МАГНИТНЫЙ ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫЙ НАСОС Советский патент 1994 года по МПК H01J41/12 

Изобретение относится к технике получения высокого и сверхвысокого вакуума и может быть использовано для откачки ускорителей частиц и других электрофизических установок, а также некоторых типов высоковакуумного технологического оборудования.

Целью изобретения является увеличение быстродействия, улучшение массогабаритных характеристик разрядного насоса, а также повышение ресурса по инертным газам при откачке многокомпонентной газовой смеси.

Цель достигается установкой вкладыша из геттерного материала между отсасываемой вакуумной камерой и электродной системой насоса. Вкладыш выполнен в виде параллельных сорбционно-активных элементов толщиной t (м), обращенных торцами к камере и к электродной системе, причем характерный поперечный размер насоса r (м), его высота h (м) и осевая протяженность вкладыша l (м) связаны соотношениями
r ≫ t и >1, где τ(с), V_o (м˙с^-1) - средние значения времени жизни и скорости молекул основной компоненты газовой смеси в возбужденном состоянии.

Установка вкладыша позволяет увеличить коэффициент захвата и, соответственно, улучшить массогабаритные характеристики насоса в результате воздействия двух факторов: возрастания числа столкновений молекул со стенками сорбционно-активных элементов и увеличения коэффициента прилипания при таких столкновениях для той части молекул, которые попадают в зону вкладыша из блоков электродной системы в возбужденном состоянии.

Число таких молекул будет заметным (порядка трети от числа молекул, падающих на вход насоса) при выполнении указанных выше соотношений между геометрическими размерами насоса и вкладыша при заданных физических характеристиках газа (τ_o, V_o). Установка вышеописанного вкладыша является существенным отличием предлагаемого насоса.

Выбор вышеуказанных соотношений определяется следующими соображениями.

Торец вкладыша, обращенный к откачиваемой камере, должен быть геометрически прозрачен для попадающих молекул. В противном случае падающие молекулы без поглощения будут отражаться в камеру. Прозрачность вкладыша будет достаточной, если площадь торцовой поверхности сорбционно-активных элементов, пропорциональная их толщине t, будет существенно меньше площади входного отверстия насоса πr². Из этого условия вытекает соотношение r >> t.

Полезный эффект, определяемый увеличением коэффициента прилипания для молекул, попадающих в зону вкладыша из блоков электродной системы достигается только для молекул в возбужденном состоянии. Поэтому время t, необходимое в среднем для пролета молекул из блоков электродной системы в зону вкладыша, должно быть меньше жизни молекул в воз- бужденном состоянии, т. е. t= < τ_o , где =[(h-0,51)²+r²]^0,5 - среднее расстояние между блоком электродной системы и вкладышем. Из этого условия вытекает соотношение
>1
Ресурс насоса при откачке смесей, содержащих инертные газы, при установке вкладыша возрастает по следующей причине. Как известно, при поглощении ионов инертных газов, например, аргона, в условиях разрядного насоса до некоторой критической дозы (≈5˙10¹⁸ см^-2 для Ar) дальнейшее откачивающее действие насоса ослабевает и затем полностью прекращается. Это соответствует установлению равновесия между потоками внедряемых и реэмиттируемых из катода атомов аргона, причем их реэмиссия почти исключительно определяется распылением катодов падающими на них положительными ионами активных газов. Скоpость распыления катодов ионами аргона из-за малости его парциального содержания относительно невелика и для обычных для вакуумной техники газовых смесей не превышает 1-2%. Поэтому уменьшение потока активных газов, попадающих в разрядный насос, достигаемое в предлагаемом устройстве, приводит к уменьшению скорости распыления катодов примерно в 1/1-Г₁ раз, где Г₁ - коэффициент захвата вкладыша на основной компоненте откачиваемой смеси (Г₁≃ 0,7). Следовательно, полное количество атомов аргона, которое может быть поглощено предлагаемым насосом до момента потери откачивающих свойств, т.е. ресурс насоса, возрастает примерно втрое по сравнению с прототипом.

Кроме того, благодаря установке вкладыша увеличивается среднее время жизни атомов инертных газов в блоках электродной системы, что эквивалентно росту вероятности их захвата на катодных электродах насоса.

Указанные обстоятельства позволяют достичь существенного улучшения основных характеристик предлагаемого насоса по сравнению с прототипом.

Возможны различные варианты конструктивного исполнения вкладыша.

Вкладыш может быть выполнен в виде набора коаксиальных тонкосетных цилиндров из нераспыляемого сорбционно-активного геттерного материала. Таким материалом, например, может быть нераспыляемый ленточный геттер - мелкодисперсный цирконий-алюминиевый сплав (циаль), нанесенный на гибкую металлическую подложку (ленту). Вкладыш может быть также выполнен в виде набора полос из нераспыляемого геттерного материала, спирали из нераспыляемого геттерного материала, решетки из нераспыляемого геттерного материала.

При выборе размеров вкладыша необходимо учитывать следующие соображения. Важнейшими величинами, характеризующими вкладыш, наряду с толщиной t и протяженностью l являются коэффициент прилипания сорбционно-активных элементов βи характерное поперечное расстояние между сорбционно-активными элементами δ. При очень малых значениях δ( δ≃ t) коэффициент захвата невелик, поскольку входное сечение вкладыша в значительной степени перекрыто. В предельном случае ( δ<< t) коэффициент захвата становится практически равным нулю и насос перестает выполнять свои функции.

При значениях δ>>t коэффициент захвата также сравнительно мал, поскольку большая часть молекул пролетает вкладыш, не соударяясь со стенками сорбционно-активных элементов. В предельном случае ( δ ≃ r) коэффициент захвата лишь немногим превышает его значение для насоса, выбранного в качестве прототипа.

Таким образом должно существовать оптимальное соотношение между величинами β, t, l и δ. Оно определяется поиском экстремального значения функции, связывающей коэффициент захвата вкладыша Г с вышеуказанными величинами. Пользуясь известными методами анализа молекулярных потоков в сложных вакуумных структурах, можно показать, что наибольший коэффициент захвата будет достигнут при условии
δ≈( βtl)^0,5 Этому соотношению и должны отвечать размеры вкладыша для достижения наибольшего положительного эффекта.

На чертеже показана конструктивная схема одного из вариантов предлагаемого насоса.

В корпусе 1, снабженном радиально ориентированными полостями 2 для электродных блоков 3 и фланцем 4 для присоединения к откачиваемой камере, размещены разрядные электродные блоки и вкладыш в виде набора коаксиальных сорбционно-активных цилиндрических элементов 5 толщиной t (м) каждый, обращенных торцами к откачиваемой камере и к электродным блокам, осевая протяженность вкладыша l (м). Сорбционно-активные элементы выполнены из тонкой металлической ленты-подложки, на обе стороны которой нанесен нераспыляемый геттер, например цирконий-алюминиевый сплав с мелкодисперсной структурой. Набор сорбционно-активных элементов с помощью фиксаторов 6 закреплен на диаметрально ориентированных держателях 7, причем сами элементы электрически изолированы от держателей с помощью диэлектрических втулок 8. Держатели установлены в опорных втулках 9, вмонтированных в корпус. Подложка сорбционно-активных элементов снабжена не показанными на схеме клеммами для подключения к источнику электрического тока при их термической активности.

Вкладыш может быть также выполнен в виде набора полос из нераспыляемого геттерного материала, спирали из такого же материала с центром на оси насоса либо другой ячеистой структуры, ориентированной по оси насоса и образованной сорбционно-активными элементами с характерным поперечным расстоянием между ними δ(м). Наибольший положительный эффект достигается при выполнении соотношения δ≈( βtl)^0,5, где β- коэффициент прилипания молекул основной компоненты откачиваемой газовой смеси.

Предлагаемый насос готов к эксплуатации после термической активации сорбционно-активных элементов при одновременной откачке выделяющихся газов вспомогательным насосом.

Предлагаемый насос имеет вакуумные характеристики, существенно лучшие, чем прототип.

Быстрота действия предлагаемого насоса по водороду составляет 8,2 м³/с, что более чем в 4 раза выше, чем у прототипа. Быстрота действия по гелию возрастает примерно на 60%. Массогабаритные характеристики улучшаются примерно втрое по водороду и на 35% - по гелию.

Преимущественные области применения насоса - периодическая откачка электрофизических установок при регламенти- рованном ресурсе и максимальном давлении до 10^-3 Па, а также длительная откачка сверхвысоковакуумных камер при давлении 10^-8-10^-6 Па.

Изобретение относится к ускорительной технике. Цель изобретения - увеличение быстродействия, улучшение массогабаритных характеристик разрядного насоса и повышение ресурса по инертным газам при откачке многокомпонентной газовой смеси - достигается установкой вкладыша (В) из геттерного материала между откачиваемой вакуумной камерой и электродной системой насоса. В выполнен в виде параллельных сорбционно-активных элементов 5 толщиной t, причем поперечный размер насоса r, его высота h и осевая протяженность В l связаны соотношениями: r ≫ t , τ_ov_o/[(h-0,5l)²+r²]^0,5 >1, , где τ_o, v_o - средние значения времени жизни и скорости молекул основной компоненты газовой смеси в возбужденном состоянии. В описании изобретения даны варианты выполнения В. Изобретение может быть использовано для откачки ускорителей частиц и других электрофизических установок. 6 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. МАГНИТНЫЙ ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫЙ НАСОС, содержащий систему для создания магнитного поля, корпус и размещенные в нем электродные блоки, отличающийся тем, что, с целью увеличения быстродействия, улучшения массогабаритных характеристик и повышения ресурса по инертным газам при откачке многокомпонентной газовой смеси, во входном отверстии корпуса по оси насоса установлен вкладыш, выполненный в виде ячеистого набора сорбционно-активных элементов толщиной t (м), обращенных торцами к электродным блокам, причем характерный поперечный размер насоса γ (м) , его высота h (м) и осевая протяженность вкладыша l (м) связаны выражениями
r ≫ t и >1,
где τ_o(c) , V_o(м˙c^-1) - средние значения времени жизни и скорости молекул основной компоненты газовой смеси в возбужденном состоянии. 2. Насос по п.1, отличающийся тем, что вкладыш выполнен в виде набора коаксиальных цилиндров из нераспыляемого геттерного материала. 3. Насос по п.1, отличающийся тем, что вкладыш выполнен в виде набора полос из нераспыляемого геттерного материала. 4. Насос по п.1, отличающийся тем, что вкладыш выполнен в виде спирали из нераспыляемого геттерного материала. 5. Насос по п.1, отличающийся тем, что вкладыш выполнен в виде решетки из нераспыляемого геттерного материала. 6. Насос по пп.2 - 5, отличающийся тем, что в качестве сорбционного материала использован циаль. 7. Насос по пп.1 - 6, отличающийся тем, что основные размеры вкладыша связаны выражением
δ≃ (βlt)^0,5,
где δ - поперечное расстояние между сорбционно-активными элементами, м;
β - коэффициент прилипания для основной компоненты газовой смеси.