Принцип действия и ключевые отличия
Магнитные электроразрядные насосы представляют собой современный тип вакуумных насосов, в которых для создания глубокого вакуума используется комбинация электрического разряда и магнитного поля. Их принципиальное отличие от более ранних ионно-геттерных насосов заключается в способе получения активных титановых плёнок. Если в ионно-геттерных насосах титан испаряется термическим способом, то в магнитных электроразрядных для этого применяется явление катодного распыления (спаттеринга), инициируемое газовым разрядом в магнитном поле. Это инженерное решение позволило устранить серьёзный недостаток — наличие накалённых элементов в электродной системе, что повысило надёжность и долговечность устройства.
Устройство и физика процесса
Базовая схема диодного магнитного электроразрядного насоса включает в себя анод, собранный из множества отдельных разрядных ячеек, и общие титановые катоды, расположенные с их открытых торцов. Вся эта система помещается в магнитное поле, силовые линии которого направлены перпендикулярно плоскости катодов.
При подаче высокого напряжения (порядка нескольких киловольт) в ячейках возникает и поддерживается газовый разряд. Благодаря магнитному полю, которое удерживает электроны на спиральных траекториях, разряд стабилен в широком диапазоне давлений. Образующиеся в плазме разряда положительные ионы газов ускоряются электрическим полем к катодам. При соударении с поверхностью катода они не только внедряются в него, но и выбивают атомы титана — происходит катодное распыление. Распылённый титан осаждается в основном на аноде, образуя свежие активные плёнки.
Механизм откачки различается в зависимости от типа газа:
- Активные газы (кислород, азот): химически связываются с титановой плёнкой на аноде, образуя стабильные соединения (оксиды и нитриды).
- Многоатомные газы и пары (вода, CO₂, углеводороды): диссоциируют (распадаются) в разряде, а их ионы-осколки также участвуют в распылении титана.
- Лёгкие инертные газы (водород, гелий): слабо распыляют катод. Основной механизм их откачки — внедрение ионов в материал катода и последующая диффузия вглубь. Однако их откачка может быть нестабильной, особенно для гелия.
- Тяжёлые инертные газы (аргон, криптон): откачиваются преимущественно за счёт ионной имплантации в катод. Их большие размеры затрудняют диффузию, что приводит к быстрому насыщению поверхностного слоя и снижению скорости откачки. При работе с аргоном может наблюдаться явление «аргонной нестабильности» — резкие периодические скачки давления.
Конструктивное разнообразие и эксплуатационные режимы
Конструкции магнитных электроразрядных насосов варьируются в зависимости от задач: работа в условиях сверхвысокого вакуума, циклические режимы с частыми пусками или эффективная откачка инертных газов. Базовым строительным блоком является разрядная ячейка со скоростью откачки около 1 л/с. Для увеличения общей производительности насосы собирают из множества таких ячеек, объединённых в электродные блоки.
Работа насоса характеризуется несколькими режимами:
- Период пуска: Критическая фаза при запуске из атмосферного давления. При высоком давлении (>10⁻¹ Па) разрядный ток велик, но энергия ионов мала, что снижает распыление титана и эффективность откачки. На этом этапе необходим насос предварительного разрежения.
- Переход в рабочий режим: По мере снижения давления сопротивление разрядного промежутка растёт, напряжение на аноде увеличивается, что приводит к росту скорости распыления титана и, как следствие, к увеличению быстроты действия насоса.
- Рабочий режим высокого вакуума: Ток разряда становится пропорционален давлению, что позволяет использовать его для косвенного измерения вакуума. Насос выходит на номинальные параметры.
Для работы при повышенных давлениях и сокращения времени пуска разработаны насосы с водяным охлаждением анода. В них, как правило, высокое отрицательное напряжение подаётся на изолированные катоды, а анод заземлён.
Практические аспекты эксплуатации и обслуживания
Чистота внутренних поверхностей насоса — залог его эффективной работы. Категорически недопустимо попадание в насос паров масел или других загрязнений. Для предварительной откачки рекомендуется использовать адсорбционные, турбомолекулярные насосы или диффузионные насосы с надёжными ловушками.
Для восстановления характеристик и очистки электродов применяется аргонная обработка: в работающий насос впускается небольшое количество аргона, ионы которого интенсивно распыляют загрязнённые поверхности, обновляя титановое покрытие и удаляя сорбированные газы.
В случае сильного загрязнения (например, маслом) насос может потребовать разборки, механической и химической очистки деталей с последующей просушкой и прогревом. Срок службы насоса при работе в высоком вакууме исчисляется десятками тысяч часов и ограничивается в основном местным разрушением катодов или их короблением при откачке больших количеств водорода.
Насосы: общая классификация и историческая справка
В широком смысле насос — это машина или устройство для напорного перемещения жидкостей или газов, сообщающее им дополнительную энергию. Классификация насосов обширна и может основываться на механизме действия (лопастные, поршневые, роторные), принципе работы (машины с двигателем или аппараты без движущихся частей, как струйные), назначении или типе перекачиваемой среды.
История насосов начинается в глубокой древности. Первые поршневые насосы для тушения пожаров и подъёма воды были описаны ещё Ктесибием и Героном Александрийским. С развитием техники, особенно с появлением парового двигателя, насосы эволюционировали от простых водоподъёмных машин к сложным устройствам, способным создавать глубокий вакуум, что и воплотилось в современных магнитных электроразрядных насосах.