе по току магниторазрядного насоса.

В табл. 74 приведены характеристики насосов типа НОРД отечественного производства (рис. 372). В отличие от насосов НЭМ они откачивают газы

Примечание. Предельное давление 1* 10-10 мм рт. ст.; предварительное давление для запуска насоса 1 • 1O-' мм рт. ст.; напряжение сети переменного тока 380 В; напряжение холостого хода 7 кВ.

Таблица 73 Значения параметров для насосов

Примечание. Предельное давление <1- 10-10 мм рт. ст.; предварительное давление для запуска насоса < 10-2 мм рт. ст.; максимальное рабочее давление 8-1O-* мм рт. ст.; напряжение сети питания выпрямителя 220 В; напряжение холостого хода выпрямителя 7 кВ.

Вода проходит через впаянные в аноды трубки из коррозионностойкой стали. Высокое отрицательное напряжение подается на катоды насоса через высоковольтный вакуумный ввод. Магнитное поле напряженностью 1000 э создается оксидно-бариевыми магнитами, расположенными с внешней стороны корпуса. Насос обезгаживается прогревом при 400—450° С.

Кроме насосов с охлаждаемыми электродами сконструированы насосы с триодной ячейкой, с ребристыми катодами, с триггерными устройствами и т. п. Новые конструктивные решения позволили повысить скорость откачки насосов по некоторым газам, значительно снизить предельное давление, повысить удельную скорость откачки, приходящуюся на единицу магнитной массы.

Триодный магниторазрядный насос ТРИОН-150 с охлаждаемыми электродами отличается от других магниторазрядных насосов более низким предельным давлением, способностью откачки в очень широком интервале давлений, повышенным давлением запуска. Электроды охлаждаются водой или жидким азотом. Благодаря однопотенциальной триодной схеме насос имеет увеличенную скорость откачки инертных газов. Корпус насоса сделан из коррозионностойкой стали. Охлаждаемые электроды (анод и коллектор) изготовлены из меди и приварены к азотопроводу, связанному с сосудом для жидкого азота. При охлаждении водой сосуд снимают и к азотопроводу присоединяют водопроводную линию. Катоды сделаны из титана. Разъемные соединения

 

канавочноклиновые с медными уплотнителями. Насос обезгаживается прогревом при 400—450° С.

 

Магнитное поле создается внешними магнитами. Применение этого насоса особенно эффективно в тех случаях, когда при больших начальных газовых нагрузках требуется получить высокое разрежение.

 

Техническая характеристика насоса ТРИОН-150

Скорость откачки воздуха при давлении 5•1O-6 мм рт. ст. в л/с:

при охлаждении водой............ 130

» жидким азотом ....... 200

Предельное давление в мм рт. ст.:

при охлаждении водой ............ 1*1O-10

» жидким азотом ....... <1*10-11

Предварительное давление для запуска насоса (при

охлаждении водой) в мм рт. ст.......... 5*1O-2

Максимальное рабочее давление (при охлаждении водой) в мм рт. ст................. 8*10-4

Расход воды в л/ч................ 50—150

Расход жидкого азота при рабочем давлении ниже

5*10-7 мм рт. ст. в л/ч ............. 0,5

Масса в кг .................. 60

На рис. 373 приведена схема магнитной системы триодного насоса MaPT также отечественного производства. В корпусе из коррозионностойкой стали размещен электродный блок, состоящий из анодной решетки и двух титановых (титан ВТ-1-1) катодных решеток, собранных на керамических изоляторах. Роль коллектора ионов выполняет стенка корпуса насоса.

 

 

 

Техническая характеристика насоса MaPT

Скорость откачки при давлении 5•1O-6 мм рт. ст. в л/с:

воздуха ... ......... 30

аргона  10 .

Предельное давление в мм рт. ст........ <10-10

Предварительное давление для запуска насоса

в мм рт. ст.................. 1*10-2

Масса в кг .................. 21

Максимальная мощность, потребляемая блоком питания, в Вт................. 900

Масса блока питания в кг........... 32

Габаритные размеры блока питания в мм .  280 x 380 X 450

Триодные насосы, создающие предельное давление ниже 5•1O-11 мм рт. ст., выпускает фирма СОЖЗВ (Франция).

Насосы T-120, 4-Т-120, 4-Т-220 и 8-Т-220 имеют соответственно скорость откачки 25; 100; 250 и 400 л/с. На рис. 374 показан насос диодного типа EGZ (ГДР). В зависимости от числа ячеек различают насосы EGZ10 и EGZ00. Предельное давление 1 • 10-10 мм рт. ст. Диодные насосы ВАРИАН (Швейцария) имеют скорости откачки от 0,15 л/с до нескольких тысяч литров в секунду.

Скорость откачки аргона составляет 21% скорости откачки воздуха (в насосах типа Нобль). Эти насосы показаны на рис. 375. Фирма Эдварде (Англия) выпускает диодные насосы EP 1-30 (30 л/с); EPl (125 л/с); ЕР2 (250 л/с); ЕР4 (500 л/с).

Предельное давление 5*10-11 мм рт. ст. На рис. 376 показана сверхвысоковакуумная установка фирмы Эдварде, в которой предварительное разрежение создается последовательно соединенными сорбционными цеолитовыми насосами или механическим насосом с ловушкой. Основные средства откачки — магниторазрядный насос и титановый сублимационный насос, охлаждаемый водой или жидким азотом.

 

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

   

 

Сейчас на сайте

Сейчас на сайте находятся:
 87 гостей на сайте

Нов боков адс адаптивный

=
Рейтинг@Mail.ru