Откачное вакуумное устройство Российский патент 2023 года по МПК F04B37/14 

Предлагаемое откачное вакуумное устройство (вакуумный насос) относится к области технической физики и может быть использовано для откачки газов и поддержания вакуума в вакуумных системах.

Известное устройство (патент SU 140253, G01L 21/32, «Манометрическая лампа типа Байярда-Альперта», дата подачи заявки: 1960.12.09, опубликовано 1961.01.01), вакуумметр Байярда-Альперта, работает на том же принципе ионизации молекул газа, и может применяться для вакуумной откачки. Анод представляет собой закрученную в спираль проволоку, расположенную внутри стеклянного цилиндрического баллона. Нитевидный прямонакальный катод располагается ближе к стенке баллона, снаружи анода. Откачка происходит следующим образом. Под действием напряжения в несколько сотен вольт, приложенного между катодом и анодом, электроны, эмитировавшие с поверхности разогретого катода, описывают длинные траектории вокруг анода, не попадая на него. Именно благодаря большой длине траектории у каждого электрона есть заметный шанс столкнуться с атомом газа и ионизовать его. Большинство положительных ионов, образующихся снаружи проволочного анода, будет захватываться токопроводящим слоем окисла олова (назовем его коллектором ионов), нанесенным на внутреннюю поверхность стеклянного баллона и находящимся при нулевом потенциале. В этом, собственно, и состоит эффект откачки прибора Байярда-Альперта. Лишь малая часть ионов, образовавшихся во внутреннем объеме анода, поступает на тонкую проволоку, расположенную на оси симметрии баллона. По величине тока этих ионов определяют уровень вакуума.

С помощью такой ионной откачки в малых объемах можно получать и поддерживать высокий вакуум с давлением вплоть до 10^-9 Па. Однако средняя быстрота откачки ионного насоса невысока (около 10^-4 м3/сек), а общая газопоглощающая емкость составляет всего около 1000 молей. Другим недостатком прототипа является его инерционность, определяемая временем разогрева термокатода и составляющая доли секунды. Существенным недостатком прибора Байярда-Альперта является то, что на нагрев катода для поддержания термоэмиссии постоянно приходится тратить энергию. В известном устройстве типа "ИМ-12" на накал катода требуется 1,5-2,0 Вт энергии.

Еще одним существенным недостатком прибора Байярда-Альперта является его принципиальная невозможность миниатюризации до совмещения с МЭМС системами.

Прототип. Существует другое известное устройство, работающее на том же принципе ионизации молекул газа, так называемый магниторазрядный насос (патент RU 2603348 С2, H01J 41/18, H01F 7/02, «Магниторазрядный насос» дата подачи заявки: 2015.03.26, опубликовано: 2016.11.27). Работа насоса основана на поглощении газов титаном, распыляемым при высоковольтном разряде в магнитном поле. Разряд горит между двумя параллельными плоскими титановыми катодами и расположенным между ними медным ячеистым анодом. Основным механизмом при откачке активных газов является хемосорбция газов непрерывно напыляемой на аноде пленкой титана. Наряду с этим в магниторазрядных насосах имеет место проникновение ионов в материал катода. Однако, оба механизма откачки предполагают, как необходимые компоненты, ионизацию молекул откачиваемого газа и направление полученных ионов к некоторому элементу конструкции насоса, на котором молекулы будут закреплены.

С помощью магниторазрядных насосов можно получать и поддерживать высокий вакуум с давлением вплоть до 10^-8 Па. Средняя быстрота откачки у них значительно выше и измеряется десятыми долями кубического метра в секунду (например, насосы типа "НМД-0,16-1" или "НМДО-0,1-1" имеют быстроту откачки соответственно 0,16 м³/сек и 0,1 м³/сек).

Однако, для достижения такой быстроты откачки требуется довольно большая мощность, которая зависит от уровня вакуума в откачиваемом объеме. Например, при изменении давления остаточных газов от 10^-4 Па до 10^-7 Па потребляемая мощность изменяется приблизительно (с точностью плюс-минус 100%) от 10 Вт до 0,05 Вт.

Принципиальным недостатком магниторазрядного насоса является то, что для поддержания разряда в вакууме анод и катод должны находиться в сильном магнитном поле, для создания которого используются тяжелые постоянные магниты. Так, вес вышеупомянутых насосов в сборе составляет 40-80 кг. Таким образом, практически оказывается невозможным использование магниторазрядных насосов в космических исследованиях и технологиях, а также в любых других вакуумных технологиях с существенным ограничением веса используемой аппаратуры.

Вторым принципиальным недостатком магниторазрядного насоса является необходимость собственно магнитного поля, вне зависимости от того, каким способом оно получено. В отличие от электростатического поля, магнитное поле трудно экранировать. Специальные экраны (например, сделанные из пермаллоя), во-первых, добавляют вес, измеряемый десятками и сотнями грамм, к конструкции насоса, во-вторых не полностью нейтрализуют магнитные поля, особенно если эти поля имеют большую напряженность, какая требуется для работы магниторазрядного насоса, а в-третьих очень чувствительны к любым механическим воздействиям (например, ударам).

Третьим существенным недостатком магниторазрядных насосов является их принципиальная невозможность миниатюризации, так как для эффективной работы разрядного насоса необходимы высокие энергии ионов и, соответственно высокие прикладываемые внешние напряжения. Абсолютно ясно, что высокие напряжения принципиально не совместимы с маленькими размерами из-за возникновения электрических пробоев.

Техническая проблема, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в увеличение производительности при миниатюризации размеров.

Технический результат достигается предлагаемым откачным вакуумным устройством, состоящим из эмиттера электронов - катода, электрода, находящегося под положительным относительно катода потенциалом - анода, и коллектора ионов, охватывающего катод и анод, и находящегося под отрицательным по отношению к катоду потенциалом, согласно изобретению, устройство имеет ось симметрии, катод с металлической сеткой и коллектор имеют форму прямоугольных параллелепипедов, анод расположен внутри катода и выполнен в виде двух металлических проволок, электрически соединенных друг с другом и натянутых параллельно оси симметрии устройства, причем катод покрыт наноструктурированной пленкой из углерода или материала, снижающего пороговую для полевой эмиссии электронов напряженность электрического поля, части проволок имеют прямолинейную форму для точного фиксирования их положения, а снаружи катод охвачен массивным коллектором ионов.

В предлагаемом откачном вакуумном устройстве при сохранении осевой симметрии катод и коллектор имеют форму прямоугольных параллелепипедов, причем плоскость, в которой лежат оси двух проволок анода, параллельных оси симметрии устройства, параллельна также одной из граней параллелепипедов.

Предлагаемое изобретение обеспечивает:

полное устранение энергозатрат на поддержание катода в горячем состоянии;

увеличение в 3-10 раз быстроты откачки;

уменьшение времени, необходимого для выхода прибора на рабочий режим;

увеличение газопоглощающей емкости в любое число раз за счет сменности газопоглощающего элемента;

многократное (более, чем в сто раз) снижение веса устройства за счет устранения тяжелых постоянных магнитов;

отказ от использования магнитного поля как элемента, необходимого для работы устройства и одновременно пагубно влияющего на работу других электронных устройств, расположенных недостаточно далеко от насоса;

уменьшение энергопотребления насоса при той же быстроте откачки за счет увеличения длины траектории эмитировавшего электрона за время от момента эмиссии до момента соударения его с анодом или катодом.

отсутствие необходимости для работы устройства высоких значений прикладываемых внешних напряжений и, как следствие, возможность изготавливать миниатюрные варианты насоса;

возможность миниатюризации без снижения эффективности работы.

Конструкция устройства и принцип действия поясняются фигурами.

На Фиг. 1 представлен вариант вакуумного откачного устройства, где:

1. анод, выполненный в виде двух металлических проволок;

2. прямоугольный металлический сетчатый катод (активное вещество нанесено на нижнюю поверхность);

3. прямоугольный металлический коллектор ионов.

На катод 2, выполненный из проводящего материала, высаживается эмитирующая пленка, которая может представлять собой наноструктурированный углеродный материал (например, слой нанотрубок) или любое другое (наноструктурированное) покрытие, основное назначение которого - снижение пороговой напряженности электрического поля, обеспечивающего полевую эмиссию электронов из катода. Внутри катода расположен анод 1, в виде пары вольфрамовых (металлических) проволок, натянутых параллельно оси симметрии всей системы. Снаружи катод охвачен массивным коллектором ионов 3.

Продольная длина системы принципиально ничем не ограничена и может значительно превышать размер ее поперечного сечения (например, с характерным размером 6x4 мм), что дает возможность увеличивать эмитирующую поверхность без увеличения зазора "катод-анод". Прямолинейная форма частей анода позволяет точно зафиксировать их местоположение даже при большом отношении длины к диаметру катода при условии обеспечения их достаточного продольного натяжения.

Рассмотрим теперь, как работает предлагаемое устройство. Под действием потенциала UAC, приложенного между катодом и анодом, электроны эмитируют с поверхности катода и совершают движение по сложным траекториям в области внутри катода. С одной стороны, обратно на катод электроны попасть не могут из-за нехватки кинетической энергии. С другой стороны, моделирование показало, что если проволоки анода достаточно тонкие (например, их диаметр DA меньше одной сотой внутреннего диаметра катода DC), то существуют такие осесимметричные варианты взаимного геометрического расположения катода и частей анода, при которых длина траекторий в отсутствие соударений электронов с молекулами газа составляет не менее 100000 диаметров катода. Значительная длина траекторий обеспечивается тремя факторами:

1. За счет того, что электроны при приближении к катоду движутся не по нормали к его поверхности, не вся их кинетическая энергия может быть потрачена на то, чтобы электроны могли преодолеть тормозящий потенциал UAC и попасть на катод.

2. За счет того, что проволоки анода достаточно тонкие (например, их диаметр DA<0,001*DC) и геометрически расположены согласно проведенным расчетам, вероятность попадания электрона на анод, при давлении остаточного газа не более 10^-8 Па составляет не более 0,0001%.

На Фиг. 2 продемонстрированы результаты расчета траекторий электронов, эмитировавших с катода. Расчет производился в пренебрежении движением частиц вдоль оси симметрии. Согласно расчетам, принимая сечение рассеяния молекул воздуха равным 10^-8 мм², вероятность того, что каждый эмитированный электрон столкнется на своем пути с молекулой (и, как следствие этого, ионизует ее), составляет 99%. Таким образом, эффективность использования источника питания, предназначенного для отрыва электронов от катода и их ускорения, также составляет 99%.

Минимальная напряженность поля, при которой начинается полевая эмиссия из металлов, составляет 10⁵-10⁶ В/мм. Если бы катод был выполнен из любого чистого металла или сплава, в предлагаемой геометрии между катодом и анодом следовало бы прикладывать UAC>2-4×l0⁶ В. Для того, чтобы подвести такой потенциал сквозь стенку вакуумной камеры, требуются специальные дорогостоящие меры, существенно утяжеляющие конструкцию насоса. В случае работ в космосе это было бы просто невозможно. Покрытие поверхности катода наноструктурированным слоем углерода или, возможно, иным наноструктурированным веществом, снижает (или, возможно, может снизить) порог полевой эмиссии более, чем в 1000 раз.

Экспериментальная проверка работоспособности предлагаемого устройства [Архипов А.В., Габдуллин П.Г., Мишин М.В., Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. Физико-математические науки. 2015. №1 (213). С.102-108.] показала, что при DC=6 мм оно работоспособно в диапазоне давлений 10^-5 - 10^-3 Па.

Изобретение относится к области технической физики и может быть использовано для откачки газов и поддержания вакуума в вакуумных системах. Откачное вакуумное устройство состоит из эмиттера электронов – катода 2, электрода, находящегося под положительным относительно катода потенциалом, – анода 1 и коллектора ионов 3, охватывающего катод 2 и анод 1 и находящегося под отрицательным по отношению к катоду 2 потенциалом. Устройство имеет ось симметрии. Катод 2 с металлической сеткой и коллектор 3 имеют форму прямоугольных параллелепипедов. Анод 1 расположен внутри катода 2 и выполнен в виде двух металлических проволок, электрически соединенных друг с другом и натянутых параллельно оси симметрии устройства. Катод 2 покрыт наноструктурированной пленкой из углерода или материала, снижающего пороговую для полевой эмиссии электронов напряженность электрического поля. Части проволок имеют прямолинейную форму для точного фиксирования их положения. Снаружи катод 2 охвачен массивным коллектором ионов 3. Изобретение направлено на увеличение производительности при миниатюризации размеров. 2 ил.

Откачное вакуумное устройство, состоящее из эмиттера электронов - катода, электрода, находящегося под положительным относительно катода потенциалом, - анода и коллектора ионов, охватывающего катод и анод и находящегося под отрицательным по отношению к катоду потенциалом, отличающееся тем, что устройство имеет ось симметрии, катод с металлической сеткой и коллектор имеют форму прямоугольных параллелепипедов, анод расположен внутри катода и выполнен в виде двух металлических проволок, электрически соединенных друг с другом и натянутых параллельно оси симметрии устройства, причем катод покрыт наноструктурированной пленкой из углерода или материала, снижающего пороговую для полевой эмиссии электронов напряженность электрического поля, части проволок имеют прямолинейную форму для точного фиксирования их положения, а снаружи катод охвачен массивным коллектором ионов.