Принцип работы магниторазрядного насоса

Магниторазрядные насосы — это сухие высоковакуумные агрегаты. Они относятся к классу геттерных установок. Безмасляное оборудование применимо для любых процессов, протекающих с вакуумом, а особенно это важно для направлений, которые требуют разреженной среды без масляных частиц.

Содержание:

1. Магниторазрядные насосы: общие сведения
2. Устройство магниторазрядного насоса
3. Принцип работы магниторазрядного насоса
4. Типы магниторазрядных насосов
5. Виды магниторазрядных насосов
6. Основные характеристики магниторазрядного насоса
7. Преимущества и недостатки магниторазрядных насосов
8. Сфера применения магниторазрядных насосов
9. Популярные бренды магниторазрядных насосов

Магниторазрядные насосы: общие сведения

Магниторазрядные насосы создают предельное остаточное давление до 1×10^-9 — 1×10^-10 Торр, что соответствует уровню высокого и сверхвысокого вакуума. Агрегаты требуют предварительной откачки форвакуумным аппаратом. Важно использовать для этого безмасляное устройство, поскольку масляная пленка на электродах снижает эффективность основного оборудования. Предварительная откачка необходима для создания определенного давления, при котором магниторазрядный насос может начать работу. Показатель зависит от модели, но он должен быть ниже 1×10^-3 Торр. Иначе техника не запустится, или потребуется несколько попыток.

Для предварительного разрежения среды лучше всего применять турбомолекулярный агрегат, но можно подключать и цеолитовый. Спиральные версии создают недостаточно низкое предельное остаточное давление, поэтому не могут работать совместно с магниторазрядными.

МВН очень сильно нагревается при запуске, поскольку затрачивает много энергии. Если запуск не удался, заново включать оборудование можно только после остывания. При функционировании на давлении ниже 1×10-3 Торр прибор тоже перегревается.

Устройство магниторазрядного насоса

В корпусе магниторазрядного агрегата расположены электродные узлы. Чем их больше, тем быстрее выполняется откачка потока. Каждый блок состоит из двух титановых катодов и одного анода. Они находятся параллельно друг другу. Анод — это ячеистой материал, каждое звено представляет собой выемку в форме цилиндра. Катод же выглядит как цельная пластина. Между блоками проходит напряжение в 5-7 кВ, которое выходит в камеру аппарата через высоковольтный сальник.

Снаружи корпуса расположены постоянные магниты. При этом магнитное поле размещено перпендикулярно электродам. В зависимости от типа оборудования катоды могут быть ячеистыми, тогда за ними параллельно проходят дополнительные пластины.

Принцип работы магниторазрядного насоса

Магниторазрядные устройства функционируют по схеме:

1. Плоские титановые катоды и ячеистый анод объединяются в электронный блок. Он находится в электронном поле. Постоянный магнит — главный элемент в магнитном поле.
2. Отверстия в аноде соединяются с расположенными напротив участками катодов. Получается разрядная ячейка.
3. Разница потенциалов между электродами стимулирует появление электрического разряда в ячейках. Для этого достаточно даже случайного перемещения электронов через разрядную область.
4. Электроны движутся по спиралевидной траектории, огибая ось ячейки. Это происходит под действием магнитных и электрических полей.
5. Газ ионизируется от движения электронов. Положительно заряженные частицы воздействуют на катод.
6. Титановые компоненты распыляются. Они образуют пленку на поверхности катодов.
7. Активные газы хемосорбируются титановым полотном.

Тяжёлые инертные газы с крупными ионами обрабатываются под действием катодов. Скорость откачки зависит от состава и свойств рабочего объема.

Типы магниторазрядных насосов

Магниторазрядные насосы бывают:

• диодные;
• триодные;
• комбинированные.

В первом типе агрегатов в вакууме всегда находятся электроны.  Катод движется к аноду по спирали и сталкивается с атомами воздушной смеси. При этом нейтральные частицы ионизируются. Столкновения повторяются, за счёт чего повышается давление. Полученные ионы приближаются к катодам, стимулируя выработку тока. Электрическое поле повышает их скорость движения. Ионы насыщаются энергией, которой достаточно для удаления атомов титана с катода.

Частицы рабочей среды активно реагируют на геттерный материал (титан), поэтому взаимодействуют между собой:

• адсорбируются, растворяются с образованием химических элементов;
• соединяются — ионы внедряются в катоды;
• осаждаются на поверхностях насоса;
• поглощают воздушные молекулы.

Вид реакции частиц зависит от особенностей газового объема. Другие активные вещества поглощаются в процессе взаимодействия ионов и электронов. Но хемосорбция среды молекулами титана происходит непрерывно.

Инертные потоки среди всех взаимодействий частиц в наибольшей степени реагируют на диффузию ионов в катоды, а в меньшей — на соединение частиц с титановым полотном. Откачка благородных сред отрицательно влияет на параметры диодных аппаратов, поскольку катоды постоянно распыляются и инертные смеси вновь освобождаются. Этот минус компенсируется применением катодов с ячеистым материалом в триодных версиях. В них основная масса свободных атомов титана удерживается на вспомогательных электродах. Частицы обладают энергией для повреждения титановой пленки. В результате инертные газы не освобождаются при функционировании техники. Благородные смеси откачиваются быстрее, чем в диодных устройствах. Но даже при таком механизме работы скорость их обработки составляет 25-30% от быстроты перекачки активных смесей.

Комбинированные насосы оснащены двумя типами катодов — титановым и танталовым. Они взаимодействуют с любыми газовыми смесями, но функционируют медленнее, чем диодные и триодные.

Виды магниторазрядных насосов

Различают неохлаждаемые и водоохлаждаемые МВН. Первые не способны длительно работать из-за перегрева электродов. Вторые лишены этого недостатка за счёт встроенной системы водяного охлаждения. Поэтому они легко запускаются при давлении до 5 Па и продолжительно функционируют при давлении 10^-1 Па. В водоохлаждаемых версиях катоды, расположенные вне корпуса, испытывают высокое отрицательное напряжение. Аноды агрегатов заземлены.

В откачанной магниторазрядным аппаратом среде обычно присутствует водород, азот, аргон, метан и окись углерода. При этом блоки питания характеризуются параметрами — предельная мощность вырабатывается при наибольшем давлении стабильного функционирования техники. Скорость откачки при высоком давлении растет с повышением мощности блока питания. При этом увеличивается масса и размеры источника питания, а также выделение тепла на электродах. В таких условиях между элементами может возникнуть дуговой разряд. Поэтому ток, подаваемый на одну ячейку, ограничивают для диодных неохлаждаемых насосов до 0.5 мА, для охлаждаемых до 3 мА, а для триодных до 4 мА.

Основные характеристики магниторазрядных насосов

Главные параметры МВН:

• скорость откачки;
• предельное остаточное давление;
• наивысшее стартовое давление;
• наибольшее рабочее давление.

Характеристики оборудования зависят от геометрии разрядных ячеек, напряжённости магнитного поля и критериев источника питания. Из-за мощного магнитного поля, необходимого для действия агрегата, рядом с магнитами возникает материя рассеяния. Это часто приводит к приостановке рабочих процессов. Чтобы этого избежать, применяют экранирование насосов. Металлическую сетку с противоположным потенциалом устанавливают на входном патрубке — такой ионный барьер задерживает частицы в области разряда и препятствует их проникновению в вакуумную камеру.

Преимущества и недостатки магниторазрядных насосов

Магниторазрядные агрегаты способны отработать до 50000 часов при давлении 10^-6. Чем глубже вакуум, тем дольше прослужит техника. В МВН отсутствуют изнашивающиеся элементы. Также им характерны другие плюсы:

• безмасляная откачка;
• достижение глубокого и сверхглубокого разрежения;
• функционирование без шума и вибраций;
• удобство эксплуатации и обслуживания.

Магниторазрядные устройства — высокотехнологичное оборудование с отличными рабочими параметрами. Но и у них есть недостатки:

• избирательность к газовой смеси — откачка разных по составу объемов значительно отличается по времени;
• чувствительность к загрязнениям, особенно углеводородным;
• недостаточная эффективность при функционировании в условиях давления до 10^-3 Па;
• образование вторичной электронной эмиссии и материи рассеяния;
• выброс паров геттерного материала;
• питание от высоковольтных источников.

Сфера применения магниторазрядных насосов

МВН обладают высоким ресурсом работы и не требуют смазки, что позволяет получать безмасляный вакуум. Эти свойства ценятся в различных направлениях — медицине, металлургии, химической промышленности, научной и исследовательской деятельности.

Агрегаты применяют для изготовления диодов, триодов, источников света и излучения заряженных частиц, цикличных ускорителей и в других областях. Они востребованы при изучении поверхностей и в масс-спектрометрии. Особенности и устойчивость оборудования к вибрациям позволяют его использовать:

• в литографии;
• в электронной микроскопии;
• при изготовлении вакуумных трубопроводов;
• при производстве полупроводников;
• для создания космических условий.

Магниторазрядные насосы часто подключают к другим агрегатам, чтобы получить мощную вакуумную систему.

Популярные бренды магниторазрядных насосов

Надёжные производители предлагают магниторазрядные насосы со стандартными функциями и дополнительными возможностями. Среди них бренды:

• Agilent Technologies;
• Gamma Vacuum;
• Kurt J. Lesker;
• KYKY Technology;
• SAES Group;
• Ulvac;
• VACOM;
• Авакс;
• ГК Криосистемы.

Agilent Technologies

Ведущая компания выпускает магниторазрядные насосы с конца 1950-х годов. Аппараты постоянно совершенствуются и современные модели оснащены всеми инновационными функциями. Именно специалисты Agilent Technologies разработали диодную версию, а позже предложили и триодную модель с запатентованной технологией StarCell. Также бренд создал коллекцию аппаратов VacIon Plus.

МВН VacIon Plus — это полноценная линейка ионного оборудования, с широкими возможностями и дополнительными опциями. Эта серия выпущена для обеспечения потребностей промышленных и научных направлений. У агрегатов значительно различаются параметры рабочего давления, способность откачки газов разного состава и предельное начальное давление. Поэтому каждая модификация точно подходит для конкретной деятельности, невозможно выделить лучшее устройство.

В линейке продукции VacIon Plus представлены магниторазрядные насосы:

1. Diode — устройства вырабатывают наибольшую производительность среди всё ионно-геттерных аппаратов при откачке азота, кислорода, моноксида и диоксида углерода, а также прочих адсорбирующих смесей. Агрегаты не создают вибраций и точно определяют давление при высоком вакууме.
2. StarCell — триодные агрегаты, созданные по запатентованным разработкам компании. Они способны откачивать различные инертные газы, быстро обрабатывать метан, гелий и аргон. Хорошо действуют при давлении 10^-8 и выше.
3. Noble Diode — изменённая модель устройств Diode, с одним танталовым катодом вместо титанового. Такая замена положительно влияет на производительность откачки аргона, гелия и других инертных потоков.

Gamma Vacuum

Компания предлагает огромную модельную линейку МВН. Среди них присутствуют стандартные версии с быстротой откачки 0.2-1200 л/с, а также нестандартные — аппараты с титановым корпусом, специальная серия Eximo и прочие. Первые выпускают в горизонтальном или вертикальном исполнении, с блоками прогрева, распыляемыми геттерами и другими дополнительными опциями.

По особенностям конструкции агрегаты Gamma Vacuum классифицируют на:

• малогабаритные;
• низкопрофильные;
• высокопрофильные.

Первые отличаются компактными размерами и работают со скоростью до 75 л/с. Два последних типа характеризуются высокой производительностью, а различаются направлением расположения рабочих узлов.

Бренд разработал геттерные аппараты NEG и титано-сублимационные устройства TSP, чтобы расширить параметры магниторазрядных насосов. Они оснащены системой электронного управления с цифровым дисплеем.

Ulvac

Магниторазрядные насосы от ведущего бренда представлены линейкой ACTER. Они выполнены с оптимизированным магнитным полем и особыми элементами, которые помогают улучшить откачку в глубоком и сверхглубоком вакууме.

Технические характеристики агрегатов:

• предельное давление 10^-10 Па;
• высокая производительность при обработке благородных сред;
• минимальные утечки, полное обезгаживание — устройства оснащены эксклюзивным нагревателем и крышкой;
• продолжительное функционирование без техобслуживания;
• быстрая откачка в сверхглубоком вакууме;
• отличные рабочие параметры в условиях сверхвысокого разрежения — откачку контролирует встроенная система поддержания разряда.

Магниторазрядные насосы — эффективные, производительные устройства. Чтобы полноценно оценить их работоспособность, важно учитывать параметры моделей для применения в конкретном направлении. Основное значение имеет тип оборудования — диодный, триодный или комбинированный.

KYKY

Магниторазрядные насосы от одного из ведущих брендов представлены линейками 2L и 3L. Передовые технологии и высокие показатели работы.

Технические параметры МВН от KYKY:

• производительность: от 21 до 450 л/с;
• фланцы CF: 35/100/150;
• давление запуска: 5*10-4 бар;
• температура прогрева с магнитами/без магнитов: 300/200.