МАГНИТНЫЙ ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫЙ МИКРОНАСОС Российский патент 2004 года по МПК H02K44/02 

Изобретение относится к вакуумной технике, в частности, к электрофизическим насосам [Саксаганский Г.Л. Электрофизические вакуумные насосы. М.: Энергоатомиздат, 1988 г.]. Основные области его применения - электронное приборостроение и микромеханика. Микронасос содержит диодную электродную систему: анод и два катода, расположенные по торцам полого цилиндрического анода на малом расстоянии от него. По оси диодной электродной системы создают магнитное поле, которое удерживает плазму газового разряда внутри анода.

Особенностью конструкции микронасоса являются: одиночная разрядная ячейка и малые зазоры между анодом и катодами - порядка 1,5 мм, а также размеры этой ячейки: диаметр анода 5 мм, длина анода 5 мм. Габариты микронасоса с магнитной системой: 35×29×12 мм.

Недостатком насосов с миниатюрным корпусом является затрудненный их запуск при давлениях ниже 10^-2 Па, когда время ожидания запуска после включения анодного напряжения может составлять десятки минут или даже часов.

Для преодоления этого недостатка в насосах применяют специальные устройства с радиоактивными элементами. В результате их β-излучения в разрядном промежутке всегда присутствуют электроны, инициирующие пробой этого промежутка и запуск насоса после подачи анодного напряжения. Близким по технической сущности и достигаемым результатам является магниторазрядный насос с дополнительным β-источником [Саксаганский Г.Л. Электрофизические вакуумные насосы. М.: Энергоатомиздат, 1988 г.]. Испускаемые этим источником электроны стимулируют запуски насоса при давлениях ниже 10^-3 Па. Однако использование радиоактивных инициаторов требует соблюдения всех правил по работе с радиоактивными веществами и усложняет проведение профилактических мероприятий.

Из известных конструкций магнитных электроразрядных насосов наиболее близким по технической сущности к данному изобретению является миниатюрный магниторазрядный насос [Даниловский Г.Л., Лукьянов С.П., Рудницкий Е.М. Миниатюрный магниторазрядный насос. Электронная промышленность. М., Ин-т “Электроника”, №7, 1984 г., с.19-20.], имеющий корпус, магнитное поле, направленное по оси анода, и два титановых катода.

Основными недостатками прототипа являются: длительность периода запуска микронасоса при давлении менее 10^-2 Па и малая скорость откачки при давлении порядка 10^-1 Па.

Малые зазоры и обусловленные ими ограничения по анодному напряжению (+2 кВ) не позволяют осуществить запуск микронасоса в области высокого вакуума. Согласно зависимости Пашена [Сливков И.Н., Михайлов В.И., Сидоров Н.И., Настюха А.И. Электрический пробой и разряд в вакууме. М., Атомиздат, 1966 г. - с.230-234] при таком зазоре “анод-катод” запуск невозможен, так как произведение давления ниже 10^-2 Па на величину зазора соответствует области вакуумной изоляции.

Известно [Саксаганский Г.Л. Электрофизические вакуумные насосы. М.: Энергоатомиздат, 1988 г., с.199-200], что для запуска желательно инжектировать в зазор между анодом и катодом заряженные частицы или кратковременно повысить давление в насосе.

Задачей изобретения является достижение малого времени ожидания запуска микронасоса при давлениях ниже 10^-3 Па без использования радиоактивных веществ и повышение скорости откачки при давлениях в диапазоне 10^-1-50 Па.

Поставленная задача решается введением в конструкцию микронасоса дополнительных деталей, являющихся источниками формирования инициаторов запуска в высоком вакууме, а также заменой материала анода с целью повышения скорости откачки.

Дополнительными деталями в микронасосе являются: конусный элемент на одном титановом катоде и магниевая вставка на другом титановом катоде. Обычно используемая в электроразрядных насосах для анода нержавеющая сталь заменена на титан.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлен разрез микронасоса. Позиции на чертеже обозначают:

1 - корпус микронасоса, изготовленный из немагнитного металла, в частности, из нержавеющей стали 12Х18Н9Т;

2 - вставка магниевая: магний марки Мг95 обладает высокой упругостью пара при повышенных температурах и большим коэффициентом ионного распыления; он активно взаимодействует с компонентами остаточной газовой среды, в частности, с углеводородами, что повышает быстроту действия микронасоса;

3 - высоковольтный ввод, изготовленный из сплава 29НК, обладающего коэффициентом термического расширения (КТР), близким к КТР керамики;

4 - изолятор керамический высоковольтный, КТР которого близок к КТР металла высоковольтного ввода 3;

5 - анод микронасоса цилиндрический титановый.

(Использование титана для анода способствует развитию разряда при запуске микронасоса в высоком вакууме, это обусловлено выделением из него водорода в результате локального разогрева поверхности анода током автоэлектронной эмиссии с вискеров. Кроме того, разогретый в результате электронной бомбардировки титановый анод поглощает все химически активные газы, что обеспечивает повышение скорости откачки микронасоса в течение всей его работы, особенно в диапазоне давлений 10-10^-2 Па).

6 - катоды микронасоса (в микронасосе 2 катода, располагаемых с зазором по обоим концам анода) титановые из сплава ВТ1-0. Ионное распыление титана является основным механизмом поставки химически активных атомов титана для связывания (“поглощения”) химически активных газов в микронасосе.

7 - конусный элемент из эрбия МП-1, эрбий имеет большой коэффициент распыления и взаимодействует с химически активными газами, связывая их, что увеличивает производительность микронасоса;

8 - магнитная система, состоящая из двух кобальт-самариевых магнитов, закрепляемых на корпусе 1, и создающая магнитное поле по оси анода 5;

9 - откачной патрубок для присоединения насоса к объекту откачки (на чертеже отсутствует).

Микронасос функционирует следующим образом.

Его герметично присоединяют через откачной патрубок 9 к объекту откачки. Объект должен быть затем откачан форвакуумным насосом до давления 10-10^-1 Па. На корпус 1 помещают магнитную систему 8, состоящую из двух кобальт-самариевых магнитов. Подключают источник постоянного тока к высоковольтному вводу 3, соблюдая полярность: плюс - к вводу 3, минус - к корпусу 1 микронасоса. Источник обладает падающей вольт-амперной характеристикой и на холостом ходу имеет на выходе +2 кВ. Подача такого напряжения на анод 5 при давлении 10-10^-1 Па сопровождается возникновением газового разряда между анодом 5 и двумя катодами 6. Плазма разряда существует внутри анода 5 и сжимается магнитным полем в цилиндр, торцевые границы которого отделены от катодов темным пространством. Положительные ионы газов с границ плазмы ускоряются к катодам 6, бомбардируют их, распыляя титановые катоды 6, магниевую вставку 2 и эрбиевый конусный элемент 7. Распыленные нейтральные атомы осаждаются на внутренней поверхности анода 5, связывая остаточные газы в химические соединения, т.е. откачивая их из объема насоса. Поступающие из объекта через откачной патрубок 9 в насос газы также образуют химические соединения.

В потоках распыленных нейтральных частиц имеются положительные ионы титана, магния и эрбия (вторичная ионная эмиссия). Вторичные положительные ионы обладают недостаточной энергией, чтобы достичь анода 5. Тормозящее электрическое поле разворачивает их траектории к катодам 6. На катодах 6 они разряжаются и мигрируют по поверхности катодов, объединяются в кластеры. В результате эпитаксиального роста образуются острийные элементы - вискеры. Напряженность электрического поля на вершинах вискеров достаточна для возникновения автоэлектронной эмиссии [Ненакаливаемые катоды./Под ред. Елинсона. - М.: Советское радио, 1974, с.207-225]. Вискеры разрушаются ионной бомбардировкой, но одновременно растут следующие. Процесс роста вискеров при непрерывном массопереносе в работающем микронасосе стимулируется электрическим полем. Автоэлектронные токи позволяют осуществлять запуски микронасоса в высоком вакууме за единицы секунд.

Технико-экономические преимущества заявляемого микронасоса по сравнению с прототипом, характеризующим существующий уровень техники в области вакуумных насосов, заключается в достижении малого времени запуска микронасосов и в повышении скорости их откачки.

Экспериментальная проверка работоспособности на более чем 100 микронасосах подтвердила эффективность предложенного технического решения, и в настоящее время разработана техническая документация для серийного производства микронасосов данной конструкции.

Изобретение относится к вакуумной технике и может быть использовано в электронном приборостроении и микромеханике. Микронасос включает одну разрядную ячейку, состоящую из цилиндрического титанового анода и двух титановых катодов. По оси ячейки направлено магнитное поле. На первом катоде имеется конусный элемент, выступающий от его плоскости. На втором катоде смонтирована вставка. Конусный элемент изготовлен из эрбия, а вставка - из магния. Их распыление ионами из разряда сопровождается ростом вискеров, которые являются инициаторами запуска микронасоса в высоком вакууме. Технический результат заключается в том, что замена стального анода на титановый существенно повышает скорость откачки, а введение в конструкцию дополнительных элементов с высоким коэффициентом ионного распыления обеспечивает быстрые запуски микронасоса в высоком вакууме. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Магниторазрядный микронасос, содержащий корпус, в котором установлен цилиндрический пустотелый анод, соединенный с высоковольтным вводом, соосно с анодом с зазором по торцам расположены два титановых катода, магнитную систему, создающую магнитное поле вдоль оси анода, и откачной патрубок, отличающийся тем, что он дополнительно содержит конусный элемент, расположенный на первом катоде и выступающий от его поверхности в сторону анода, и магниевую вставку, соосно размещенную на втором катоде.2. Магниторазрядный микронасос по п.1, отличающийся тем, что конусный элемент выполнен из легко распыляемого ионной бомбардировкой металла, в частности эрбия или титана.3. Магниторазрядный микронасос по п.2, отличающийся тем, что анод выполнен из титана.