Принцип действия и основные характеристики. Ши­рокое распространение в отечественной промышленно­сти магниторазрядных насосов объясняется их высокими техническими характеристиками, простотой эксплуата­ции и обслуживания, высокой надежностью и большим ресурсом работы.

Принцип устройства магнито-разрядного насоса иллюстрирует­ся рис. 4-14.

Плоские титановые катоды 1 и анод 2, состоящие из многих прямоугольных или круг­лых ячеек, образуют электродный блок, который помещается в маг­нитное поле, создаваемое посто­янным магнитом 3. Каждое отвер­стие в аноде вместе с противоле­жащими участками катодов образует разрядную ячейку насоса. При приложении разности потенциалов между электродами разрядного блока, находящегося в вакуу­ме, в ячейках насоса возникает электрический разряд. Для возникновения разряда достаточно случайного при­сутствия в разрядном промежутке нескольких электро­нов.

Под действием сильного магнитного и электриче­ского полей электроны движутся по спирали вокруг оси разрядной ячейки. На своем пути электроны производят ионизацию газа. Образующиеся положительные ионы, бомбардируя катод, распыляют титан из катодных пластин. Поскольку основная часть распыляемых ча­стиц титана представляет собой электрически нейтраль­ные атомы и молекулы, они осаждаются на все поверх­ности электродов, но в основном на анод. Активные га­зы, попадая на непрерывно возобновляемую пленку титана, хемосорбируются ею. Катоды также поглощают газы, но из-за постоянного распыления большей части их поверхности вклад катодов в процесс откачки активных газов незначителен.

Таким образом, основным механизмом при откачке активных газов является хемосорбция газов непрерывно напыляемой на аноде пленкой титана. Наряду с этим в магниторазрядных насосах имеет место проникновение ионов в материал катода. Последнее характерно дла откачки легких газов — водорода и гелия. Водород лег­

ко диффундирует в титане, образуя твердые растворы. Непрерывное поступление ионов водорода на поверх­ность катодов создает повышенную концентрацию водо­рода на поверхности, которая приводит к диффузии во­дорода в глубь катодов. Если в откачиваемом сосуде присутствует только водород, поглощение его титановым катодом является основным механизмом откачки, по­скольку распыление материала катода в результате бом­бардировки его ионами водорода мало и основной меха­низм откачки магнитораз­рядных насосов — хемосорб­ция напыляемой пленкой ти­тана — в значительной сте­пени ослабляется.

Если от­качивается смесь водорода с более тяжелыми газами, то распыление титана происхо­дит интенсивнее и заметная часть водорода откачивает­ся на других поверхностях насоса. Откачка тяжелых инерт­ных газов преимущественно осуществляется катодами. В силу больших размеров и соответственно малой по­движности ионов этих газов диффузия их в глубь катода практически отсутствует. При бомбардировке катодов ионами инертных газов, на­пример аргона, поверхност­

ный слой распыляется, в результате чего вновь высво­бождается ранее поглощенный аргон. Таким образом, ионы аргона необратимо поглощаются только небольши­ми участками катодов, которые не подвержены эффек­тивной бомбардировке ионами газа. На рис. 4-15 отчет­ливо видны участки катода, поглощающие инертные газы.

Внедрение ионов инертных газов в материал катода сопровождается замуровыванием ионов распыляемым титаном. Такой механизм хотя и не создает большой быстроты действия, является основным при откачке инертных газов мат ниюразрядным насосом.

Таблица 4-1

Относительная быстрота действия диодных магниторазрядных насосов

Поскольку химическая активность различных газов и эффективность распыления титана их ионами различ­ны, быстрота действия магниторазрядных насосов суще­ственно зависит от рода откачиваемого газа. Относи­тельная быстрота действия магниторазрядных насосов по разным газам, выраженная в процентах от быстроты действия по воздуху, представлена в табл. 4-1.

Конструкции магнито­разрядных насосов весь­ма разнообразны, что объясняется различным их назначением. Отече­ственной промышлен­ностью выпускаются не-охлаждаемые магнито-разрядные диодные насо­сы типа НЭМ с быстротой действия от 10 до 7000 л/с, охлаждаемые диодные на­сосы типа НОРД с быст­ротой действия от 10 до 1000 л/с и триодные насо­сы MaPT и ТРИОН-150 с быстротой действия 30 и 150 л/с соответственно.

Электродный блок на­соса типа НЭМ (рис. 4-16) состоит из трех ти­тановых катодов / и двух ячеистых анодов 2 из нер­жавеющей стали, жестко соединенных между со бой и изолированных друг от друга с помощью керамических изоляторов 3. Внутри корпуса насоса (рис. 4-17) они располагаются

в соответствующих кар­манах. На аноды электродных блоков через высоко­вольтные вакуумные электрические вводы от блока пи­тания подается высокое положительное напряжение (7 кВ). Катоды имеют надежный электрический кон­такт с заземленным корпусом насоса. С внешней сторо­ны корпуса насосов располагаются постоянные оксид­но-бариевые магниты (рис. 4-18), создающие в зазоре напряженность поля 56 000 А/м (700 Э).

Электродный блок насо­сов типа НОРД (рис. 4-19) состоит из двух катодов и одного охлаждаемого водой анода. Соосно с ячейками анода (рис. 4-19,6) в катод­ных !пластинах просверлены отверстия (рис. 4-19,а). На­личие отверстий в катодных пластинах и охлаждение анодов позволили использо­вать более мощный источник питания и повысить тем самым наибольшее давление запуска.

Электродные блоки устанавливаются в карма­нах корпуса насоса и закрепляются в нем с помощью вакуумных водяных вводов, через которые подается вода на охлаждение анодов. В насосах с охлаждаемыми ано­дами в отличие от насосов типа НЭМ высокое отрица-

ЯР

тельное напряжение (минус 7 кВ) подается на катоды, электрически изолированные от корпуса.

Анод и коллектор триодного магниторазрядного на­соса ТРИОН-150 (рис. 4-21) при работе в области высо­ких впускных давлений охлаждаются водой, а в области низких давлений — жидким азотом, что позволяет повы­сить наибольшее давление запуска и существенно сни­зить предельное остаточное давление.

Основными характеристиками магниторазрядных на­сосов являются быстрота действия, предельное остаточ­ное давление, наибольшее давление запуска и наиболь­шее рабочее давление. Характеристики насосов, которые приведены в приложении 8, определяются геометрией разрядных ячеек, параметрами источника питания и напряженностью магнитного поля.

Типичные графики быстроты действия магнитораз­рядных насосов представлены на рис. 4-22. Как видно из графиков, охлаждаемые насосы обладают большей быстротой действия в области высоких впускных давле­ний. Различие в положении максимума быстроты дейст­вия не связано с охлаждением насоса, а определяется некоторым различием в геометрии разрядных ячеек. На этом же рисунке приведена зависимость тока разряда от давления.

Построенная в логарифмических коорди­натах, она в широком диапазоне давлений представляет собой почти прямую линию, что позволяет использовать показывающий прибор блока питания насоса для оцен­ки давления в системе. Ток разряда и быстрота действия в отличие от других характеристик насоса — наиболь­шего давления запуска, наибольшего рабочего давления и предельного остаточного давления — являются наибо­лее стабильными в процессе эксплуатации характеристи­ками магниторазрядного насоса.

Эксплуатация и обслуживание. Магниторазрядные насосы поступают с завода-изготовителя герметично закрытыми, откачанными до давления в несколько Па­скаль или заполненными сухим азотом. Магниторазрядный насос обычно соединяют непосредственно с откачи­ваемым сосудом. Сохраняемость насосов при транспор­тировании очень высокая, и, как правило, при получе­нии насоса не требуется специальных проверок его работоспособности. Однако определенный минимум про­

вероч'ных операций бывает полезен. К ним относится про­верка сопротивления утечки между электродами и про­верка работоспособности блока питания. Блок питания бывает достаточно проверить на наличие высокого на­пряжения. Для проверки сопротивления утечки между электродами необходимо снять с насоса магнитную си­стему, подключить один провод 2,5-киловольтного мега-омметра к высоковольтному вводу через разъем, ана­логичный разъему соединительного кабеля блока пита­ния, а другой провод к корпусу насоса и измерить сопротивление утечки. Сопротивление утечки должно быть не менее 1000 МОм.

После проверки насос устанавливают в вакуумную систему, снабженную средствами предварительной от­качки, и устанавливают магниты. Магниты в насосе располагаются таким образом (см. рис. 4-18), что сило­вые магнитные линии замыкаются, проходя через все магниты и магнитопроводы. Боковые магниты, располо­женные с боковых сторон насоса, приклеиваются на заводе-изготовителе к металлическому листу, являюще­муся магнитопроводом. Центральные магниты, вставляе­мые в пазы корпуса насоса, склеиваются попарно. Устанавливать магниты удобнее в следующей !последо­вательности.

Вначале закрепляют на корпусе насоса бо­ковые магниты. Перемена местами при установке пла­стин с боковыми магнитами не имеет значения, так как в любом случае вектор напряженности магнитного поля в насосе сохранит свое направление. Затем устанавли­вают центральные магниты. В результате взаимодейст­вия магнитных полей боковых и устанавливаемого маг­нитов последний должен втягиваться в паз корпуса на­соса. Если при установке магнит разворачивает, а после установки он выталкивается назад, то необходимо пере­вернуть магнит. Затем охлаждаемые насосы подклю­чают к системе подачи и слива воды.

Подсоединяют блок питания. Создают предварительное разрежение и производят пробное включение насоса. Если давление в системе понижается, то перекрывают линию предва­рительного разрежения и откачивают сосуд до давления 10~5 Па (Ю-7 мм рт. ст.). В ходе пробного включения насоса необходимо обратить внимание на уровень шума блока питания в период старта и на время откачки си­стемы от 10~2 Па (10~4 мм рт. ст.) до 10-4 Па (10-6 мм рт. ст.). Этот период должен длиться несколько минут.

Сильная вибраци^блока пи­тания в момент включения и в период старта насоса обычно свидетельствует о нарушении плотной упаков­ки магнитонровода силового трансформатора.Период старта насоса должен проходить под на­блюдением оператора, кото­рый следит за работой насоса по показывающему прибору блока питания и вакуум­метру, всегда имеющемуся в системе. Графики изменения во времени давления в си­стеме, напряжения на элек­тродных блоках и тока раз­ряда насоса в период стар­та приведены на рис. 4-23.

При включении насоса при давлении запуска напряжение на электродах около 400 В, а ток разряда определяется величиной тока ко­роткого замыкания источника питания. Максимальная энергия положительных ионов, бомбардирующих катод, не может превышать 400 эВ. Этой энергии недостаточно для эффективного распыления титана. Поэтому в изо­лированном откачиваемом сосуде в период старта насо­са давление газа понижается довольно медленно. В это время напряжение на электродах остается практически постоянным. При давлении в насосе 10~2—Ю-1 Па изме­няется характер разряда. Происходящее при этом рез­кое изменение разрядного тока и напряжения на элект­родах свидетельствует об окончании периода старта (на рисунке обозначено пунктирной линией), который завер­шается быстрым переходом в область высокого вакуума. В дальнейшем ток уменьшается пропорционально дав­лению, напряжение на электродах и быстрота действия достигают номинальных значений.

После пробного включения насос подготавливается к дальнейшей его эксплуатации: производится контроль герметичности фланцевых соединений и прогрев насоса с целью обезгаживания вместе со всей высоковакуумной частью установки. В насосах типа НОРД имеется огненный нагреватель, позволяющий производить нагрев насоса бе^ снятия магнитной системы. Тем не менее пер­вый прогреб лучше производить внешними нагревателя­ми, предварительно сняв магнитную систему. Рекомен­дуемая длительность первого прогрева 15—20 ч при температуре 350—450°С.

Прогрев должен производить­ся при разрежении 0,1 — 1 Па, создаваемом средствами предварительной откачки. С мо­мента выключения внешнего нагревателя не обязательно ждать полного остывания насоса. Если предваритель­ная откачка производится механическими насосами с масляным уплотнением, це­лесообразно перекрыть ли­нию предварительной откач­ки при температуре корпуса насоса 80—100°С. После ох­лаждения корпуса насоса до безопасной для работы температуры ставят магнит­ную систему, присоединяют шланги подачи и слива воды. Сразу после их 'присоедине­ния подают воду в линию охлаждения насоса. Это поз­воляет быстрее охладить на­

сос, в результате чего понизится давление в насосе, а также сохранит от разрушения в результате нагрева дюритовые шланги системы охлаждения. В момент пу­ска расход воды должен быть минимальным. В послед­нюю очередь присоединяют кабели от блоков питания и включают насос.

Длительность старта магниторазрядных насосов за­висит от степени чистоты внутренних поверхностей отка­чиваемого сосуда и насоса, а также от степени предва­рительного разрежения. Неохлаждаемый магниторазряд-ный насос может запускаться с давлений более 10 Па (0,1 мм рт. ст.), но в таком случае длительность старта может превышать 3 ч. На рис. 4-24 приведена зависи­мость длительности старта от давления запуска для на­соса НЭМ-300 (сплошная линия). Аналогичны зависи­мости для всех неохлаждаемых насосов. Для охлаждае­мых насосов эта зависимость показана пунктирной ли­нией.

Наибольшее рабочее давление новых охлаждае­мых магниторазрядных насосов составляет 1•1O-1 Па (7•1O-4 мм рт. ст.). По мере увеличения общей нара­ботки эта граница смещается до 2-10-2 Па

и ниже при суммарной на­работке, равной десяткам и сотням тысяч часов.Достигаемое с помощью магниторазрядных насосов предельное остаточное давление зависит от предыстории насоса, суммарной наработки, режимов работы и рода откачиваемого газа.

На предельное остаточное давление, так же каж и на длительность старта, сильное влияние оказывает загрязнение насоса углеводородами. Напри­мер, создание предварительного разрежения с помощью механических насосов с масляным уплотнением повы­шает предельное остаточное давление в 5—10 раз.

В последующем паспортное значение предельного оста­точного давления может быть достигнуто после десяти-, двадцатичасового прогрева насоса при откачке его цео-литовым насосом. Насос хорошо обезгаживается и вос­станавливается и при прогреве его с откачкой механиче­ским насосом с защитной ловушкой. Но в этом случае необходимо разобщить с помощью прогреваемого клапа­на высоковакуумную часть установки и линию предва­рительной откачки до того, как насос успеет полностью остыть. Как было показано, оптимальная температура, при которой следует закрыть клапан, 100°С. Если пере­крыть клапаны при большей температуре, появляется вероятность нарушения герметичности клапана в паре седло — заслонка. Если перекрыть клапан при меньшей температуре, то насос успеет загрязниться парами мас­ла и не произойдет необходимого его восстановления.

С течением времени происходит самовосстановление насоса в результате разложения тяжелых углеводоро­дов в разряде с последующей откачкой образующихся легких углеводородов. Но процесс этот длительный.

Наиболее характерным отказом магниторазрядных насосов является электрический пробой разрядного про­межутка. Пробой возникает на различного рода остриях или отслоившейся пленке титана, вблизи которых напря­женность электрического поля намного больше. Неболь­шие острия, первоначально не приводящие к пробою, растут в процессе работы насоса. Небольшие острия можно «выжечь» пропусканием тока. Проще всего это сделать с помощью универсальной пробойной установки (УПУ), не снимая насос с установки. Для этого снима­ют с насоса магнитную систему, напускают в насос атмосферный воздух и присоединяют УПУ аналогично присоединению мегаомметра при измерении сопротивле­ния утечки. При плавном увеличении напряжения до 4—5 кВ происходит пробой разрядного промежутка по острию.

Если их было несколько, то каждый следующий пробой будет происходить при большем напряжении. Увеличивать напряжение выше 4,8—5,0 кВ нельзя, так как при этом напряжении и атмосферном давлении дол­жен происходить пробой нормальной разрядной ячейки. Проверка осуществляется той же пробойной установкой. Если при напряжении 4,8—5,0 кВ в течение 1—2 мин не происходит пробоя, можно считать, что разрядный блок исправен. Когда подобная операция не дает эффек­та, насос подлежит разборке.

Частота появления пробоев определяется про­должительностью и режимом работы насоса. При рабо­те насоса в области давлений 10-3—10-2 Па  образующаяся на аноде пленка имеет матовый коричневый цвет и рыхлую структуру. Пробой по такой пленке может быть устранен легким постуки­ванием по корпусу выключенного насоса, в результате Чего пленка осыпается на дно насоса и пробой устраня­ется.

При работе насоса в области давлений 10-4 Па (10-6 мм рт. ст.) и ниже пленка образуется более проч­ная и плотная и имеет металлический блеск. В процес­се длительной, более 1000 ч, непрерывной работы на аноде возникает довольно толстая пленка. Напуск атмо­сферного воздуха в такой насос влечет за собой отслаи­вание пленки. При последующем включении насоса воз­никает пробой, для устранения которого требуется раз­борка насоса.

Электрические пробои возникают реже, если насос работает во всем диапазоне рабочих давлений с перио­дическим напуском атмосферного воздуха в насос. Для обеспечения безотказной работы насоса в этих условиях рекомендуются периодическая разборка и чистка насоса через каждые 5—7 тыс. ч работы, т. е. 1 раз в год. Если насос работает в постоянном режиме, рекомендуемая периодичность разборки и чистки насоса через каждые 1—2 тыс. ч работы, т. е. 3—4 раза в год.

В процессе эксплуатации магниторазрядных насосов иногда возникают легкие потрескивания, характерные признаки пробоя электродных блоков. Причиной может быть не только пробой между электродами, но и пробой высоковольтных вводов. Внешние признаки этих двух

видов пробоя одинаковы. Отличие в слабом нагреве ввода в последнем случае. Причина пробоев и последую­щего короткого замыкания в высоковольтных разъе­мах— плохо запаянные провода, когда отдельные жилы многожильного провода или экранирующей оплетки отделяются от общей массы и образуют острия над по­верхностью припоя. Напряженность электрического поля на остриях может превзойти допустимую величину, и тогда произойдет пробой. В результате может быть прожжена изолирующая фторопластовая втулка и произойдет короткое замыкание. Короткое замыкание в насосе не приводит к выходу из строя блока питания, так как ток ограничивается схемой источника питания. Такой вид отказа возникает при частой разборке и отъединении насоса и недостаточной аккуратности об­служивающего персонала.

Разбирая и собирая насос, в особенности электродные блоки, необходимо пользоваться только исправным ин­струментом. Нанесение инструментом глубоких царапин и заусениц может привести к пробою разрядного проме­жутка при включении насоса. В ходе разборки и сборки необходимо обращать внимание на состояние изоляторов и по мере необходимости производить их очистку.

Опыт эксплуатации магниторазрядных насосов убеж­дает в практически неограниченном их ресурсе. Предель­ное остаточное давление, наибольшее рабочее давление и давление запуска магниторазрядных насосов на про­тяжении всего периода эксплуатации находятся в пре­делах требований технических условий. К тому же после очередной чистки насоса они приближаются к своему первоначальному значению. Быстрота действия неохлаж-даемых насосов с плоскими сплошными катодами оста­ется постоянной вплоть до момента образования сквоз­ных отверстий в катодных пластинках по центру разряд­ных ячеек. Быстрота действия охлаждаемых диодных насосов, в катодных пластинах которых выполнены сквозные отверстия, по мере увеличения отверстий в ре­зультате распыления титана постепенно снижается.

Рас­пыление титана по поверхности катода не равномерно (рис. 4-26), что обусловлено неравномерностью магнит­ного поля. Диаметр отверстий в центре пластины после наработки (2500 ч при давлении 4,0-10~2 Па (3•1O-4 мм рт. ст.) увеличивается в 1,5—2 раза, в то время как крайние отверстия почти не увеличиваются, причем

Рис 4 26 Катод насоса НОРД 250 после наработки 2500 ч при давлении 4,0 10-2 Па

отверстия растут пропорционально плотности тока в кон­кретном насосе Так, удельная плотность тока и удель­ная быстрота откачки (быстрота откачки в расчете на одну разрядную ячейку) насоса НОРД-10 выше, чем у насоса НОРД-250 Соответственно ресурс, определяе­мый как время снижения быстроты действия на 10% номинального значения, насосов НОРД-10 меньше, чем насосов НОРД-250 В триодных насосах происходит разрушение катодов, как это показано на рис 4-27, и соответственно уменьшается быстрота действия насоса Наблюдаемое в процессе эксплуатации, в том числе в конце срока службы, увеличение быстроты действия магниторазрядных насосов после «аргонной обработки» носит временный характер По прошествии нескольких часов быстрота действия снижается до первоначального значения Под «аргонной обработкой» подразумевается длительная, в течение нескольких часов, работа насоса в среде аргона при повышенном давлении, Ю-3 Па (Ю-5 мм рт ст ) В силу повышенного распыления ти­тана тяжелыми ионами аргона катодные пластины очи­щаются, при этом насос нагревается, а большое количе­ство распыляемого титана поглощает загрязняющие си­стему газы В дальнейшем чистый насос некоторое вре­мя имеет повышенную быстроту действия. На практике «аргонная обработка» используется для очистки загряз­ненных, например углеводородами, насосов, когда нет возможности произвести их прогрев с помощью внешних нагревателей

Ресурс магниторазрядных насосов при рабочем дав­лении 1О-4 Па оценивается сле­дующими величинами неохлаждаемые диодные насо­сы—более 150 000 ч, НОРД-250 — более 100 000 ч, НОРД-10 —более 65 000 ч, ТРИОН-150 —более 70 000 ч.