Насоси високого вакууму

13. 1. Іонні насоси

Розробка іонних насосів була викликана бажанням отримувати високий вакуум, в якому була б відсутня пара робочої, що завжди присутня при використанні паромасляних насосів.

Якщо молекули газа, що за визначенням є електрично нейтральними найменшими частинками речовини, перетворити в позитивні іони за допомогою ударної іонізації, то під впливом електричного поля їх можна спрямувати до випускного патрубка. Якщо на випускному патрубку такого насоса створити необхідний попередній вакуум механічним або паромасляним насосом, то отримаємо іонну відкачку.

Рис. 13.1.

Принцип роботи іонного насоса можна зрозуміти розглянувши таку найпростішу конструкцію, як скляна циліндрична трубка з двома металевими кільцями-електродами (анодом і катодом) всередині (рис.13.1). Катод знаходиться в кінці трубки, де розташовано випускний отвір, на якому створюють попередне розрідження за допомогою насоса попередного вакуума, а анод – на іншому кінці трубки, через який газ буде потрапляти до насоса. Якщо між електродами створити електричне поле, то при пониженому тиску газу в трубці виникне газовий розряд в результаті ударної іонізації молекул електронами, прискореними електричним полем. Тоді позитивно заряджені іони, почнуть направлено рухатися під дією електричного поля в напрямі катода, де, таким чином, створиться більший тиск ніж на впускному кінці трубки. При стиканні з катодом ці іони віддають свій заряд і перетворюються в нейтральні молекули, які, продовжуючи свій направлений рух, потряпляють до насоса попереднього вакуума і видаляються останнім з вакуумної системи.

Такий процес буде повторюватися з наступними молекулами, які будуть надходити з вакуумної системи до трубки через впускний отвір, це призведе до зниження тиску в вакуумній системі, тобто виникне під дією газового розряда іонна відкачка.

Продуктивність такого насоса дуже низька, оскільки імовірність актів іонізації мала, а тому і число створених іонів дуже мале. Її можна підвищити, якщо перед анодом розмістити іонізаційну камеру, де іони будуть створюватися, наприклад, іонізуючим випроміненням. Але, крім цього, скляна (діелектрична) стінка в таких іонних насосах заряджається негативно, тому частина позитивних іонів відхиляється від напряму руху до катода.

13. 2. Металеві іонні насоси

Рис. 13-2.

У металевих іонних насосах (рис.13.2) скляна трубка замінена на металеву 1, що є одночасно як корпусом насоса, так і заземленим анодом. Це дало можливість знизити напругу між анодом і катодом до 300 – 400 В, при якій збільшується ймовірність іонізації. Насос має два порожнистих вольфрамових катоди 2,3, з яких перший (2) “гарячий”, тобто спеціально підігрівається для здійснення термоелектронної емісії, тоді як другий (3) -холодний і слугує для відзеркалення потоку електронів. Відстань між ними складає 2, 75 м.

Рис. 13.2.

Біля катодів розміщені випускні патрубки 4 насоса, а впускний отвір 5 знаходиться посередині трубки. Газ з вакуумної системи спочатку надходить до центральної зони насоса, а потім розповсюджується до обох бокових зон. Щоб підвищити число актів іонізації молекул насос розміщено в соленоїді 6, за допомогою якого створюється постійне магнітне поле. У центральній зоні знаходиться внутрішній соленоїд 7.

Під дією електричного поля, яке створюють між катодами і анодом, електрони, емітовані гарячим катодом, здійснюють коливальний рух в центральній зоні. Спочатку вони будуть прискорено рухатися до центральної зони, але після її проходження вони потрапляють до гальмуючого електричного поля, а тому відзеркалюються у зворотньому напрямі. Поступово частина їх потрапляє на анод, тобто стінку насоса. Але завдяки постійній емісії ці витрати будуть скомпенсовані. Коливальний рух електронів подовжує їх шлях, що сприяє зростанню імовірності іонізації.

Магнітне поле соленоїдів примушує електрони рухатися уздовж насоса по гвитоподібній траєкторїї, тому довжина шляху електронів значно зростає, що різко збільшує імовірність іонізації молекул газа. За величиною електричне і магнітне поле добираються так, щоб іонізація відбувалась головним чином у центральній зоні. Під дією електричного поля позитивні іони будуть рухатися до катода, після зіткнення з яким вони віддадуть свій заряд і перетворяться в нейтральні молекули. Якщо тиск, створений на випускному патрубку насосом попереднього розрідження, буде підтримуватися нижче за тиск скупчених нейтральних молекул, то вони відкачаються з вакуумної системи. Таким чином відбудеться іонна відкачка. Для зменшення зворотньої дифузії нейтральних молекул створені звуження 8 трубки насоса.

Швидкодія такого насоса може досягати 7 000 л / с, а створений вакуум має тиск (0,8 - 6) Торр - при умові, що насосом попереднього розрідження підтримується тиск (3 - 5) Торр.

Для створення електричного і магнітного поля, а також термоелектронної емісії в таких насосах витрачається значна електрична потужність (приблизно 40 кВт).

У зв’язку з тим, що нагрівання катода викликає випарення вольфраму і катод швидко руйнується, більш широке практичне застосування отримали іонно-сорбційні насоси.

13. 3. Скляний іонно-сорбційний насос

Випарення вольфраму в металевих іонних насосах, а потім наступна його конденсація на холодних стінках викликали поглинання молекул газа тонким шаром осадженого метала, тобто додаткове зниження тиску. Цей явище дало поштовх для створення нових вакуумних насосів, які знижували тиск не здійсненням стискання газа на випускному патрубку, з використанням явища поглинання газів металами. У таких насосів випускний патрубок відсутній, називаються вони сорбційними.

Рис. 13-3.

Скляний іонно-сорбційний насос (рис.13.3) складається з випарювача металу 1, іонізаційного пристрою 2 і магнітного пристрою 3, що створює магнітне поле, яке направлене так, щоб збільшувати імовірність іонізації молекул, тобто паралельно напряму руху емісійних електронів.

Рис. 13.3

До іонізаційного пристроя входять катод 4, що нагрівається до температури електронної емісії, і два кільцевих аноди, розміщені симетрично відносно катода. На аноди і катод подається напруга для створення електричного поля, що прискорює емітовані електрони. Магнітне поле примушує електрони рухатися за гвинтоподібними траєкторіями і значно збільшує, таким чином, імовірність іонізації молекул.

Випарювач 1 – це вольфрамовий дріт, на який навита спіраль з титану.

При нагріванні вольфрамового дрота електричним струмом титан починає випарюватися і тонким шаром осаджуватися на холодній стінці, замуровуючи шар за шаром поглинуті молекули газів. Титаном добре поглинаються молекули таких активних газів, що часто відкачуються з вакуумних систем, як кисень, водень, азот, окис вуглецю та пари води.

Примусова іонізація молекул підвищує дієвість поглинання титаном активних газів, а також сприяє зв’язуванню молекул інертних газів, що важливо при відкачці аргону.

Відкритим кінцем насос приварюють до скляних приладів, де потрібно створити відповідний вакуум, після кожного знаходження в атмосферному повітрі необхідно попередньо проводити прожарення випарювача з метою старанного знегаження.

До особливостей використання такого насоса відноситься необхідність поновлення витраченого титану. Випарювач відрізають по колу 5 трубки і після навивки нової титанової спіралі приварюють знову. Насос повинен запускатися до роботи тільки після створення тиску не менше ніж Торр насосом попереднього розрідження, який потім відокремлюється, щоб вакуумна система відкачувалась лише іонно-сорбційним насосом.

Швидкодія таких насосів залежить від складу газів, поглинача і швидкості його випарення, конструктивних розмірів і для розглянутого випадку досягає декількох літрів за секунду для водню, азоту і пари води і долей літра за секунду для аргону. Граничний тиск може сягати області надвисокого вакуума ( Торр), але для цього треба провести старанне знегаження усіх елементів вакуумної системи, включно з іонно-сорбційним насосом.

13. 4. Магніторозрядний іонно-сорбційний насос

Рис. 10-40.

Розпилення металів, що будуть поглинати гази, можна здійснювати не тільки за допомогою додаткового нагрівання до температури випарення, а й – електричного розряду в залишковому газі. Насоси, в яких розпилення поглинача здійснюється за допомогою електричного розряду в магнітному полі, називаються магніторозрядними. Прикладом такого насоса може бути один з перших, який було розроблено в 1958 р. (рис.13.4). У цьому насосі використовувались одночасно два явища поглинання газів: розчинність газів металом під дією електричного поля і поглинання газів тонкими металевими плівками. Насос складається з корпусу, зробленого з листової нержавіючої сталі, двох катодів К у вигляді пластини з чистого титану (верхня пластина не показана на рисунку) і розміщеного між катодами анода А з великою площею поверхі завдяки виготовлення його у вигляді чарунок.

На анод подається висока напруга, що викликає ударну іонізацію. Подібно до скляного іонізаційно-сорбційного насоса постійний магніт використовується і в цьому насосі. Постійне магнітне поле напруженістю ~1000 Е направлене паралельно осі електродної системи і створюється оксидно-барієвими магнітами. Воно буде примушувати електрони, які здійснюють коливальний рух навколо чарункового анода, під дією гальмуючого електричного поля катодів і прискорюючого поля анода, рухатися за гвинтоподібними траєкторіями, значно збільшуючи довжину свого шляху і таким чином значно підвищувати імовірність ударної іонізації молекул навіть при дуже низькому тиску залишкових газів.

Рис. 13.4

Створені іони, які значно важчі за електрони, під дією прискорюючого для них поля катодів будуть з великою енергією бомбардувати титанові пластини, викликаючи катодне розпилення, тобто відрив атомів титану з поверхні пластин. “Вибиті” атоми будуть прямолінійно рухатися за всілякими можливими напрямами. Але оскільки анод розміщений близько до катодів, то ці атоми будуть осаджуватися на поверхні його чарунок, створюючи свіжий шар за шаром титану, в якому будуть безперервно поглинатися і замуровуватися наступним шаром газові молекули. Високоенергетичні іони а також нейтральні молекули, що проникають в катоди на достатню глибину, розчиняються серед атомів титанових пластин.

Якщо концентрація розчиненого газа буде більшою за максимальну, що можливо за відповідних умов у металі, то поглинутий газ при об’єднанні створює бульбашки, які розривають метал. Це явище називають блістер-ефектом.

Знегаження насоса, тобто вивільнення поглинутих газів і викид їх до атмосфери проводять прогріванням до температури 400…500 °С.

До позитивних якостей електророзрядних насосів слід віднести можливість створення високого і надвисокого вакууму без загрози забруднення вакуумної камери будь-якою конденсованою парою; насос не має рухомих і гарячих елементів; з ростом розрідження розрядний струм і, відповідно, потужність, яку споживає насос, автоматично зменшуються.

Останню якість – залежність іонного струму від тиску залишкових газів можна використовувати для оцінки ступеня вакууму в насосі.

Промислові зразки електророзрядних насосів називають “вакіонами”. Швидкодія насосів залежно від конструктивних параметрів може бути від 1 л / с до десятків тисяч за секунду (відносно повітря) в широкому ряді тисків, включно з областю надвисокого вакууму.

Бистродію магніторозрядних насосів відносно різних газів ілюструє таблиця 1.

Іонно-сорбційні насоси мають широке застосування в лабораторних установках при виробництві електровакуумних приладів і напівпровідників; для тривалого підтримання вакууму в замкнених вакуумних системах і приладах; для відтворення космічних умов у спеціальних камерах.

Таблиця 1.

Газ	Швидкодія, %	Газ	Швидкодія, %
Водень		Окис вуглецю
Метан		Двоокис вуглецю
Аміак		Кисень
Пара води		Гелій	11 - 20
Повітря		Аргон	1 - 4
Азот

14. 5. Кріогенні адсорбційні насоси

Високий вакуум, як і низький, без загрози забруднення вакуумної камери парою робочої рідини можна створити за допомогою адсорбційних насосів, у яких використовується явище фізичної адсорбції газів.

Як приклад, розглянемо цеолітовий кріогенний адсорбційний насос. Цеоліти (алюмосилікати SiOі AlO) є найкращими адсорбентами для використання в адсорбційних насосах завдяки можливості надання їм тонкої та рівномірної пористості.

Насос має дуже просту будову (рис.13.5). Він являє собою металевий або скляний циліндричний стакан 1, в якому розміщено фільтр 2, наповнений активованим (попередньо зневодженим) цеолітом 3, наприклад, марки СаА-4В. Для регенерації адсорбента і наступного використання насоса після насичення газами, що відкачуються, застосовують електричний нагрівач 4. Для забезпечення охолодження адсорбента до низької температури насос занурюють у посудину Дьюара 5 з кіоагентом 6 (такі зріджені гази, як азот, водень і т.п.).

Відкритим кінцем насос приєднаний до вакуумної камери і після охолодження до низької температури, наприклад, температури рідкого азоту (- 196° С), адсорбент починає інтенсивно адсорбувати гази, що надходять з вакуумної камери. Для роботи при низькому вакуумі використовують насоси занурюючого типу (рис.13.5, а) – посудину Дьюара можна від’єднати від насоса, а для роботи при високому вакуумі – насоси заливного типу (рис. 13.5, б).

В якості метала, з якого виготовляється стакан насос, використовують неіржавіючу сталь або сплав з нікеля. Ці метали мають низьку газовіддачу і добру теплопровідність, яка сприяє швидкому охолодженню цеоліту. Для досягнення цієї ж мети стакан повинен мати довжину значно більшу за його діаметр.

	Рис. 13.5

Оскільки адсорбції властиве насичення, то насос, який досяг насичення після поглинання відповідної кількості газів, перестає працювати, тому має бути від’єднаний від вакуумної камери і підданий регенерації, тобто видаленню поглинутих газів і водяної пари. Після регенерації насос знову можна використовувати після приєднання до вакуумної камери. Щоб не порушувалась безперервність процесу відкачки, використовують декілька таких насосів, що будуть працювати у відповідній послідовності – при вимиканні для регенерації одного насоса вакуумну камеру перемикають на наступний і т. д.

Охолодження насоса знімається при регенерації і цеоліт починає активно виділяти адсорбовані гази, тому для виходу цих газів насос з’єднуютья з атмосферою за допомогою крана, або застосовують запобіжний клапан, що автоматично відкривається при виникненні загрозливо надмірного тиску. Оскільки при кімнатній температурі цеоліти сильно поглинають пару водяну, то регенерацію проводять використовуючи примусове нагрівання до температури не нижче 350 °С. Повна регенерація відбудеться тільки через 1-2 год., після чого насос старанно ізолюють від атмосфери.

Запитання для самоперевірки

1. Поясніть будову і принцип роботи іонного насоса.

2. Поясніть будову і принцип роботи металевого іонного насоса.

3. Поясніть будову і принцип роботи скляного іонно-сорбційного насоса.

4. Поясніть будову і принцип роботи електро-магніторозрядного іонно-сорбційного насоса.

5. Чи залежить швидкодія електро-магніторозрядного іонно-сорбційного насоса від роду газу?

6. Поясніть будову і принцип роботи кріогенного насоса.

Лекція чотирнадцята

ВИМІРЮВАННЯ НИЗЬКИХ ТИСКІВ

14.1. Класифікація манометрів

Рис.14.1

Сучасна вакуумна техніка дозволяє отримати тиск у вакуумній камері ~ Торр. Діапазон тиску від цього значення до величини атмосферного тиску (~ Торр) складає 18 порядків. Забезпечити вимірювання якимось одним універсальним приладом у такому широкому проміжку тисків неможливо.

Прилади, за допомогою яких вимірюється тиск, називаються манометрами. Манометри для низьких тисків ще називають вакууметрами, хоча взагалі останні складаються з двох частин: манометричного перетворювача і вимірювального блока. Абсолютним манометром називають такий, яким тиск вимірюється безпосередньо, тобто шкала якого може бути розрахована. Більшість манометрів не є абсолютними, а приладами непрямих вимірів, тобто тиск визначається на основі того чи іншого фізичного явища за допомогою відповідного перетворювача.

За принципом роботи манометри (вакууметри) розділяються на такі типи: рідинні, деформаційні, копресійні, теплові та іонізаційні; останні, в свою чергу, поділяються на електронно-іонізаційні, магнітні електророзрядні та радіоізотопні. На рис. 14.1 наведені межі тисків, в яких можна проводити вимірювання манометром того чи іншого типу.

14. 2. Деформаційні манометри

У деформаційних манометрах вимірюється різниця тисків між опорним і надлишковим, що викликає деформацію пружного чутливого елемента під дією з одного боку надлишкового тиску.

Пружні чутливі елементи за типом поділяються на трубчаті, мембранні й сильфонні.

Прикладом трубчатого манометра є деформаційний манометр, головний елемент якого - це спіральна трубка – трубка Бурдона (рис.14.2). Спіральна трубка 1 порожниста, відкритим кінцем через штуцер 2 приєднується до вакуумної системи, таким чином, на зовнішню сторону трубки завжди діє атмосферний тиск. При відкачці повітря з трубки вона починає скручуватися під дією атмосферного тиску, оскільки при різних радіусах кривизни площа її зовнішньої і внутрішньої поверхонь будуть різними. Рухомий запаяний кінець трубки почне переміщуватися ближче до нерухомого, що викликає під дією зубчастого механізму 3 поворот індикаційної стрілки проти напряму руху годинникової стрілки. Число n поділок шкали, де зупиниться стрілка, покаже різницю між атмосферним тиском і тиском всередині трубки, тобто тиск у вакуумній системі буде: =- n. Шкала таких манометрів поградуйована у відносних одиницях. Якщо у вакуумній системі тиск буде рівним атмосферному, то стрілка буде вказувати на нульову поділку.

Рис.14.3

Рис.14.2

Чутливим елементом може бути тонка пружна мембрана або сильфон, що виконує таку ж функцію, як і мембрана. У мембранному манометрі (рис. 14.3) мембрана 1 герметично ділить об’єм манометра на дві частини, одна з яких приєднується до вакуумної системи, а в другій створено опорний постійний низький тиск: = Торр. З метою збільшення чутливості і зменшення впливу коливань зовнішньої температури мембрану виготовляють з гофрами 2. Для здійснення вимірювань використовують ємнісний збалансований міст Уітсона, одним з плеч якого буде ємність між мембраною і нерухомою пластиною-електродом 3, відділеним від корпуса манометра (другий електрод), герметизованим ізолятором 4.

Трубчасті деформаційні манометри мають низьку чутливість, ними можна вимірювати тиски, не нижчі ~ 7 Торр, тоді як мембранними вимірюються тиски в межах 760 … Торр. Слід також відмітити такі позитивні якості мембранних манометрів на відміну від трубчатих, як незалежність вимірів від атмосферного тиску і від роду газу.

14. 3. Рідинні манометри

Тиски в межах 1… 760 Торр можна вимірювати дуже простими манометрами такими, як барометрична трубка. Щоб визначити тиск у вакуумній системі, необхідно спочатку визначити атмосферний тиск допоміжним манометром, а потім встановити різницю h між рівнями рідини (рис. 14.4, а). Різниця тисків атмосферного і у вакуумній системі дорівнює

, (14.1)

де g – прискорення земного тяжіння; – густина рідини: якщо рідиною буде ртуть, то тиск отримаємо безпосередньо в одиницях Торр.

Очевидно, що виміри такого манометра залежать від атмосферного тиску. Щоб позбавитися такої залежності, використовують укорочений U – подібний манометр (рис.14.4, б), один з кінців якого заварений. Якщо такий манометр наповнити ртуттю і приварити до вакуумної системи, то тиск у ній буде визначатися різницею рівнів h за формулою

Торр. (14.2)

Чутливість такого манометра можна підвищити у 1, якщо одне з колін зробити похилим (рис. 14.4, в). Якщо ж використати не ртуть, а масло, питома вага якого у 15 разів менша ніж у ртуті, то чутливість зросте у 15 разів.

Рис. 14.4

До позитивних якостей таких манометрів відноситься можливість безперервних вимірювань і конструктивна простота, а до негативних – крихкість скла і громіздськість.

14. 4. Компресійний манометр Мак-Леода

Серед рідинних манометрів особливо цікавим є манометр Мак-Леода (рис. 14.5), оскільки він часто використовується як еталонний. Манометр працює за законом Бойля – Маріотта. Газ вакуумної камери з низьким тиском , що вимірюється, ізотермічно стискають до високого тиску за допомогою ртуті, а потім вимірюють різницю рівнів зрівноваженого стану.

Конструктивно він виготовлений зі скла, складається з трубки 1, через яку підводиться ртуть до балона 2, з відомим об’ємом , що зверху має капілярну трубку 3 (трубку стискання), діаметром , верхній кінець якої заварений. Трубка 1 має відгалуження, що складаються з трубки порівняння 4, розміщеної паралельно до трубки стискання і такого ж діаметра, та трубки 5, яка з’єднує манометр з вакуумною системою. На трубку стискання нанесена позначка L, а на трубку порівняння – позначка K.

Вимірювання тиску починають завжди зі сполучення об’єму балона з вакуумною системою через трубку 5, тобто спочатку ртуть повинна знаходитися нижче місця з’єднання балона і трубки 5. Потім знизу поступово вводять ртуть тим чи іншим способом з резервуару (на рисунку не показано), де вона постійно знаходиться, поки рівень ртуті не досягне позначки L. Газ, що знаходився у балоні, мав такий же тиск , що і газ вакуумної системи, який необхідно визначити, але після стискання його тиск зросте до величини а об’єм зменшиться до . Тепер відповідно до закону Бойля – Маріотта можна записати, що

. (14.3)

Очевидно, що різниця тисків зрівноважується тиском стовпчика ртуті висотою h. Якщо тиски виразити в міліметрах ртутного стовпчика, тобто в одиницях Торр, то

- = h, (14.4)

тобто

= + h. (14.5)

Оскільки << h, то нехтуючи величиною у виразі для , отримаємо, що

. (14.6)

Відношення об’ємів V /, що легко визначається через геометричні розміри манометра, називають мірою стискання.

Рис. 14.5

Тепер тиск газа вакуумної системи можна знайти звичайним обчисленням.

Дата добавления: 2014-01-07