Способ откачки ЭВП
METHOD OF VTD EXHAUST

Изобретение относится к ускоренному переводу адсорбционных слоев молекул воздуха в свободный газ с помощью тепловых и механических средств, а именно к откачке воздуха из электровакуумного прибора (ЭВП).
Известна технология откачки воздуха из элемента внутренней арматуры ЭВП - нанопористой силикатной шайбы окна вывода энергии магнетрона [1 аналог]. Откачка происходит при нагревании и состоит из двух последовательных этапов десорбции, первичной поверхностной и вторичной объемной.
Нагреватель внешней печи применяется для теплового увеличения амплитуды колебаний атомов материалов, частотные диапазоны которых представлены в табл. 1., и направлен на уменьшение длительности периода десорбции для молекул воздуха с внутренней поверхности корпуса и деталей внутренней арматуры. Известно, что увеличение амплитуды колебания атомов материала при тепловых колебаниях способствует ускорению разрыва адсорбционных связей молекул воздуха с поверхностью.
5
-6
Общая длительность откачки от атмосферного давления 10 Па до заданного давления 10 Па составляет, в зависимости от типа ЭВП, от 8 до 10 час. Нагревание приводит к возрастанию амплитуды колебаний атомов применяемых материалов в терагерцевом диапазоне. При этом возрастают потоки десорбции молекул воздуха, возникает эффект уменьшения длительности откачки по сравнению с длительностью откачки при комнатной температуре. Этот эффект имеет температурные ограничения, так, например, в технологии производства магнетронов нагрев корпуса выше 550°C не допускается. Следовательно, технология откачки по схеме аналога имеет температурный физически ограниченный предел возрастания амплитуды атомов применяемых материалов. Этот предел нельзя преодолеть, и нет таких теплотехнических возможностей, с помощью которых при нагреве в разрешенном интервале температур может быть уменьшена длительность откачки.
Наиболее близким для заявляемого изобретения по совокупности признаков является способ откачки ЭВП [2], в корпусе которого размещен катод. Откачку осуществляют одновременно с приложением ультразвуковых колебаний к корпусу, и за счет этого ускоряют удаление молекул воздуха с внутренней стенки корпуса и с катода.
Недостатком способа является применение двух нагревателей печей сопротивления, основной и вспомогательной, для обеспечения термической десорбции, что увеличивает длительность откачки и энергозатраты на нее.
Задачей изобретения является уменьшение длительности откачки и энергетических затрат на откачку.
Это достигается тем, что в способе откачки ЭВП, включающем откачку воздуха из объема корпуса ЭВП, в который помещен катод, с одновременным приложением к корпусу ультразвуковых колебаний, корпус нагревают в условиях прохождения ультразвуковых колебаний при частоте максимального прохождения ультразвуковой волны через ЭВП.
В результате механического возбуждения атомов материала возникают дополнительные десорбционные потоки свободного газа, которые откачиваются вакуумным насосом. Так же, как и при тепловом воздействии, увеличение амплитуды колебания приводит к двум последовательным этапам десорбции, первичной поверхностной и вторичной объемной.
При этом с нагреванием при частоте максимального прохождения ультразвуковых колебаний происходит не известный ранее эффект ускоренного разрыва адсорбционных связей молекул воздуха с поверхностью материала, приводящий к увеличению десорбционных потоков, и является физической причиной уменьшения длительности откачки. В связи с тем, что энергетические затраты на ультразвуковое воздействие являются незначительными по сравнению с затратами на нагрев корпуса ЭВП печью сопротивления, уменьшение длительности откачки создает экономию энергопотребления.
Определялась зависимость термоакустических потоков десорбции молекул воздуха при данной эффективной частоте ультразвуковых колебаний от температуры и длительности. Указанная зависимость является технической основой для составления технологического регламента откачки, который состоит в определении оптимальных параметров теплового и механического воздействия на ЭВП для ускоренного достижения заданного давления остаточных газов.
Технический результат способа откачки достигается за счет одновременного нагревания и воздействия ультразвуковых колебаний при частоте максимального прохождения ультразвуковой волны через ЭВП.
Ультразвуковые колебания являются механическим воздействием на материал, ограниченным областью упругой деформации материала. Возникающие в материале ЭВП механические колебания обеспечивают не известную ранее интенсивную десорбцию газа с поверхности и из объема материала. Определение длительности откачки ЭВП рассчитывается по разработанной методике с учетом возрастания интегрального и парциального давления остаточных газов, определенных вакуумметрическим и масс-спектрометрическим методами. Таким образом, термоакустические колебания компактных массивных деталей ЭВП являются технически полезными и энергетически более выгодными для эффективной откачки по сравнению с откачкой при термических колебаниях.
На фиг. 1 показан график временной зависимости повышения давления остаточных газов в объеме магнетрона после отключения высоковакуумного насоса.
На фиг. 2 показан график временной зависимости давления остаточных газов в объеме магнетрона при нагревании корпуса с ультразвуковым воздействием до 393°C.
Пример реализации способа. Откачку осуществляют следующим образом. Корпус ЭВП, в который помещен катод, за счет механического крепления оснащают двумя одинаковыми пьезоактивными элементами. Эти элементы выполняют разные функции при определении частоты максимального прохождения ультразвуковой волны и в режиме откачки воздуха.
При определении частоты максимального прохождения ультразвуковой волны через ЭВП один элемент с помощью генератора сигналов генерирует колебания, амплитуда которых определяют на осциллографе, другой элемент - прием прошедших через ЭВП ультразвуковых колебаний, амплитуду которых также регистрируют на осциллографе.
В режиме откачки воздуха из ЭВП оба пьезоактивных элемента подключают к генератору сигналов по параллельной схеме для создания генерации на частоте максимального прохождения ультразвуковой волны через ЭВП.
Для обеспечения устойчивой работы элементы изготавливают из монокристаллов семейства лангасита, сохраняющих свои пьезоэлектрические свойства до температуры 1400°C [3].
Электропитание к акустически активным элементам подают от генератора сигналов через вакуум-плотные токовые вводы на фланце откачного поста.
При свипировании по частоте генератора сигналов определяют частоту ультразвукового воздействия на корпус ЭВП, при которой амплитуда колебаний пластины излучателя и амплитуда колебаний приемной пластины незначительно отличаются, т.е. пропускание ультразвуковой волны через ЭВП проходит с минимальными потерями мощности. Для данного магнетрона максимально эффективное прохождение ультразвуковой волны соответствует частоте 36 кГц.
После герметизации ЭВП на откачном посту выполняют последовательно предварительную откачку и высоковакуумную откачку. После достижения высоковакуумного диапазона давления остаточных газов одновременно включаются вакуумметр, масс-спектрометр, генератор сигналов и запускают программу процессорного регулирования нагревателя вакуумной печи сопротивления. По мере повышения температуры по линейному закону со скоростью ~10°C/мин производят автоматическую регистрацию во времени температуры, интегрального давления остаточных газов, парциальных давлений компонентов с различными значениями атомных единиц массы для 16 элементов. Все измерения производят синхронно с частотой «одно измерение в секунду» в течение всего цикла откачки.
-7
На графике фиг. 1 показано повышение давления остаточных газов в объеме корпуса магнетрона при температуре 20°C после откачки до 5⋅10 Торр и отключении насоса: 1) без ультразвукового воздействия, 2) с ультразвуковым воздействием при 36 кГц. Из сравнения кривых 1) и 2) следует, что кривая изменения 2) расположена выше кривой 1), т.е. применение ультразвукового воздействия приводит к термоакустическому эффекту десорбции большему, чем при термической десорбции.
равн
-3
5
4
Метод равновесной изотермической десорбции при 20°C в замкнутом объеме заключается в достижения равновесной десорбции с ультразвуковым воздействием за 24,4 часа по сравнению с 44,4 часа при традиционном термическом воздействии, т.е. длительность перевода адсорбированного газа в свободный газ для достижения одного и того же равновесного давления свободного газа Р=1,27⋅10 Торр сокращена с 1,6⋅10 с до 8,7⋅10 с, или в 1,84 раз.
T
TA
T
TA
-1
-1
Для интервала длительности 3000÷7000 с константа скорости десорбции при термической десорбции k=2,17±0,18, [с], константа скорости десорбции при термоакустическом воздействии k=2,42±0,14, [с], условный порядок реакции десорбции при термической десорбции n=0,626±0,08, условный порядок реакции десорбции при термоакустической десорбции n=1,261±0,04.
В результате, константа скорости десорбции при термоакустической десорбции характеризуется большим численным значением, чем при термической десорбции. Численное значение условного порядка реакции термической десорбции характеризует преимущественно диффузионный механизм реакции, для термоакустической десорбции - механизм химической реакции с диффузионным контролем.
На графике фиг. 2 показано повышение давления остаточных газов в объеме корпуса магнетрона при возрастании температуры по линейному закону со скоростью 9°C/мин в интервале 20÷393°C. Залповый выброс десорбированных молекул воды при термической десорбции, пик а), проявился через 37,5 мин при температуре 357°C, а при акустотермической десорбции пик b) проявился через 17,7 мин при температуре 182°C, следовательно, длительность откачки сокращена в 2,12 раз, температура эффективной десорбции молекул воды снижена на 175°C, т.е. ~ в 2 раза.
Таким образом, предлагаемый способ ускоренной откачки воздуха из объема ЭВП обеспечил не известное ранее уменьшение длительности и энергетических затрат на откачку за счет синхронного применения нагрева и ультразвуковых колебаний при частоте максимального прохождения ультразвуковой волны.
Литература
1. Петров B.C., Смирнов И.С., Яковлев О.И., Слюта Е.Н., Васильевский В.В., Монахов И.С., Прокофьева Т.В., Агафонов А.В. Способ идентификации промежуточных фаз в монокристаллах силикатов. Патент РФ на изобретение №2470288.
2. Заявка Японии №54-88060. Способ откачки электронной лампы.
3. High temperature piezoelectric materials: Defect chemistry and electro-mechanical properties / H. Fritze // J. Electroceram. - 2006. - V. 17. - P. 625-630.