МАГНИТНЫЕ ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫЕ НАСОСЫ

Магнитные электроразрядные насосы — принцип действия: в отличие от ионно-геттерных насосов с термическим испарением титана в магнитных электроразрядных насосах для получения активных пленок и для ионизации газов используются разряд в магнитном поле и вызванное им катодное распыление титана. Вследствие этого в магнитных электроразрядных насосах устранен такой существенный недостаток, присущий ионно-геттерным насосам, как наличие накаленных элементов электродной системы.

Схема простейшего диодного магнитного электроразрядного насоса выглядит следующим образом: анод насоса образован из отдельных разрядных ячеек, с открытых концов которых расположены общие катоды из титана.

Эта электродная система помещается в магнитное поле, перпендикулярное плоскости катодов. При подаче на электроды разности потенциалов в несколько киловольт в ячейках возникает газовый разряд, который благодаря магнитному полю поддерживается в широком диапазоне давлений. Положительные ионы газов, образующиеся в разряде при соударении электронов с молекулами, ускоряются электрическим полем в направлении катодов и внедряются в них, вызывая распыление материала катодов. Распыленный с катодов титан оседает главным образом на аноде. Активные газы (азот, кислород), присутствующие в вакуумной системе, попадая на свеженанесенную на аноды пленку, связываются на ней, образуя устойчивые химические соединения с титаном. Образующиеся при реакциях устойчивые соединения — нитриды или окислы титана — могут возникать и на катоде в момент попадания туда ионов или молекул азота и кислорода. Однако из-за сильного распыления материала катода активные газы, в конце концов, оказываются в основном на аноде, оставаясь лишь на их участках катода, которые почти не подвергаются «минной» бомбардировке. Многоатомные газы, пары воды, углекислый газ, аммиак, углеводороды, по-видимому, диссоциируют в разряде. Ионы осколков молекул также вызывают распыление материала катода. Ионы легких газов (водород, дейтерий, гелий) не вызывают заметного распыления материала катода. Для них более существенным является второй механизм откачки: ионы легких газов, имеющие малые размеры, могут внедряться в материал катода и диффундировать и его. Таким образом, быстрота действия магнитного электроразрядного насоса зависит от рода газа или пара.

Первоначально относительно высокая быстрота действия насоса по этим газам постепенно уменьшается, особенно для гелия, не образующего с титаном твердых растворов. При бомбардировке материала катода ионами тяжелых газов или при нагреве его разрядом до температуры свыше 470 К наблюдается обратное выделение легких газов. Тяжелые инертные газы — аргон, криптон и ксенон — откачиваются благодаря адсорбции ионов катодом. Вследствие больших молекулярных размеров диффузия этих газов в катод затруднена, и первоначально высокая быстрота действия насоса по газам резко уменьшается. Поглощение этих газов происходит в основном на периферийных участках ячеек катодов, куда наносится титан, интенсивно распыляемый тяжелыми ионами из центральных частей ячеек катодов. При откачке аргона с давлением около 10 3 Па и при длительной откачке воздуха с давлением больше I О 3 Па, содержащего 1% аргона, наблюдается резкое периодическое повышение давления, называемое аргонной нестабильностью. Тем не менее присутствие аргона с парциальным давлением меньше 10_3 Па при периодическом обезгазивании насоса оказывается полезным, так как при этом интенсифицируется распыление материала катода и увеличивается скорость откачки активных газов.

Таким образом, важной особенностью магниторазрядных насосов является своеобразная авторегулировка скорости испарения материала катодов, обеспечивающая экономное расходование материала и большой срок службы насоса. Поскольку ионный ток приблизительно пропорционален давлению, он часто используется для оценки давления в насосе и откачиваемом сосуде. Простота устройства и возможность работы в любом положении также выгодно отличают магнитные электроразрядные насосы от других.
Для понимания работы магниторазрядных насосов, помимо различий в механизме поглощения различных газов, необходимо иметь в виду изменение характера газового разряда с изменением давления. При давлении больше 10“' Па ток разряда велик вследствие большой электропроводности разрядного промежутка; чтобы разряд при этом не перешел в дуговой, ток разряда специально ограничивается (в малых насосах используется балластное сопротивление, в крупных насосах используют более сложные электрические цепи), что приводит к уменьшению падения напряжения на разрядном промежутке. При этом уменьшается энергия ионов и, следовательно, резко снижается скорость распыления материала катодов. Поэтому быстрота действия насоса при высоких давлениях невелика, а относительно большой ток вызывает разогрев электродов и сильное газовыделение, вследствие чего давление в системе повышается. В этих условиях целесообразно продолжать откачку насосом предварительного разрежения до начала периода пуска, когда эффект откачки магнитным электроразрядным насосом становится заметным.

В период пуска, который может продолжаться от нескольких минут до нескольких часов в зависимости от состояния насоса, давление понижается от 10“2 до 1 Па и разряд принимает форму, характерную для высокого вакуума. Сопротивление разрядного промежутка увеличивается, ток уменьшается, и происходит рост анодного напряжения, что ведет к увеличению быстроты действия насоса. Период пуска завершается относительно быстрым переходом в область высокого вакуума; ток продолжает уменьшаться пропорционально давлению, анодное напряжение и быстрота действия насоса достигают номинальных значений.

Конструкции и характеристики. Конструкции магниторазрядных насосов довольно разнообразны, что объясняется различиями в условиях их применения. В одних случаях от насоса требуется длительная работа в области предельно низких давлений, в других — насос должен использоваться в циклических производственных процессах с частыми пусками, в ряде случаев от магнитного электроразрядного насоса требуется повышенная эффективность откачки инертного газа и т. п.

Во всех отечественных магнитных электроразрядных насосах геометрические размеры ячейки примерно одинаковы и быстрота действия одной ячейки составляет примерно 1 л/с. Поэтому для получения высокой быстроты действия в насосах используется несколько электродных блоков, каждый из которых содержит большое количество ячеек.

Как отмечалось, недостатком магниторазрядных насосов является длительный период пуска. Кроме того, прохлаждаемые диодные магнитные электроразрядные насосы не могут длительно работать при давлениях больше 10_3 Па из-за перегрева электродов. Этот недостаток устранен в диодных магнитных электроразрядных насосах с водяным охлаждением анодов электродного блока, что позволяет успешно запускать эти насосы при давлении меньше 5 Па и длительно работать при давлении 10 1 Па. В насосах с водоохлаждаемым анодом, в отличие от диодных неохлаждаемых насосов, высокое отрицательное напряжение подается на катоды, изолированные от корпуса, а анод насоса заземлен.

Существует серия магнитных электроразрядных насосов с охлаждаемыми анодами. Состав остаточных газов в хорошо обезгазенной системе, откачиваемой магнитным электроразрядным насосом, состоит из обычно присутствующих во всех вакуумных системах водорода, азота, окиси углерода, аргона и метана. Разработанные блоки питания к магнитным электроразрядным насосам имеют по мощности такие характеристики, при которых максимальная мощность выделяется при наибольших давлениях устойчивой работы. С увеличением мощности блока питания возрастает быстрота действия насоса в области высоких давлений, но одновременно возрастают габариты и масса источника питания, тепловыделение на электродах насоса и возникает опасность возникновения дугового разряда между электродами. В связи с этим обычно разрядный ток для диодных неохлаждаемых насосов, приходящийся на одну ячейку, ограничивают сверху 0,5 мА, для охлаждаемых диодных насосов — 3 мА и триодных насосов — 4 мА.
Практические указания по эксплуатации. Поскольку состояние внутренних поверхностей магнитного электроразрядного насоса оказывает решающее влияние на его работоспособность, нельзя допускать попадания в насос загрязнений. При кратковременных вскрытиях на атмосферу вакуумной системы с магнитным электроразрядным насосом желательно заполнять ее осушенным воздухом или азотом для предотвращения попадания в насос влаги; в вакуумных системах, длительное время соприкасающихся с атмосферным воздухом, желательно иметь кран между насосом и системой. Совершенно недопустима предварительная откачка вакуумной системы насосами с масляным уплотнением, не защищенными надежной ловушкой, так как это приводит к загрязнению вакуумной системы и магнитного электроразрядного насоса углеводородами. Лучше всего для этой цели использовать адсорбционные насосы. После кратковременного вскрытия на атмосферу чистой установки с работавшим магниторазрядным насосом время пуска в небольших системах не превышает нескольких минут, в крупных — около 30 мин. У нового, еще не работавшего или загрязненного насоса время пуска значительно больше за счет сильного газовыделения поверхностей.

Улучшить характеристики насоса в области низких давлений можно путем аргонной обработки. Для этого в работающий магнитный электроразрядный насос через нагекатель впускается аргон (давление 5 х 10ч - 5 Па), который в это же самое время откачивается вспомогательным насосом.

Продолжительность аргонной обработки — около одного часа. Интенсивное ионное распыление при аргонной обработке создает на электродах свеже-напыленные слои титана, не содержащие сорбированных газов, одновременно происходит обезгазивание насоса прогревом энергией, выделяющейся на электродах. После аргонной обработки насос быстро достигает низких давлений. Следует иметь в виду, что длительная работа насоса при высоких давлениях (порядка 1—10 1 Па) создает условия для попадания проводящего слоя титана на изоляторы и приводит к замыканиям в электродной системе. Запуск магнитного электроразрядного насоса значительно облегчается при понижении начального давления до значений ниже 10 1 Па.

При сильном загрязнении тяжелыми углеводородами (парами масла) выход насоса на рабочий режим может оказаться невозможным. Наиболее простым способом восстановления такого насоса является прогрев его до температуры около 700 К на воздухе (или в окислительной атмосфере) для разложения углеводородов. При этом на титане образуются пленки окислов, и период пуска затягивается. При переборке насоса титановые и стальные детали подвергают механической очистке, травлению в кислотах, промывают растворителями и водой, сушат в чистом теплом воздухе. Насос следует собирать в чистых условиях и как можно быстрее запустить в работу, подвергнув предварительно прогреву при температуре около 700 К под откачкой адсорбционным, турбомолекулярным или пароструйным диффузионным насосом с надежной ловушкой.

Долговечность насоса, определяемая обычно местным разрушением катодов, очень велика и составляет десятки тысяч часов при работе на давлениях меньше 10”4 Па. В случае откачки большого количества водорода долговечность насоса может сильно уменьшиться из-за коробления катодов (в результате насыщения водородом) и замыкания электродной системы. При этом необходима смена катодов. Замыкание электродов может произойти также из-за отслаивания пленки титана с анода после длительной работы насоса.

Насос — машина, перемещающая воду в трубе и сгущающая или разрежающая газы. Среди водяных насосов выделяют по способу их работы: всасывающие, нагнетательные и нагнетательно-всасывающие. Принцип работы всех их заключается в разрежении воздуха, который находится внутри цилиндра, при помощи передвигающегося поршня, который снабжен соответствующими клапанами особого устройства. Благодаря их действию вода первоначально заменяет по расположению удаленный воздух (причем не выше, чем на шести-восьми-метровой высоте), а потом выгоняется оттуда либо поступает в выводное отверстие.

По роду действующей силы различают ручные и паровые насосы. Из категории воздушных насосов более совершенными считаются насосы Н. Менделеева, Гейсслера и некоторые другие модели. Их действие основано на всасывающем эффекте, который создается струей ртути, которая постепенно падает внутри трубки, соединенных с резервуаром, где располагается разрежаемый газ. Таким образом, насосы представляют собой устройства, осуществляющие непрерывное нагнетание, сжатие либо отсасывание текучих сред с использованием механических или иных средств.

Различаются насосы для жидкостей и насосы или иные похожие устройства, применяемые с целью нагнетания либо отсасывания газа и пара, а именно — компрессор, вентилятор, воздуходувка, вакуум-насос и некоторые другие устройства.

Насосы (как гидравлические машины, аппараты или приборы) осуществляют напорное перемещение (а именно всасывание или нагнетание) прежде всего капельной жидкости, сообщая ей какую-либо долю внешней энергии (которая, в свою очередь, может быть потенциальной либо кинетической).
Различные же устройства или приспособления, используемые с целью безнапорного передвижения жидкостей, насосами обычно не называются и относятся к другой категории устройств, например, водоподъемные машины.

Основным параметром насоса является то количество жидкости, которое он перемещает за единицу времени, т. е. основным параметром служит объемная подача, которая осуществляется насосом и обозначается как Q. Большинство насосов также характеризуются такими важными техническими параметрами, как развиваемое ими давление (обозначается латинской буквой р) и соответствующий насосу напор (обозначается латинской литерой Н), а также другой важной характеристикой — потребляемой мощностью (обозначается буквой N) и коэффициентом полезного действия (обозначается буквой h).

Название магнитных электрозарядных насосов имеет обязательное определение, характеризующее принцип действия насосов (к примеру, центробежные или электромагнитные), или какие-то особенности конструкции (ведь насос может быть горизонтальным, зубчатым, шиберным и т. д.), или среду, которая подается насосом (к примеру, грунтовой насос). Порой, однако, в определительном слове фиксируется назначение либо область, в которой применяется насос (к примеру, лабораторные, дозировочные), а также тип привода (он может быть ручным или с электроприводом), в названии насоса может быть также запечатлено и имя его изобретателя- (в качестве примера можно привести насос Гемфри), и название фирмы-изготовителя (насос СИХИ — по начальным буквам в словах Simen Hinsch, в названии насоса Фарко отражено имя владельца завода).

Но некоторые из устройств, которые нами рассматриваются, получили совершенно особенные названия. В качестве примера можно привести газлифт, а одну из его конструкций называют маммут-насосом, или насосом Маммута; среди вытеснителей имеется монжус, который называют также насосом Монтежю, или пневматический насос; гидроэлеваторы, инжекторы и эжекторы, которые являются видами струйных насосов.

Под общим термином «насос» известны некоторые устройства, которые предназначены совсем для других в отличие от обыкновенных насосов целей. Среди них, к примеру, вакуумный насос, который предназначен для удаления газа из замкнутого объема, а также тепловые насосы — установки, используемые с целью передачи тепла из окружающей среды (например, из воздуха либо воды), которые имеют низкие значения температуры, к объектам с большей температурой (к примеру, к воде внутри отопительной системы). Насосы магнитного потока осуществляют периодическое изменение магнитного потока внутри какой-либо замкнутой цепи.

Что же касается классификации устройств, используемых с целью напорного перемещения жидкости, то они разделяются на разновидности, выделяемые по разным свойствам, к примеру, по механизму действия и по конструкции. Все насосы могут быть условно разделены на две основные группы: это насосы-машины, которые приводятся в действие за счет работы двигателей, и насосы-аппараты, действие которых основано на иных источниках энергии, такие насосы не обладают движущимися рабочими органами.
Насосы-машины могут быть лопастными (а среди них центробежными, осевыми, вихревыми), поршневыми, роторными (т. е. шестеренными, коловратными, пластинчатыми, винтовыми). Насосы-аппараты могут быть представлены струйными насосами (жидкостными и газожидкостными), газлифтами (в том числе эрлифтами), вытеснителями (в том числе паровыми и газовыми), гидравлическими таранами, магнитогидродинамическими насосами и другими видами. При этом у насосов всех типоразмеров имеются условные обозначения (т. е. марки), которые состоят обычно из набора букв и цифр. Изобрели насосы в глубокой древности. Первые насосы предназначались для тушения пожара. Это изобретение принадлежит древнегреческому механику Ктесибию, его описал в I в. до н. э. древнегреческий ученый Герон из Александрии в своем труде «Pneumatica», позже изобретение было описано М. Витрувием в произведении «De Architecture». Простейший деревянный насос, снабженный проходным поршнем, использовался для подъема воды из колодца. Использование водоподъемных машин до начала восемнадцатого века значительно преобладало над использованием поршневых насосов. Позже из-за роста потребности в воде и необходимости увеличения высот, на которые она (вода) должна была подаваться, и тем более вслед за появлением паровой машины, насос постепенно стал вытеснять водоподъемную машину. Стали разнообразными требования, предъявляемые к насосам, условия, в которых применялись эти устройства, и наряду с поршневыми насосами стали создаваться вращательные насосы, различные приспособления для напорной подачи воды. Таким образом, исторически было намечено три основных направления в дальнейшем развитии насосов — конструирование поршневых насосов, вращательных насосов, а также гидравлических установок без каких-либо подвижных рабочих органов.


ПОДЕЛИСЬ!