Принцип действия магнитных преобразователей основан на зависимости тока самостоятельного газового разряда в скрещенных магнитом и электрическом полях от давления:
| Рис. 3.8. Электронные системы магнитных преобразователей: а) ячейка Пеннинга; б) магнетронная; в) инверсно-магнетронная; 1 — катоды; 2 — аноды Электродные системы, обеспечивающие поддержание самостоятельного газового разряда при высоком и сверхвысоком вакууме, бывают нескольких видов |
Ячейка Пеннинга (рис. 3.9) состоит из двух дисковых катодов 1 и цилиндрического анода 2; в магнетронном преобразователе (рис. 3.9б) в отличие от ячейки Пеннингв катоды соединены между собой центральным стержнем; в инверсно-магнетронном преобразователе (рис. 3.9в) центральный стержень выполняет роль анода, а наружный цилиндр становится катодом.
Все электроды находятся в постоянном магнитном поле. На анод подаётся положительное относительно катода напряжение 2–6 кВ, катод заземлён и соединяется со входом усилителя постоянного тока. Сильное магнитное поле служит для увеличения длины пути электронов и поддержания тем самым разряда и увеличения степени ионизации газа. Сила тока разряда в таких приборах является мерой давления в системе.
В последнее время инверсно-магнетронные вакуумметры приобретают всё большее распространение. В качестве примера приведём конструкцию инверсно-магнетронного преобразователя ПММ-32-1 (рис. 3.10)
Электронная система преобразователя на фланце соединения с металлическим уплотнителем с условным проходом 50 мм. Катод 1 представляет собой цилиндр с закрытыми торцами. Стержневой анод 2 проходит по оси катода через отверстия в его торцевых поверхностях. Вся электродная система в корпусе прибора помещается в осевое магнитное поле. На анод подаётся высокое напряжение. В цепь катода включается вход усилителя постоянного тока.
| Рис.3.10. Инверсно-магнетронный манометрический преобразователь ПММ-32-1: а) конструкция преобразователя: 1 – катод; 2 – анод; 3 – присоединительный фланец; б) траектория электронов Под действием скрещивающихся электрического и магнитного полей свободные электроны, образовавшиеся в разрядном промежутке, движутся по замкнутым гипоциклоидам. |
При столкновении с молекулой газа электрон теряет часть энергии, и его траектория смещается ближе к аноду, как это показано на рис. 3.10б. Электроны попадают на анод, произведя по меньшей мере один акт ионизации газа. В таких манометрических преобразователях разряд поддерживается при давлениях до 10–12 – 10–11 Па (10–14 – 10–13 торр). Образовавшиеся в результате ионизации газа положительные ионы в силу своей большой массы практически прямолинейно движутся к катоду, являющемуся одновременно коллектором ионов. По величине ионного тока судят о концентрации молекул газа в разрядном промежутке преобразователя, т.е. о давлении газа в системе. Фоновые токи, токи автоэлектронной эмиссии в измерительной цепи катода не регистрируются, поскольку они замыкаются в цепи экран-анод.
Быстрота откачки колеблется для различных преобразователей в зависимости от рода газа и режимов работы в пределах от 10–2 до 1л/с, что значительно больше, чем для электронных. Это приводит к увеличению погрешности измерений при наличии вакуумного сопротивления между преобразователем и вакуумной камерой. Преимуществом магнитного преобразователя перед электронным является более высокая надежность а работе в связи с заменой накального катода холодным, а недостатком – нестабильности, связанные с колебаниями работы выхода электронов при загрязнении катодов. Эти нестабильности особенно заметны при работе преобразователя в вакуумных системах с парами масла, продукты разложения которого при ионной бомбардировке и масляные диэлектрические плёнки, покрывающие поверхности электродов, могут в несколько раз уменьшать чувствительность преобразователя.
Обезгаживание магниторазрядных преобразователей, так же, как и электронных, следует производить при высоком вакууме и только в том случае, если необходимо измерить давление в области высокого и сверхвысокого вакуума. Некоторое время после обезгаживания преобразователь обладает сильным откачивающим действием. Ошибка, вызванная откачивающим действием, для открытых преобразователей может достигать несколько процентов, для преобразователей закрытого типа – 20% и более. Ошибка измерения, вызванная газовыделением имеет противоположный знак и по величине обычно намного превосходит ошибку, вызванную откачивающим действием прибора.
Показания вакуумметра также зависят от состояния преобразователя и напряжённости магнитного поля. Поэтому во избежание изменения напряженности магнитного поля к преобразователям нельзя подносить ферромагнитные тела на расстояние менее 100 мм. В процессе эксплуатации необходимо периодически контролировать сопротивление утечки изоляторов, обусловливающие дополнительный фоновый ток, а также полезно контролировать напряжённость магнитного поля.
Магниторазрядные насосы
Сорбционные насосы, которые осуществляют откачку газов путем их сорбции на поверхности или в объеме твердых тел. В эту группу входят и адсорбционные насосы, в которых откачка происходит вследствие обратимой физической адсорбции газа при низкой температуре.
5. Криогенные насосы, которые осуществляют откачку путем конденсации откачиваемых газов и паров на поверхностях, охлаждаемых до сверхнизких (криогенных) температур.
Разновидностями криогенных насосов являются конденсационные и риосорбционные насосы.
Широкое распространение магниторазрядных насосов объясняется их высокими техническими характеристиками, простотой эксплуатации и обслуживания, высокой надежностью и большим ресурсом работы. Основная откачка активных газов магниторазрядными насосами осуществляется в результате хемосорбции газов постоянно возобновляемой пленкой титана. Непременным условием эффективной и устойчивой работы магниторазрядных насосов, является соответствие количества распыляемого титана количеству поступающего газа. 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.
| Рис. 2.16. Схема диодного магниторазрядного насоса: 1 — два элемента катода из титана; 2 — цилиндрический анод; В — индукция магнитного поля 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.
Количество распыляемого металла приблизительно пропорционально току (и, следовательно, давлению газа); это означает, что распыление металла саморегулируется в зависимости от состояния вакуума. Величина разрядного тока является в некоторой степени мерой давления в откачиваемой системе.
Для получения большей скорости откачки соединяют параллельно большое число откачивающих элементов. Обычно анод имеет ячеистую конструкцию (наподобие восковых сот), а катод состоит из двух титановых пластинок, расположенных по обе стороны анода.
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 магниторазрядным насосом.
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. 2.1.
Недостатком диодных магниторазрядных насосов является малая быстрота действия по инертным газам. Этот недостаток в меньшей степени присущ триодным магниторазрядным насосам, схема устройства которых показана на рис. 2.17.
| Рис. 2.17. Схема триодного магниторазрядного насоса:1 — анод; 2 — катоды; 3 — коллектор (корпус насоса); В — вектор напряженности магнитного поля Электродный блок образует анод, располагаемый в середине, и два катода. Коллектором является корпус насоса. Катоды триодного насоса имеют ячеистую структуру, в силу чего положительные ионы, образующиеся в разряде при работе триодного насоса, бомбардируют катод не под прямым углом, как в диодном насосе, а под острым углом, что существенно увеличивает |
эффективность распыления титана, который равномерно осаждается на корпусе насоса. Благодаря триодной схеме и ячеистой структуре катодов часть ионов, движущихся из области анода, достигает коллектора (корпуса насоса).Ионы, достигнувшие коллектора, обладают малой энергией и не могут вызвать вторичного распыления титана с коллектора при их поглощении. Таким образом, благодаря однопотенциальной триодной схеме насос имеет повышенную быстроту действия по инертным газам. Например, по аргону она составляет 1/3 от быстроты действия по воздуху.
Эксплуатация и обслуживание
Перед подключением необходимо проверить сопротивление утечки между анодами и катодами, которое должно быть не менее 1 ГОм.
После проверки насос устанавливают в вакуумную систему, снабженную средствами предварительной откачки, и устанавливают магниты. Магниты в насосе располагаются таким образом (см. рис. 2.18), 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 разворачивается, 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.
Длительность старта магниторазрядных насосов зависит от степени чистоты внутренних поверхностей откачиваемого сосуда и насоса, а также от степени предварительного разряжения. Допускается запуск неохлаждаемого магниторазрядного насоса с давлений более 10 Па (0,1 торр), но в таком случае длительность старта может превышать 3 часа. Если нет возможности создать лучшее предварительное разрежение, запуск насоса производят, не прекращая предварительной откачки. Средства предварительной откачки разобщают с откачиваемым сосудом и насосом после того, как стабильно начнет понижаться давление.
| Рис. 2.18. Расположение магнитов в магниторазрядном насосе Длительный старт не является особо опасным для магниторазрядных насосов. Это видно из рис. 2.19, на котором изображены энергетические характеристики насоса НОРД-250. Наиболее опасными являются давления 10–2 Па (10–4 торр) для охлаждаемых и 10–3 – 10–2 Па (10–5 – 10–4 торр) для неохлаждаемых насосов. Именно в этом диапазоне давлений насос потребляет максимальную мощность, которая рассеивается на электродах разрядных блоков, и приводит к их неравномерному нагреву и может привести к деформации корпуса насоса. |
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, как и на длительность старта, сильное влияние оказывает загрязнение насоса углеводородами.
| Рис.2.19. Энергетические характеристики: ток разряда(I), разность потенциалов на электродах (V) и мощность (W), потребляемая насосом НМДО-0,25 (НОРД-250), в зависимости от впускного давления 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 10–20-часового прогрева насоса при откачке его цеолитовым насосом. Насос хорошо обезгаживается и восстанавливается и при прогреве его с откачкой механическим насосом с защитной ловушкой. |
Опыт эксплуатации магниторазрядных насосов убеждает в практически неограниченном их ресурсе (~ 150 тыс. часов) при достаточной аккуратности обслуживающего персонала.