Новые методы откачки

Поскольку работа любого пароструйного насоса всегда сопровождается неизбежным, хотя бы и малым, проникновением паров рабочей жидкости в откачиваемый объем, что в целом ряде случаев (например, в высоковольтных установках) совершенно недопустимо, в последние годы была предпринята разработка новых методов получения высокого вакуума, не связанных с использованием рабочей жидкости.

Откачивающим устройством без рабочей жидкости является ионный насос, в котором возбуждается электрический разряд в магнитном поле, приводящий к интенсивной ионизации молекул откачиваемого газа с последующим удалением ионов за счет воздействия электрического поля.

На рис. 12 схематически изображено устройство одного из опытных ионных насосов с быстротой действия 3000—7000 л/сек. Корпус 1 насоса, являющийся одновременно анодом, представляет собой металлическую трубу длиной 4,5 м. На концах трубы расположены два полых вольфрамовых катода. Катод 2, расположенный у выпускного патрубка, является подогревным и используется в качестве источника электронов (эмитер). Второй катод 3 — холодный и служит для отражения электронов (отражатель). Между катодами и корпусом насоса подано постоянное напряжение около 300 в.

Присоединяемый к откачиваемому объему впускной патрубок 4 насоса расположен в середине трубы В центральной части трубы имеется внутренний соленоид 5, обе боковые зоны окружены наружными соленоидами 6 Соленоиды служат для создания магнитного поля.

Электроны, эмитирующие с горячего катода 2, ускоряются под действием электрического поля, но не могут сразу попасть на анод, так как магнитное поле ограничивает их пробег, заставляя двигаться по тугой спирали от эмитера к отражателю Отразившись от отражателя, находящегося под тем же потенциалом, что и эмитер, электроны колеблются в разряде между эмитером и отражателем. Сталкиваясь с молекулами откачиваемого газа, электроны ионизируют их. Образующиеся при этом положительные ионы перемещаются под действием электрического поля к катодам, отдают им свой заряд, и как нейтральные молекулы откачиваются насосом предварительного разрежения.

Для того чтобы воспрепятствовать проникновению нейтральных молекул газа ив выпускного патрубка обратно в сторону впускного патрубка, в трубке насоса вблизи катодов сделаны сужения 8, диаметр которых лишь на немного превышает диаметр столба электрического разряда 9. Благодаря этому все проходящие через сужения молекулы вновь попадают в разряд, ионизируются и в виде положительных ионов опять возвращаются к катодам. Для обеспечения интенсивного разряда выпускное давление поддерживается с помощью насоса предварительного разрежения равным 3-10^-4 мм рт. ст.

Быстрота откачки воздуха в сечении фланца впускного патрубка насоса данной конструкции при давлении 5-10~⁵ мм рт. ст. достигает 7000 л/сек. Предельное разрежение, создаваемое насосом, составляет 8-10“⁷ мм рт. ст. при величине выпускного давления около 5-10"⁴ мм рт. ст. Мощность, потребляемая насосом, равна 42 кет.

Существенным недостатком ионного насоса является значительное потребление электроэнергии, которая в основном расходуется на поддержание электрического и магнитного полей. Так, например, насос описанной конструкции потребляет примерно в 15 раз большую мощность, чем паромасляный насос, имеющий примерно такую же быстроту действия. К отрицательным особенностям ионного насоса относится также довольно быстрое разрушение катода вследствие непрерывного испарения вольфрама

Большое потребление электроэнергии, сложность устройства и эксплуатации, а также значительные габариты ионных насосов существенно ограничивают в настоящее время их промышленное использование.

Значительно большую перспективу промышленного применения имеет ионно-испарительный (ионно-сорбционный) насос, в котором откачка достигается в результате непрерывного процесса поглощения газа за счет испарения и конденсации на стенках насоса титана, причем процесс поглощения активизируется благодаря частичной ионизации откачиваемого газа.

Изображенный на рис. 13 ионно-испарительный насос представляет собой вертикальную цилиндрическую камеру, стенки которой охлаждаются водой, непрерывно циркулирующей по змеевику. По оси камеры расположена катушка с титановой проволокой, которая непрерывно разматывается с помощью специального подающего механизма. Проходя через кольцеобразную нить накала (которая имеет отрицательный потенциал относительно проволоки), титановая проволока интенсивно бомбардируется электронами, эмитируемыми нитью накала, и почти мгновенно испаряется (в других конструкциях насосов испарение титана осуществляется за счет его соприкосновения с графитовым стержнем, разогреваемым до высокой температуры в результате электронной бомбардировки).

Конденсируясь на стенках камеры, титан интенсивно поглощает находящиеся в объеме газы, в первую очередь водород, кислород и азот. Остальные газы, в частности инертные, ионизируются электронами, эмитируемыми с нити накала и ускоряющимися в электрическом поле, создаваемом разностью потенциалов между сеткой, расположенной вблизи стенок, и нитью накала; образующиеся ионы, попадая на стенку насоса, находящуюся под нулевым потенциалом, замуровываются (непрерывно напыляемым на стенку слоем титана.

Рабочий диапазон давлений, охватываемых этим насосом

10′⁴— 10^-9 мм рт. ст., предельный вакуум 10^-9 мм рт. ст.

В настоящее время известны ионно-испарительные насосы с быстротой действия до 10 тыс. л/сек (по водороду).

Характеристики одного из образцов ионно-испарительного насоса, у которого потребляемая мощность 1 кет и расход титана 7 мг/мин, приведены в табл. 2.

Таблица 2

Газ	Скорость откачки, л/сек	Давление, мм рт. ст.
Водород ….	7000—8000	З-10-e
Азот……	6500—7500	1,5-10-в
Кислород . . .	6500-7500	1,5-10-в
Воздух …..	1000	1,5-10-в
Аргон…..	9	4-10-в
Гелий . • ….	4	3-10-6

Существенным недостатком ионно-испарительного насоса является сложность устройства и эксплуатации, а также резко выраженная зависимость его быстроты действия от рода откачиваемого газа.