Ионные насосы

В основе работы ионных насосов лежит ударная ионизация газа, поступающего в насос из откачиваемого объема, и придание образующимся положительным ионам направленного движения в сторону выпускного отверстия.

Аналогично пароструйным ионные насосы также требуют создания предварительного вакуума (при помощи механических или пароструйных насосов).

Одна из отличительных особенностей ионных насосов, из-за которой и началась их разработка, заключается в том, что они для своей работы не требуют применения какой-либо рабочей жидкости; их работа не сопровождается возникновением пленки конденсировавшегося пара рабочей жидкости на внутренних поверхностях откачиваемого объема, что при некоторых работах, связанных с использованием высокого вакуума, является очень важным.

Для первого ознакомления с работой ионного насоса рассмотрим его простейшую конструкцию, которой может служить цилиндрическая стеклянная трубка (рис. 5-70) с двумя кольцевыми электродами, между которыми создается электрическое поле.

Катод расположен в конце трубки, присоединяемом к насосу предварительного вакуума, анод — со стороны впускного отверстия.

После снижения давления (при помощи насоса предварительного вакуума) между электродами трубки вследствие ударной ионизации электронами, ускоряемыми электрическим полем в направлении к аноду, возникают положительные ионы, направляющиеся к катоду; отдавая последнему свой заряд, ионы превращаются в нейтральные молекулы, продолжающие свое движение за катодом в насос предварительного вакуума, которым они и удаляются окончательно за пределы вакуумной системы.

Благодаря непрерывному перемещению ионов газа в сторону катода в трубке поддерживается давление, более низкое по сравнению с давлением в откачиваемом объеме, и газ из вакуумной системы непрерывно поступает в разрядную трубку.

Описанное устройство действует как «ионный» насос, работа которого прекращается лишь с прекращением газового разряда.

Эффективность описанного простейшего ионного насоса чрезвычайно мала, так как число образующихся при таком устройстве положительных ионов (в единицу времени) очень мало. Поэтому разработка более совершенных ионных насосов идет в основном по пути создания достаточно мощного и устойчивого эмитера электронов (катода) и возможно большего удлинения пути электронов (от катода к аноду), приводящего к достаточно большому числу их столкновений с молекулами газа, чтобы происходила интенсивная ионизация газа без необходимости в удлинении трубки насоса.

Кроме того, требовалась разработка способов борьбы с явлениями, мешающими направленному (в сторону выпускного отверстия) движению положительных ионов; эти помехи возникают в стеклянном ионном насосе вследствие того, что стенки его, как непроводника, заряжаются отрицательно и, следовательно, некоторая часть положительных ионов отклоняется ими от направления к катоду.

В качестве примера одной из усовершенствованных конструкций ионных насосов рассмотрим насос, изображенный на рис. 5-71.

Вместо стеклянной здесь используется металлическая трубка, которая одновременно служит и корпусом насоса и анодом. Благодаря этому отпадают упомянутые выше помехи, связанные с возникновением отрицательных зарядов на стенках насоса, и между электродами можно устанавливать относительно невысокие напряжения (300—400 в), благоприятные в отношении вероятности ионизации.

Насос имеет два полых вольфрамовых катода, из которых один, расположенный у выпускного патрубка, является горячим (подогревным), другой — холодным и служит не эмитером, а отражателем электронов. Расстояние между катодами 2,75 м.

Вход в насос расположен в середине трубки насоса; газ из откачиваемого объема входит сначала в так называемую центральную зону насоса, а потом распространяется в обе боковые зоны. Последние окружены боковыми соленоидами; В центральной зоне имеется отдельный внутренний соленоид.

Если электрический ток не пропускать через соленоиды, то электроны, эмитируемые горячим катодом, будут передвигаться сначала в ускоряющем электрическом, поле, а затем, пройдя центральную зону, электроны попадают в тормозящее поле, обусловленное наличием отражателя; потеряв здесь скорость, электроны начинают двигаться в обратном направлении, причем после прохождения центральной зоны они снова попадают в тормозящее поле (эмитера) и т. д. При таком перемещении электронов часть их раньше или позже, но непрерывно попадает на стенку трубки насоса, являющуюся анодом; однако эта убыль электронов непрерывно пополняется эмиссией горячего катода.

Такое колебательное движение электронов в поле трубки насоса уже в известной мере способствует ионизации, так как благодаря удлинению их пути увеличивается вероят ность встречи с молекулами газа. Если же теперь включить ток через соленоиды, то благодаря создающемуся осевому магнитному полю электроны, эмитируемые катодом, не прекращая своего колебательного движения между эмитером и отражателем, начинают в то же время двигаться по винтовым линиям, что ведет к огромному удлинению пути электронов, а Следовательно, и к сильному повышению вероятности ионизации газа.

Напряжения электрического и магнитного полей подбираются так, чтобы колеблющиеся и движущиеся по винтовым траекториям электроны концентрировались главным образом в центральной зоне и именно здесь отдавали свою энергию, ионизуя нейтральные молекулы газа. Получающиеся здесь ионы газа в вакуумную систему обратно не попадают, так как они под действием электрического поля могут перемещаться только к катодам; они отдают катодам свой положительный заряд и далее продолжают двигаться в насос предварительного вакуума; последний, очевидно, должен поддерживать свое впускное давление более низким по сравнению с давлением нейтральных молекул газа вблизи катодов.

Обратной диффузии нейтральных молекул газа в сторону впускного отверстия насоса препятствуют специальные сужения в трубке насоса с обеих сторон до диаметра, лишь очень не намного превышающего диаметр столба разряда; при наличии этих сужений доля нейтральных молекул газа, проходящая обратно через эти сужения, не может быть большой; все проходящие молекулы ионизуются вновь и уже в виде положительных ионов направляются снова к катодам.

Приведенного описания достаточно для пояснения основных явлений, лежащих в основе работы ионного насоса. Из интересных особенностей этого насоса следует отметить следующую. По мере падения давления количество газа, всасываемого насосом, может оказаться недостаточным для поддержания плотности ионов .близи катода на оптимальном уровне, чтобы сохранялся достаточный электронный ток разряда. В этом случае в ионном насосе предусматривается возможность впуска газа в область катода; впуск газа необходим, если давление вблизи катода становится ниже 3-Ю^-4 мм рт. ст. эта добавка газа в насосе не должна, конечно, ухудшать вакуум у впускного отверстия насоса; полезную роль в этом отношении играют упоминавшиеся выше сужения трубки.

Описанным насосом достигается быстрота действия до 7 000 л/сек при весьма низких давлениях. Если насосом предварительного вакуума вблизи катода поддерживается давление 3-10⁴н-5« 10⁴ мм рт. ст., то насос может создать в вакуумной системе давление 0,8 • 10⁶ 6 • ГО”⁶ мм рт. ст.

Насос по сравнению с аналогичным ему по параметрам паромасляным насосом требует в несколько раз большую мощность (около 40 кет), главным образом на поддержание электрического и магнитного полей.

Из отрицательных сторон описанного ионного насоса следует упомянуть также довольно быстрое разрушение катода вследствие непрерывного испарения вольфрама. Правда, это способствует дополнительному снижению давления за счет поглощения газов испаряющимся вольфрамом, но эта же причина заставляет довольно часто менять катод (1—2 раза в месяц).

Дальнейшее усовершенствование ионных насосов идет в направлении одновременного использования как ионизации, так и поглощения газов, поступающих в насос; если в только что описанном ионном насосе поглощение газов происходит в результате как бы случайного фактора, связанного с износом (испарением) катода, то в новых конструкциях уже вводится специальный поглотитель газа. В качестве последнего применяется, например, титановая проволока при температуре, соответствующей определенной скорости испарения титана. Как мы увидим ниже (при изучении работы различных поглотителей), металлы в парообразном состоянии обладают большой поглотительной способностью. Очевидно, ионные насосы, в которых используется явление поглощения (сорбции) газов специальными поглотителями, можно уже называть ионно-испарительными или ионно-сорбционными.