Іонний насос
Іонний насос- кінетичний насос, у якому відкачуваний газ піддається інтенсивній іонізації, а утворені додатньо заряджені йони усуваються за допомогою електричного і магнітного полів або лише електричного поля. Використовуються для створення вакууму [math]{10^{-6}}[/math]…[math]{10^{-8}}[/math] мм рт.ст.;
Іонний насос являє собою камеру, приєднану безпосередньо до відкачуваного об'єму. Електрони, що випускаються катодом прямого напруження або виникають в статичному розряді, іонізують молекули газу в зіткненнях з ними. Іони переносяться електричним полем до колектора і зв'язуються на його поверхні. Існують два механізми зв'язування: одні іони абсорбуються на поверхні колектора, а інші вступають в хімічну реакцію з матеріалом колектора, утворюючи стійкі з'єднання. Для хімічно активних газів ефективні обидва механізму, а для інертних - тільки перший. Колекторні поверхні більшості іонних насосів покриті титаном. Під дією іонів, що бомбардують колектор, його поверхня розпорошується, так що безперервно відкриваються свіжі шари титану, здатні зв'язувати іони хімічно активних газів.
Зміст
Історія розвитку
Перший іонний насос був винайдений Американською компаннією у Varian Associates у даний час компанія Agilent. У 1957 році дослідження роберта Джепсі який був директорм дослідницької групи привели створення першого іонного насосу під назвою (SIP). Насос був розроблений як придаток для насосу який підтримує високий вакуум. У 1960 році був винайдений тріодний насос компанією Agillent, компанія почала продавати їх під назвою «Ущільнений іонний насос», а потім «Тріодний Іонний насос» на початку 70-х років.
Принцип роботи
Дія іонних насосів заснована на іонізації газу сильним електричним розрядом і видаленням іонізованих молекул електричним полем. Цей спосіб мало поширений через складність пристрою і велике споживаної потужності, що витрачається головним чином на створення магнітного поля. При кімнатній температурі інертні гази і вуглеводні практично не поглинаються напиляним плівками металів. Для їх видалення служать комбіновані іонно-сорбційні, або іонно- гетерні, насоси, в яких сорбційний спосіб поглинання хімічно активних газів поєднується з іонним способом відкачування інертних газів і вуглеводнів. Поглинаюча поверхня оновлюється осадженням на стінках термічно випаровоного титану, а також катодним розпиленням титану в електричному розряді або в магнітному полі в електророзрядних або магніторазрядних іонно-сорбційних насосах . Іонно-сорбційні Вакуумні насоси при попередній відкачці до [math]{10^{-2}}[/math] н / м2 (до [math]{10^{-4}}[/math] мм рт. Ст.) Створюють вакуум до [math]{10^{-5}}[/math] н / м2 ([math]{10^{-7}}[/math]мм рт. Ст.).
Прототипом іонних насосів є вакуумний манометр Пеннінга, в якому при вимірах тиску відбувається помітне відкачування газів. Це явище викликане, з одного боку, ефективною іонізацією газу завдяки присутності магнітного поля (збільшує шлях іонізації електронів), а з іншого, розпиленням металу катода під впливом бомбардування його іонами.*
Для відкачування хімічно неактивних газів, особливо інертних, їх часткам надають великі швидкості; такі частинки при зіткненні з поверхнею металу впроваджуються в нього, а потім «замуровуються» шарами напиляного або осілого з парів металу. Прискорення частинок газу здійснюється за допомогою електричного поля після попередньої їх іонізації. Іони ж хімічно активних газів вступають в реакцію з металом катода.
Характеристика
Швидкість відкачки залежить від роду газу. Наприклад, швидкість відкачування водню 5000 л / с, азоту 2000 л / с, аргону 50 л / с. Використання іонних насосів уможливило розвиток як вакуумної так і напівпровідникової електроніки і до сих пір є одним з найбільш затребуваних приладів в промисловості високих технологій.
Характеристики іонного насосу с холодними катодами ( для повітря): об'єм 2 5 л; d 63 мм; V 2600.
Іонні насоси підрозділяють на насоси з гарячим катодом (термокатодні) і насоси з холодним катодом (електророзрядні).
Іонні насоси з гарячим катодом
Найпростішим іонним насосом з гарячим катодом є тріодний вакуумний манометр, в якому іонізація відбувається під впливом бомбардування молекул газу електронами, що рухаються між катодом і анодом. Утворилися іони сорбируются на колекторі і стінках балона, чому сприяє шар напиляного на стінки катодного або анодного металу.
Тріодної вакуумний манометр застосовувався в минулому (а іноді застосовується і в даний час) для отримання дуже високого вакууму в невеликих обсягах (Альперт). Виявляється, однак, що ефективність дії насоса по відношенню до активних газів визначається випаровуванням металу. Тому іонний насос з гарячим катодом не має самостійного практичного значення; його слід розглядати швидше як іонно-сублімаційний насос, в якому забезпечується іонізація, необхідна для відкачування хімічно неактивних газів Насос цього типу при робочому тиску порядку [math]{10^{-4}}[/math] Па швидко насичується внаслідок зміни знака заряду стінки в міру поглинання нею газу Тому такий насос доцільно використовувати при тиску ~ [math]{10^{-7}}[/math] Па і нижче.
Іонні насоси з холодним катодом
В іонних насосах з холодним катодом під дією високої напруги в розрідженому газі між двома електродами з'являється електричний тліючий розряд. При цьому відбувається іонізація газу, в результаті чого утворюються іони і електрони Розряд в газі підтримується завдяки тому, що іони, вдаряючись об поверхню катода, викликають емісію з нього електронів Емісія електронів призводить до подальшої іонізації, газу яка в свою чергу сприяє емісії електронів. Такий процес називається тліючим розрядом. Тліючий розряд легше виникає в присутності магнітного поля. Електричний струм який проходить через насос утворений головним чином електронами (які мають значно більшу рухливість, ніж іони) і приблизно пропорційний тиску газу.
При виникненні тліючого розряду катод піддається розпорошення, а розпорошений метал, осідаючи на стінках насоса , електродах діє як чиста сорбуюча поверхня. Розпилення металу в присутності електричного поля (в умовах іонізації) забезпечує хороше відкачування газів, головним чином активних і певною мірою неактивних, причому неактивні гази видаляються в результаті їх впровадження в поверхню і замуровування напилюваним металом.
Насоси, засновані на принципі іонно-сорбційної відкачування. Іонно-сорбційна відкачування використовує два способи поглинання газу: впровадження іонів в обсяг твердого тіла під дією електричного поля і хімічну взаємодію відкачуваних газів з тонкими плівками активних металів. Конструкція іонно-сорбційного насоса визначається типом випарованої речовини, конфігурацією електродів і способом подачі напруги.
У насосах випарного типу, які не мають пристроїв для іонної відкачки, граничний тиск становить зазвичай [math]{10^{-7}}[/math] Па. Охолодження активної плівки до температури рідкого азоту знижує граничний тиск до [math]{10^{-11}}[/math] Па.
Верхня межа робочих тисків, рівний [math]{10^{-2}}[/math] Па, лімітується освітою під час роботи випарника оксидів, нітриду і карбідів на поверхні активного матеріалу, що призводить до зменшення швидкості випаровування. Максимальна швидкість дії випускаються промисловістю насосів такого типу, досягає 105 л / с при відкачці водню. Застосування випарних насосів неефективно при відкачці продуктів органічного походження і інертних газів.
Скляний іонно-сорбційний насос
Випарювання вольфраму в металевих іонних насосах, а потім наступна його конденсація на холодних стінках, викликали поглинання молекул газу тонким шаром осадженого металу, тобто створили додаткове зниження тиску. Це явище дало поштовх для створення нових вакуумних насосів, які знижували тиск не здійсненням стискання газу на випускному патрубку, а з використанням явища поглинання газів металами. У таких насосів випускний патрубок відсутній, називаються вони сорбційними. Скляний іонно-сорбційний насос (рис.13.3) складається з випарювача металу 1, іонізаційного пристрою 2 і магнітного пристрою 3, що створює магнітне поле, яке направлене так, щоб збільшувати імовірність іонізації молекул, тобто паралельно напряму руху емісійних електронів. До іонізаційного пристрою входить катод 4, який нагрівають до температури електронної емісії, і два кільцевих аноди, що розміщені симетрично відносно катода. На аноди і катод подають напругу для створення електричного поля, що прискорює емітовані електрони. Магнітне поле примушує електрони рухатися за гвинтоподібними траєкторіями і значно збільшує, таким чином, ймовірність іонізації молекул. Випарювач 1 - це вольфрамовий дріт, на який навита спіраль з титану. За нагрівання вольфрамового дроту електричним струмом титан починає випарюватися і тонким шаром осаджуватися на холодній стінці, замуровуючи шар за шаром поглинуті молекули газів. Титан добре поглинає молекули таких активних газів, що часто відкачують з вакуумних систем, як кисень, водень, азот, окис вуглецю та пари води. Примусова іонізація молекул підвищує дієвість поглинання титаном активних газів, а також сприяє зв'язуванню молекул інертних газів, що важливо при відкачуванні аргону.
Відкритим кінцем насос приварюють до скляних приладів, де потрібно створити відповідний вакуум. Після кожного знаходження в атмосферному повітрі необхідно попередньо проводити прожарення випарювача з метою старанного його знегаження (вивільнення від поглинутих газів). До особливостей використання такого насоса відносять необхідність поновлення витраченого титану. Випарювач відрізають по колу 5 трубки і після навивки нової титанової спіралі приварюють знову. Насос має запускатися до роботи тільки після створення тиску не менше ніж [math]{10^{-4}}[/math]Торр насосом попереднього розрідження, який потім відокремлюють, щоб вакуумна система відкачувалась лише іонно-сорбційним насосом. Швидкодія таких насосів залежить від складу газів, поглинача та швидкості його випарювання, від конструктивних розмірів і для розглянутого випадку досягає декількох літрів за секунду для водню, азоту і пари води та частини літра за секунду для аргону. Граничний тиск може сягати району надвисокого вакууму ([math]{10^{-9}}[/math]Торр). Але для цього треба провести старанне знегаження усіх елементів вакуумної системи, включно з іонно-сорбційним насосом.
Переваги та недоліки
До недоліків іонних насосів можна віднести те, що хімічно активні гази відкачуються набагато швидше інертних і віддають назад невелику частину відкачанного газу. Великим недоліком іонних насосів з гарячим катодом є те, що катод порівняно швидко виходить з ладу. Іонні насоси з холодними катодами позбавлені цього дефекту і можуть працювати тривалий час в основному за рахунок поглинання rазів в середині самого насоса.
Література
• В.І Борозденков "Вакуум-насоси в хімічній промисловості";
Посилання
http://bibliofond.ru/view.aspx?id=512101
http://4exam.info/book_143_glava_82_13.3_Skljanijj_%D1%96onno-sorb%D1%81%D1%96jjnijj_nasos.html
