Магниторазрядные насосы принцип действия и конструктивные особенности

Принцип действия магниторазрядных насосов основан на сорбционных процессах, инициированных ионизированными частичками газа при разряде Пеннинга (разряде холодного катода). С помощью параллельных отдельных ячеек Пеннинга насос создает достаточно высокую быстроту действия для отдельных газов.

Принцип работы

Ионы ударяются о катод системы разряда с холодным катодом и распыляют материал катода (титан). Титан осаждается в других местах и работает как пленка геттера и адсорбирует реактивные частички газа (N2, О2, Н2). Энергии ионов газа не только достаточно для распыления материала катода, но и для проникновения сталкивающихся ионов глубоко в материал катода (ионная имплантация). Этот процесс сорбции позволяет откачивать ионы всех типов, включая ионы газов, которые не реагируют химически с распыляемым титаном (большинство инертных газов)

При образовании ионов используются компоненты: цилиндрические аноды из нержавеющей стали, расположенные рядом с параллельными катодами, перпендикулярными оси анодов (рис. 2.61). Катоды имеют отрицательный потенциал (несколько кВ) относительно анодов. Система электродов обеспечивает жесткое однородное магнитное поле с магнитной индукцией В = 0,1 Т (Т = Тесла = 104 Гаусс), создаваемое постоянными магнитами, установленными с внешней стороны корпуса насоса. Газовый разряд, создаваемый высоким напряжением, содержит электроны и ионы.

Под влиянием магнитного поля электроны двигаются по длинной спирали (рис. 2.61), пока они не попадут в цилиндр анода соответствующей ячейки. Длинный путь увеличивает выход ионов, даже при низкой плотности газа (давлении), что достаточно для поддержания газового разряда. Подача электронов от горячего катода не требуется. Т.к. их массы велики, движения ионов не подвергается влиянию магнитного поля данного значения. Они текут коротким путем и бомбят катод.

Ток разряда i пропорционален плотности ней тральных частиц n0 , плотности электронов n- и длине пути разряда l :

Эффективное сечение s для ионизации столкновения зависит от типа газа. Согласно (2.25) ток разряда i является функцией количества частиц n0 , как в датчике Пеннинга, следовательно он может использоваться для измерения давления в диапазоне 10-4…10-8 мбар. При низких давлениях измерения не проводятся из-за влияния внешних полей.

Конфигурация системы электродов магниторазрядного насоса диодного типа показана на рис. 2.62. Пленка геттера формируется вдоль поверхности анода и между областью распыления, противоположной катоду. Ионы погружаются в поверхность катода. Т.к. поверхность катода распыляется, то частицы, погруженные в нее, снова становятся свободными. Поэтому, откачка инертных газов, которые могут откачиваться только с помощью погружения ионов будет исчезать через некоторое время и появится эффект запоминания.

В отличие от диодных насосов триодные магниторазрядные насосы обеспечивают высокую стабильность быстроты откачки инертных газов, т.к. поверхности распыления и формирования пленки разделены. На рис. 2.63 показана конфигурация триодного магниторазрядного насоса. Его высокая эффективность при откачке инертных газов объясняется следующим образом:
геометрия системы благоприятствует рассеиванию ионов под острым углом на титановых прутьях решетки катода, и таким образом скорость распыления значительно возрастает по сравнению с перпендикулярным соударением. Распыленный титан двигается в том же направлении, что и ионы. Пленки геттера образуются на третьем периферическом электроде, мишени, которой является стенка корпуса насоса. При этом повышается выход ионизированных частиц, которые скользят по сетке катода, где они нейтрализуются и от которой отражаются при перемещении к мишени при воздействии энергии, которая значительно больше тепловой энергии частиц газа ½ kT. Электрически нейтральные частицы могут приникать внутрь поверхностного слоя мишени, а эффект их распыления незначителен. Эти имплантированные частицы в итоге покрываются новым титановым слоем. Т.к мишень имеет положительный потенциал, все положительные ионы, присутствующие здесь, отбрасываются и не могут влиять на слои мишени. Таким образом, имплантированные атомы инертных газов не могут высвободится. Быстрота действия триодного насоса для инертных газов не снижается во время работы насоса.

Быстрота действия магниторазрядных насосов зависит от давления и рода газа. Оно измеряется в соответствии с методами, указанными в стандартах DIN 28 429 и PNEUROP 5615. Кривая быстроты откачки S(p) имеет максимум. Номинальная быстрота действия Sn соответствует максиму этой кривой по воздуху, при этом должно быть указано соответствующее давление.

Для воздуха, азота, углекислого газа и паров воды быстрота действия почти одинакова. При сравнении по быстроте действия по воздуху быстроты действия для других газов приблизительно такие:

Водород 150…200 %
Метан 100 %
Другие легкие углеводороды 80…120 %
Кислород 80 %
Аргон 30 %
Гелий 28 %

Триодные магниторазрядные насосы превосходят диодные по стабильности быстроты откачки для легких инертных газов. Аргон стабильно откачивается даже при входном давлении порядка 1.10-5 мбар. Насос может без проблем включаться при давлении выше 1·10-2 мбар и непрерывно работать при напуске воздуха с постоянным давлением 5.10-5 мбар. Новая конструкция электродов увеличивает ресурс катодов на 50%.

Влияние на технологический процесс в ваку-
умной камере магнитного поля и выход ионов
из магниторазрядного насоса

Сильное магнитное поле, необходимое для работы неизбежно приводит к образованию магнитного поля рассеяния рядом с магнитами. В результате в некоторых случаях процессы в вакуумной камере могут прерываться, поэтому магниторазрядные насосы следует экранировать. Форма и тип экрана может рассматриваться с точки зрения оптимизации процесса в вакуумной камере, если он подвергается влиянию магнитного поля сильнее постоянно присутствующего магнитного поля Земли.


На рис. 2.64 представлено магнитное поле рассеяния на уровне входного фланца магниторазрядного насоса IZ270 и через 150 мм (параллельное сечение). Чтобы предотвратить выход ионов из области раздяда и попадание в вакуумную камеру, следует установить подходящий экран из металлической сетки с противоположным потенциалом на входе насоса (ионный барьер). Однако это снижает быстроту действия насоса в зависимости от размера сетки.