МАГНИТОРАЗРЯДНЫЙ НАСОС Советский патент 1998 года по МПК H01J41/00 H01J41/12 

Изобретение относится к электровакуумной технике, в частности к конструкции магниторазрядного насоса, и может быть использовано для получения, сохранения и измерения высокого вакуума в отпаянных электровакуумных приборах и в том числе в условиях, когда во время тренировки, эксплуатации и длительного хранения приборов возможно увеличение давления аргона до 1 • 10^-1Па.

Известны диодные магниторазрядные насосы Холла, широко используемые для откачки электровакуумных приборов (ЭВП) после их отпая [1]. Магниторазрядные насосы в этом случае называют автономными ввиду их независимости от конструкции и магнитного поля электровакуумного прибора.

К недостаткам применения автономных магниторазрядных насосов для откачки ЭВП относятся: увеличение габаритов и веса ЭВП за счет веса корпуса насоса и его магнитов, дополнительный расход магнитных материалов для насоса, снижение эффективной скорости откачки и увеличение погрешности измерения давления в отпаянном ЭВП ввиду удаленности насоса от источников газовыделения (катода, коллектора).

Известен магниторазрядный насос, содержащий магнитную систему и герметичный корпус с осесимметричным патрубком откачки и осесимметрично размещенными в корпусе катодом, выполненным в виде плоских пластин из титана, и анодом, выполненным в виде набора цилиндрических ячеек, примыкающих к полому цилиндру, охватывающему патрубок откачки. В такой конструкции одна магнитная система может быть использована одновременно для работы насоса и, например, для магнитной фокусировки электронного пучка в пролетном канале [2]. Преимущества этого магниторазрядного насоса над автономным очевидны.

К недостаткам данной конструкции магниторазрядного насоса относятся: малая скорость откачки инертных газов (скорость откачки аргона составляет 1 - 2% от скорости откачки азота), аргонная нестабильность насоса при длительной откачке аргона с парциальным давлением выше 5 • 10^-4Па, пониженная скорость откачки газов (любого типа) в разрядных ячейках, примыкающих к центральному полому цилиндру анода из-за неоднородности магнитного поля в этих ячейках, так как магнитные полюсные наконечники расположены с наружной части трубы откачки и не перекрывают площади этих ячеек, неэффективное использование откачивающего действия радиально удаленных от трубы откачки разрядных ячеек (Пеннинга) из-за ограниченной вакуумной проводимости зазоров между анодом и катодами, пониженная быстрота откачки и ограниченный диапазон рабочих давлений как следствие перечисленных недостатков.

Целью изобретения является повышение быстроты откачки инертных газов и устранение аргонной нестабильности при расширении диапазона рабочих давлений от 2 • 10^-1 до 5 • 10^-9Па.

Указанная цель достигается тем, что в магниторазрядный насос, содержащий магнитную систему и герметичный корпус с осесимметричным патрубком откачки и осесимметрично размещенными в корпусе катодом, выполненным в виде плоских пластин из титана, и анодом, выполненным в виде набора цилиндрических ячеек, примыкающих к полому цилиндру, охватывающему патрубок откачки, введен дополнительный катод, выполненный в виде полого цилиндра из геттерного металла, размещенного коаксиально внутри полого цилиндра анода, при этом зазор между дополнительным катодом и полым цилиндром анода составляет 0,5 - 0,7 диаметра ячейки анода.

На фиг. 1 изображен магниторазрядный насос, общий вид; на фиг. 2 - вид сверху со снятой верхней катодной пластиной.

Магниторазрядный насос содержит герметичный корпус 1 из немагнитного металла, к которому плотно прилегают катодные плоские пластины 2, а дополнительный катод 3, выполненный в виде полого цилиндра, расположен на патрубке 4 откачки коаксиально внутри полого цилиндра 5 анода 6, выполненного в виде набора цилиндрических ячеек. По обе стороны анода расположены магнитные полюсные наконечники 7 и самарий-кобальтовые магниты 8, высоковольтный ввод 9 и крепежные изоляторы 10 анода. К объекту откачки (ЭВП) насос присоединяется с помощью манжеты 11. Водяное охлаждение корпуса осуществляется через прорези 12.

В целом предлагаемый магниторазрядный насос содержит разрядные ячейки Пеннинга, образованные цилиндрическими ячейками анода 6 и плоскими катодными пластинами 2, и ячейку магнетронного типа, анодом которой является полый цилиндр 5, а катодами - дополнительный цилиндрический катод 3 и плоские катодные пластины 2. Ячейки Пеннинга непосредственно примыкают к магнетронной ячейке.

Дополнительный цилиндрический катод 3 выполнен из гетерного металла и находится под одним потенциалом с катодными пластинами 2. Магнитные полюсные наконечники 7 с необходимым запасом перекрывают площадь всех разрядных ячеек. Радиальный размер зазора катод - анод магнетронной ячейки составляет 0,5 - 0,7 диаметра ячейки Пеннинга и получен экспериментально из условия максимальной скорости откачки аргона в диапазоне давлений 2 • 10^-1 -5 • 10^-9Па.

Предлагаемый насос работает в магнитном поле величиной 1000 Э, силовые линии которого направлены по оси насоса и при подаче на анод положительного напряжения 3 - 7 кВ.

Положительный эффект - увеличение скорости откачки газов, особенно аргона, в диапазоне давлений 2 • 10^-1 -5 • 10^-9Па, устранение аргонной нестабильности - обусловлен взаимным расположением ячейки магнетронного типа и ячеек Пеннинга, кроме того, обеспечивается однородность магнитного поля конструкцией магнитных полюсных наконечников в предлагаемом магниторазрядном насосе.

Механизм полученного эффекта состоит в том, что происходит увеличение скорости откачки ячеек Пеннинга за счет дополнительного напыления геттерирующего металла на катодные пластины (в зоне действия разрядов Пеннинга) с дополнительного цилиндрического катода магнетронной ячейки и увеличение скорости откачки магнетронной ячейки за счет увеличения концентрации ионов, например, аргона, поступающих в магнетронную ячейку из ячеек Пеннинга.

Ионы аргона, попадающие на катодные пластины, замуровываются напыляемыми частицами геттерирующего металла необратимо, что и устраняет аргонную нестабильность.

Химически активные газы (H₂, O₂, CO, CO₂, H₂O) и азот откачиваются подобно аргону и, кроме того, геттерирующими пленками, напыляемыми на все анодные поверхности с цилиндрического и плоских катодов. Часть газовых молекул, в том числе инертных газов, откачивается потоком распыляемых геттерирующих частиц.

Механизм расширения диапазона рабочего давления до 5 • 10^-9Па состоит в том, что некоторая часть молекул газа, прежде чем попасть в ячейки Пеннинга, предварительно ионизируется в магнетронной ячейке, что и понижает порог зажигания по давлению вначале в одной из ячеек Пеннинга, а далее зажигается разряд в магнетронной ячейке, поскольку она непосредственно примыкает к каждой из ячеек Пеннинга, и плоские катодные пластины в некоторой области являются общими и для магнетронной ячейки и для ячеек Пеннинга. Кроме того, магнетронная ячейка является своеобразным проводником газоразрядной плазмы, соединяющим ячейки Пеннинга. Поэтому газоразрядная плазма от одной ячейки распространяется во все ячейки, и разряд зажигается. Затухание разряда при низких давлениях затруднено, так как разряды всех ячеек Пеннинга посредством магнетронной ячейки соединены друг с другом, что и затрудняет его затухание и объясняет сохранение стабильной быстроты откачки при низких давлениях, например 5 • 10^-9Па - предельной чувствительности современных средств измерения давления. При этом ток разряда величиной (1 - 2) • 10^-9А сохраняется и дальше.

Положительный эффект подтверждается экспериментально. Например, быстрота откачки магниторазрядного насоса с 10 ячейками, без магнетронной ячейки, при анодном напряжении 5 кВ и магнитном поле 1000 Э составляет 2,8 л/с, а по аргону 0,03 л/с. Диапазон рабочих давлений 1 • 10^-1 - 2 • 10^-7Па (по аргону верхний предел 1 • 10^-3Па).

Характеристики отдельно взятой ячейки магнетронного типа, при тех же магнитном поле и анодном напряжении, следующие: быстрота откачки по азоту 0,4 л/с, быстрота откачки по аргону 0,25 л/с, диапазон рабочих давлений 1 - 1 • 10^-3Па.

Характеристики предлагаемого магниторазрядного насоса с 10 ячейками Пеннинга, примыкающими к магнетронной ячейке, при анодном напряжении 5 кВ и магнитном поле 1000 Э следующие: быстрота откачки по азоту не менее 4 л/с, быстрота откачки по аргону не менее 1,5 л/с (относительная быстрота откачки 37,5%), диапазон рабочих давлений 2 • 10^-1 - 5 • 10^-9Па.

Экспериментальный магниторазрядный насос состоял из ячейки магнетронного типа и примыкающих к ней десяти ячеек Пеннинга. Элементы анода изготавливались из листовой нержавеющей стали толщиной 0,15 мм. Диаметр ячейки многоячеечного анода 18 мм, высота 18 мм.

Катодные пластины изготавливались из компактного титана толщиной 1 мм, дополнительный цилиндрический катод изготавливался из листового циркония, титана или тантала толщиной 0,5 мм.

Расстояние между многоячеечным анодом и плоскими катодными пластинами 2,5 мм, а между цилиндрическим катодом и анодом 9 мм.

Для определения быстроты откачки и диапазона рабочих давлений магниторазрядный насос вместе с датчиками давления обезгаживают при температуре 550^oС и вакууме 1 • 10^-5Па в течение 2 ч.

Быстрота откачки определяется по известному методу двух манометров. Нижний предел рабочего давления измерялся датчиком парциальных давлений РМО - 13, а ток разряда - световым гальванометром М95.

Установившаяся скорость откачки по азоту при величине магнитного поля 1000 Э и анодном напряжении 5 кВ составляла не менее 4 л/с, а по аргону не менее 1,5 л/с, т.е. 37,5% от скорости откачки по азоту, что превышает относительную скорость откачки известных магниторазрядных насосов.

Аргонная нестабильность насоса проверялась длительной (в течение 4 ч) откачкой чистого аргона с парциальным давлением 5 • 10^-3Па. Аргонная нестабильность в течение этого периода времени не наблюдалась, в то время как в диодных насосах типа Холла аргонная нестабильность возникает через 2 - 3 мин работы при давлении аргона (1 - 2) • 10^-3Па.

Для определения предельно низкого рабочего давления вначале включали насос, который откачивал остаточные газы до уровня, когда ни одну из газовых компонент по датчику РМО-13 при токе луча 20 мкА обнаружить не удавалось. Затем насос отключали и в систему напускали аргон до давления 5 • 10^-9Па (1 деление самой чувствительной шкалы измерителя парциальных давлений ИПДО-1). После чего включали насос и по гальванометру М95 отмечали появление тока разряда (2 - 3) • 10^-9А. Аргон и другие газы после этого не обнаруживались.

Предельно низкое рабочее давление известных магниторазрядных насосов Холла 1 • 10^-7Па, т.е. более чем на порядок выше.

Магниторазрядный насос предлагаемой конструкции прост в изготовлении. Корпусом насоса может служить корпус ЭВП. Магнитные полюсные наконечники и постоянные самарий-кобальтовые магниты создают магнитное поле для фокусировки электронного пучка и работы насоса. Предлагаемая конструкция позволяет уменьшить габариты и вес ЭВП и, кроме того, увеличить эффективную скорость откачки из области катодно-сеточного узла и коллектора, так как насос может быть встроен между ними. При этом трубой откачки является пролетный канал прибора.

Предложенная конструкция магниторазрядного насоса позволяет без дополнительных затрат решить задачу повышения быстроты откачки инертных газов, в частности аргона, по сравнению с известными конструкциями магниторазрядных насосов. Установлено, что в процессе тренировки отпаянных приборов давление аргона в них при пробоях в катодно-сеточном узле может возрастать до 1 • 10^-1Па, что в случае применения известных насосов либо затягивает время тренировки из-за низкой скорости откачки аргона, либо прибор уходит в брак из-за повышенного давления аргона.

Применение магниторазрядных насосов предлагаемой конструкции позволяет на 30% сократить время тренировки приборов, повысить электрическую прочность вакуумных межэлектродных промежутков, особенно промежутка сетка - катод, за счет улучшения вакуума, т.е. понижения остаточных давлений не менее чем на порядок, а по аргону не менее чем на 2 порядка, и тем самым повысить качество и надежность приборов; исключить техпотери (брак) по аргонной нестабильности, которые в настоящее время составляют 10% на операции тренировки из-за низкой быстроты откачки аргона и аргонной нестабильности встроенных в ЭВП и автономных магниторазрядных насосов известной (базовой) конструкции.

Предлагаемое техническое решение для встроенных в ЭВП магниторазрядных насосов может быть использовано и в автономных насосах, используемых для ЭВП. Такие насосы легко могут быть усовершенствованы изменением только конфигурации многоячеечного анода и добавлением цилиндрического катода из геттерного металла, как в предлагаемой конструкции.

Магниторазрядный насос, содержащий магнитную систему и герметичный корпус с осесимметричным патрубком откачки и осесиметрично размещенными в корпусе катодом, выполненным в виде плоских пластин из титана, и анодом, выполненным в виде набора цилиндрических ячеек, примыкающих к полому цилиндру, охватывающему патрубок откачки, отличающийся тем, что, с целью повышения быстроты откачки инертных газов и устранения аргонной нестабильности при расширении диапазона рабочих давлений от 2•10^-1 до 5•10^-9 Па, в насос введен дополнительный катод, выполненный в виде полого цилиндра из геттерного металла, размещенного коаксиально внутри полого цилиндра анода, при этом зазор между дополнительным катодом и полым цилиндром анода составляет 0,5-0,7 диаметра ячейки анода.

Магниторазрядный насос, содержащий магнитную систему и герметичный корпус с осесимметричным патрубком откачки и осесиметрично размещенными в корпусе катодом, выполненным в виде плоских пластин из титана, и анодом, выполненным в виде набора цилиндрических ячеек, примыкающих к полому цилиндру, охватывающему патрубок откачки, отличающийся тем, что, с целью повышения быстроты откачки инертных газов и устранения аргонной нестабильности при расширении диапазона рабочих давлений от 2•10^-1 до 5•10^-9 Па, в насос введен дополнительный катод, выполненный в виде полого цилиндра из геттерного металла, размещенного коаксиально внутри полого цилиндра анода, при этом зазор между дополнительным катодом и полым цилиндром анода составляет 0,5-0,7 диаметра ячейки анода.