Ионно-геттерный насос Советский патент 1989 года по МПК H01J41/12 

1 Изобретение относится к технике

получения высокого и сверхвысокого вакуума, в частности к геттерным и ионно-геттерным насосам, и может быть использовано, например для откачки вакуумных объемов ускорителей заряженных частиц, электронных и ионных пушек и других устройств.

Известен ионно-геттерный насос, содержащий герметичный охлаждаемый корпус, испаритель геттера и магниторазрядную ступень откачки.

В этом насосе сорбционная поверхность выполнена в виде двух профили1 9

4ii О 00

рованных охлаждаемых цилиндров,размещенных вокруг испарителя геттера внутри магниторазрядной ступени откачки. Испаритель представляет собой пряг монакальное проволочное устройство.

Достоинством этого насоса является повьш1енная удельная быстрота откачки и возможность откачивания активных и инертных газов. Недостатками этого насоса являются малая бы строта откачки газов магниторазрядной ступенью и малый ресурс катода испарителя, определяемый неравномерностью испарения. Б месте наиболее

интенсивного испарения катода испарителя его сечение начинает уменьшаться быстрее, чем в других местах. В этом месте увеличивается сопротивление и количество вьщеляемого тепла, что приводит к еще более интен-г сивному распылению материала геттера. В результате на катоде выгорает только узкая шейка и он выходит из строя.

Известен ивнно7геттерный насос, содержащий испаритель геттера и магниторазрядную ступень откачки, в котором испаритель геттера выполнен в виде дугового разрядного устройства. Анодом дугового разрядного устройства являются катоды магнитораз- рядной ступени откачки, вьшолненные в виде герметичных охлаждаемых карманов, размещенных симметрично вокруг, .испарителя геттера..

Комбинация магниторазрядного и дугового насосов в одном блоке позволяет повысить эффективность откачки газов за счет потока эле.ктронов с катода дугового испарителя, попадающего в зону высоковольтного разряда магниторазрядной ступени откачки. Повьш1ается надежность насоса, так как исключаются накаливающиеся до высоких температур проволочные элементы, критические к давлению в насосе и не допускающие прорыва атмосферы.

Недостатком этого комбинированного насоса является его невысокая надежность.Она определяется возможносгью запыления магниторазряднь1к ячеек при работе электродугового испарителя и, следовательно, выходом этих ячеек из строя в результате возникновения короткого замыкания между ними. Кроме того, нагрев магниторазрядных ячеек, определяемый работой электродугового испарителя, приводит к снижению их быстроты действия и, следовательно, снижению эффективности работы всего насоса и его ресурса.

Известен также ионно-геттерный насос, .содержащий герметичный корпускатод, выполненный в виде трех полых коаксиальных цилиндров с размещенным на его оси анодным стержнем и магнитную систему, расположенную между внутренним и промежуточным цилиндрами катода и выполненнзпо в виде набора кольцевых магнитов с чередующёйся полярностью, разделенных вставками из магнито-мягкого материала.

Недостатком этого насоса является относительно низкая быстрота геттерной откачки по сравнению с той же величиной, например для насоса, описанного во втором источнике.

Целью изобретения является повышение быстроты откачки и увеличение ресурса ионно-геттерного насоса.

Указанная цель достигается тем, что в ионно-геттерньй насос, содержащий герметичньШ корпус-катод, выполненный в виде трех полых коаксиальньпс цилиндров, с размещенным на его оси анодным стержнем, и, магнит-, ную систему, расположенную между внутренним и промежуточным цилиндрами корпуса-катода, и вьшолненную в виде набора кольЦевых магнитов с чередующейся полярностью, разделенных вставками из магнитомягкого материала, введены электростатический 5 экран, вьпголненный в виде полого цилиндра, коаксиально охватывающего промежуточный цилиндр корпуса-катода и соединенного с анодным стержнем, и электродуговой испаритель геттера, катод которого выполнен в виде полого цилиндра, коаксиально охратьшающего электростатический экран, при этом электростатический экран выполнен из магнитомягкого материала и снабжен кольцевыми вставкамииз немагнитного материала, располо- , женными симметрично относительно перпендикулярных оси плоскостей симметрии магни гов, и выполненными с толщиной, равной 0,2-0,8 толщины Магнитов.

На фиг. представлено предлагаемое устройство.

Насос состоит из магниторазрядных ячеек магнетронного типа, включающих аксиально, расположенные внутренний 1 и внешней 2 электроды. К внешнему электроду магниторазрядньк ячеек подводится от источника питания через стержень 3, расположенный на

оси, положительное напряжение 1 10 кВ по отношению к заземленному внутреннему электроду. Катодом магниторазрядных ячеек, таким образом, является внутренний электрод 1, а анодом-стержень 3 и внешний электрод 2, Магнитора|рядные ячейки, заключенные между стержнем 3 и внутренним электродом 1, представляют собой

инверсный магнетрон, а ячейки, образованные между внутренним электродом 1 и внешним электродом 2 - прямой магнетронi

Величина зазора между катодом и анодом ячеек определяется напряженностью магнитного поля и электрическим напряжением между катодом и анодом. При напряженности магнитного поля 200-800 Э и электрическим напряжением 1-10 кВ величина зазора между катодом и анодом магниторазрядных ячеек составляет 4г-30 мм. Внутренний электрод 1 является одновременно корпусом откачного блока, а внешний 2 - электростатическим экраном цилиндрического катода 4 электродугового испарителя геттера (титана) ,, расположенного аксиально магниторазрядным ячейкам. Внутренний электрод магниторазрядньк ячеек 1 и ,стержень 3 вьшолнены из немагнитного электропроводящего материала, а внешний электрод - из магнитомягкого электропроводящего , материала. Поверхность внешнего электрода магниторазрядных ячеек, обращенная в сторону катода электродугового испарителя покрыта слоем электроизолирующего материала 5. Магнитное поле, необходимое для работы магниторазрядньк ячеек, образуется постоянными магнитами 6, расположенными в полости корпуса откачного блока. Эти магниты собраны одноименными полюсами Навстречу bipyr другу и разделены шайбами 7 из магнитомягкого материала. Внешний электрод магниторазрядньк ячеек снабжен вставками 8, выполненными из немагнитного электропроводящего материала, средние сечения которых совпадают со средними сечениями постоянных магнитов. Величина зазора между внешним электродом магниторазрядных ячеек и катодом электродугового испарителя составляет 2 7 мм. Поджигающее устройство 9, обеспечивающее включение электродугового испарителя, установлено на периферии катода 3 вне зоны испарения; материала этого катода. Характер изменения силовых линий магнитного поля в комбинированном откачном блоке изображен пунктирными линиями.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Вклвдчение электродугового испарителя геттера комбинированного откачного блока производится при давлении остаточных газов не вьш1е 5-10 мм рт.ст. Оно осуществляется подводом импульсного напря-женил порядка 2 кВ к поджигающему устройству 9 от блока поджига дуги. При включении поджигающего устройства возникает вакуумная дуга и образуются катодные пятна, являющиеся непосредственным источником испаряемого материала.

Расположением осесимметричной маг-. нитной системы магнетронных ячеек внутри полого цилиндрического катода испарителя осуществляется магнит5ная стабилизация дугового разряда. Если для устойчивой работы электродугового испарителя титана минимально допустимый рабочий ток составляет 135 А, то при наложении внешнего тан0генциального к катоду магнитного поля с напряженностью 40-150 Э достигается снижение минимально допустимого рабочего тока до 25-50 -.А. Причем увеличение эффективности работы .

5 насосаосуществляется в магнитных полях рассеяния магниторазряднйй ступени откачки без использования дополнительных источников магнитных полей.

0

Наличие внешнего электрода 2 магниторазрядньк ячеек, вьтолненного из магнитного материала и снабженного вставками из немагнитного материала, средние сечения которых совпа5дают со средними сечениями постоянньк магнитов, позволяет реализовать на поверхности испарителя периодическую структуру магнитного поля с несколькими локальными максимума на0пряженности, что приводит к вьфавниванию скорости испарения геттера с поверхности катода, а следовательно, увеличению ресурса. Надежности и эффективности насоса. При отсут5ствии немагнитных вставок на поверхности испарителя вдоль оси реализуется только один максимум напряженности магнитного поля. После поджигания дуги катодные пятна локали0зуются в области этого максимума и вращаются вокруг оси испарителя, вследствие чего на катоде испарителя образуется желоб шириной 5-7 мм, глубиной мм, после образования

5 которого вакуумная дуга гаснет и поджечь ее вновь не удается. При наличии немагнитных вставок и реализации нескольких локальных максимумов напряженности магнитного поля на поверхности испарителя катодные пятна вращаясь вокруг оси, перемещаются от одного локального максимума к другому,равномерно распыляя катод. Для нормально работы испарителя необходимо обеспечить напряженность магнитного поля в локальных максимумах 40-150 Э, что достигается выбором соответствующего расстояния от магнитов до поверхности катода испарителяНаибольщий эффект от немагнитных вставок может быть получен, если их средние сечения совпадают со средними сечениями постоянных магнитов. В этом случае на поверхности катода испарителя формируется магнитный наибольшей плотности. Оптимальная осевая протяженность вставок, установленная экспериментально, составляет 0,2-0,8 осевой толщины постоянных магнитов. При выходе из это го интервала локальные максимумы напряженности магнитного поля на поверхности катода испарителя .снижаются настолько, что эффект, создавае. мый немагнитными вставками, пропада ет и распыление катода испарителя происходит также, как и при отсутствии вставок. В качестве анода электродугового испарителя используется цилиндрическая часть заземленного корпуса ком бинированного откачного устройства (на чертеже не показана). Внешний электрод магниторазрядных ячеек 2, покрытый со стороны катода испарит я слоем электроизолирующего мате риала 5, являетсяодновременно элек тростатическим экраном испарителя и предотвращает возможность переход катодных пятен на внутреннюю и торцовые поверхности катода 4. Таким образом, при поджигании дуги в данном устройстве она горит при малых токах 25-50 А (в зависимости от напряженности магнитного йоля на поверхности .испарителя), иРкатодные пятна дуги равномерно распыляют катод, , Распыленный геттерный материал осаждается на аноде-корпусе и других поверхностйх откачного устройства, покрывая их свеженапыленной пленкой. На пленке геттера происход сорбция (химическое связывание) активных газов. Инертные, газы, не вза имодействуя химически с геттером, практически совсем не откачиваются этой пленкой. После снижения давления остаточных газов до Ю - 10 мм рт.ст. к внешнему электроду 2 и стержню 3 от блока питания ячеек подводится постоянное, положительное относительно, заземленного внутреннего электрода 1 напряжение 1-10 кВ. Меж ду электродом 2 и катодом 1, стержнем 3 и катодом 1 зажигается высоковольтный разряд в скрещенных электрическом и магнитном полях. Электроны, находящиеся в зазоре между электродами 1 и 2, 1 и 3, перемещаются в скрещенных электрическом и магнитном полях. Они ионизуют молекулы остаточного газа. Образовавшиеся ионы ускоряются в сторону внутреннего электрода 1, вызывая его распыление. Часть ионов, имея большие скорости, внедряется в этот, электрод. Поскольку магниторазрядная ступень блока служит в основном для откачки инертных газов (активные газы откачиваются испарителем), откачка в ней производится преимущественно за счет внедрения ионов инертных газов в катод (ионная откачка). Поэтому материал катода (электрода 1) не обязательно должен быть геттером, как это требуется в случае откачки магниторазрядным насосом всех газов, включая активные. В зазор между электродами 1 и 2, 1 и 3 попадают в основном молекулы инертных газов, так как активные газы откачиваются .пленкой геттера, осажденной из катода электродугового испарителя на внутренних-поверхностях откачного устройства. Поэтому быстрота действия магниторазрядных ячеек по инертным газам уйеличивается в сравнении с магниторазрядными ячейками, откачивающими наряду с инертными и активнь1е газы. Запьшение магниторазрядных ячеек испаряемым с поверхности испарителя геттером невозможно из-за отсутствия прямой видимости между испарителем и входным сечением ячеек, по этой же причине отсутствует и нагрев ячеек,приводящий к снижению их быстроты действия. Это приводит к повьш1ению надежности и эффективности работы всего комбинированного блока 9 Для нормальной работы магниторазрядных ячеек необходимо обеспечить в зазоре анод-катод напряженность магнитного поля порядка 200 800 Э. Это поле создается постоянны магнитами 6 с напряженностью 1500 2000 Э на их поверхности. Искривле ние силовых линий магнитного поля в зоне вставок 8 носит локальный характер и практически не сказывает ся на.работе магниторазрядных ячеек Выполнение электрода 2 из магнитомягкого материала концентрирует маг нитное поле в межэлектродном простр стве и, следовательно, увеличивает плотность, а также в диапазоне высокого и сверхвысокого вакуума область объемного заряда, приводя в конечном итоге к существенному увеличению разрядного тока, а это, в свою очередь, ведет к увеличению быстроты, откачки магниторазрядной ступени, т.е. повышению эффективности работы комбинированного блока При подведении к внешнему электроду магниторазрядных ячеек положительного потенциала он продолжает выполнять функции электростатического экрана по отношению к катоду 4 электродугового испарителя из-за наличия электроизолирующего .слоя 5j нанесенного на поверхность электрода 2, обращенную в сторону катода .испарителя. Для этого необходимо, чтобы величина пробивного напряжени слоя 5 была не ниже величины положительного потенциала, приложенного к внешнему электроду йагниторазрядных- ячеек. Это условие выполняется, в.частности при использовании керамических и эмалевых покрытий толщи8 . 10 ной, не превьшающей 0,5-1 мм. Ионизация продуктов испарения материала катода 4 в процессе работы испарителя составляет 70-100% практически для всех материалов, используемых в качестве геттера. Поэтому наличие положительного потенциала на внешнем электроде 2 магниторазрядных ячеек ограничивает вероятность разлета положительно заряженных продуктов испарения материала катода в направлении оси комбинированного от-х качного устройства. Это, в частности позволяет создать насос без защитно,го экрана bo входном сечении насоса, предназначенного для ограиичения вылета паров испаряемого геттера в откачиваемый объем. Отсутствие защитного экрана в конструкции насоса позволяет при прочих равных условиях в 1,5- раза увеличить его быстроту действия по сравнению с насосами, имеющими подобный экран. Реализация изобретения позволяет таким образом повысить надежность и эффективность работы комбинированного откачного блока за счет следующих факторов: отсутствие запыления ; и нагрева магниторазрядных ячеек материалом, испаряемым из катсгда, электродугового испарителя за счет размещения магниторазрядных ячеек внутри полого цилиндрического катода испарителя; осзга ествление магнитной стабилизации вакуумного дугового разряда магнитными полями рассеяния магниторазрядной ступени откачки; достижение равномерности испарения геттера с поверхности катода дугового испарителя; увеличение быстроты откачки магниторазрядной ступени.

ИОННО-ГЕТТЕРНЫЙ НАСОС, содержащий герметичный корпус-катод, выполненный в виде трех полых коаксиальных цилиндров с размещенным на его оси анодным стержнем, и магнитную систему, расположенную между внутренним и промежуточным цилиндрами корпуса-катода, и выполненную в виде набора кольцевых магнитов с чередующейся полярностью, разделенных вставками из магнитомягкого материала, отличающийся тем, что, с целью повышения быстроты откачки и увеличения ресурса, в него введены электростатический экран, выполненный в виде полого цилиндра, коаксиально охватывающе го промежуточный цилиндр корпуса-катода и соединенного с анодным стержнем, и электродуговой испаритель геттера, катод которого выполнен в виде полого цилиндра, коаксиально охватывающего электростатический экран, при этом электростатический экран выполнен из магнитомягкого материала и снабжен кольцевыми вставками из (Л немагнитного материала, расположенными симметрично относительно перпендикулярных оси насоса плоскостей симметрии магнитов и выцолненными. с толщиной, равной 0,2-0,8 толщины магнитов.