Комбинированный магниторазрядный геттерный насос для откачки вакуумных объемов рубидиевого стандарта частоты

Полезная модель относится к вакуумной технике, точнее к электрофизическим насосам, в частности к магниторазрядным и геттерным насосам, и может быть использована для откачки вакуумных объемов стандартов частоты на фонтане охлажденных атомов (рубидиевых или цезиевых).
Уровень остаточного вакуума в атомном стандарте частоты является одним из ключевых факторов для достижения его высоких метрологических характеристик, поскольку он влияет как на количество охлажденных атомов, попадающих в область детектирования, а соответственно на соотношение сигнал/шум, так и на уширение атомной линии за счет столкновительных эффектов.
-9
В классической схеме стандарта частоты на фонтане охлажденных атомов (например, стандарты FO1 и FO2 в лаборатории SYRTE в Парижской обсерватории) для достижения необходимого уровня вакуума используются несколько высокопроизводительных магниторазрядных насосов. Однако магниторазрядные насосы обладают рядом недостатков. Прежде всего, в состав магниторазрядных насосов входят мощные магниты, которые создают вокруг себя магнитное поле высокой напряженности. Для того, чтобы уменьшить влияние поля рассеяния насосов на атомы в области охлаждения и в пролетной области необходимо применять сложные системы экранирования и компенсации магнитных полей. Кроме того, магниторазрядные насосы с высокой скоростью откачки, необходимой для поддержания в спектроскопе (стандарта) давления остаточных газов ниже 1⋅10 мбар, являются очень массивными.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является комбинированный магниторазрядный геттерно-ионный насос по авторскому свидетельству №387465, содержащий магниторазрядную ступень откачки, испаритель геттера и охлаждаемую сорбционную поверхность.
Недостатком такой конструкции насоса является его малая эффективность откачки инертных газов из вакуумных объемов стандартов частоты на фонтане охлажденных атомов, т.е. большой уровень остаточных газов в вакуумной части стандарта. Кроме того, насос такой конструкции обладает малым сроком службы, поскольку в процессе работы происходит непрерывный расход материала распыляемого геттера.
Технической задачей, решение которой достигается полезной моделью, является повышение эффективности откачки за счет повышения скорости откачки инертных газов из вакуумных объемов рубидиевого стандарта частоты, одновременно достигая уменьшение веса откачной системы и как следствие повышение виброустойчивости стандарта.
Сущность технического решения заключается в том, что в комбинированном магниторазрядным геттерным насосом для откачки вакуумных объемов рубидиевого стандарта частоты, включающим, расположенные в герметичном (вакуумном) корпусе и вдоль траектории прохождения пучка атомов, магниторазрядную секцию откачки с магнитной и электродной системами, и геттерную секцию откачки, размещенную вокруг нагревателя геттера внутри магниторазрядной секции по центру корпуса, согласно полезной модели геттерная секция откачки выполнена из нераспыляемого геттера (нагреваемого перед первым запуском до температуры 420°С для активации рабочего вещества), а в электродной системе магниторазрядного насоса, включающей размещенные вдоль внутренней части корпуса и соединенные с ним плоские катоды, между которыми расположен ячеистый анод, часть катодов, например половина, изготовлена из тантала (Та), другая часть из титана (Ti), при этом соотношение числа катодов из тантала и титана выбирается из соотношения парциальных давлений инертных газов и азота в остаточной среде вакуумного объема.
В варианте выполнения насоса нагреватель геттерной секции изолирован от вакуумной части корпуса насоса путем размещения его в отдельном корпусе снаружи вакуумной системы. Это позволяет снизить требование к герметичности узлов корпуса (в части конструкции вводов нагревателя геттерной секции) при сохранении достигнутого вакуума в герметичном корпусе насоса.
На фиг. 1 - показан общий вид насоса (в разрезе);
на фиг. 2 - вид на насос с открытой крышкой;
на фиг. 3 - схема рубидиевого стандарта частоты (в разрезе).
На рисунках обозначено: 1 - герметичный корпус насоса; 2 - катоды; 3 - анод; 4 - геттерная секция откачки; 5 - нагреватель геттера; 6 - корпус нагревателя.
1
2
Комбинированный магниторазрядный геттерный насос включает, расположенные в герметичном (вакуумном) корпусе 1 (выполнен стальным и трубчатой формы) магниторазрядную секцию откачки с магнитной системой (магниты для упрощения на рисунке не показаны) и электродной системой, включающей размещенные вдоль внутренней части корпуса и соединенные с ним плоские катоды 2, между которыми расположен ячеистый анод 3, и геттерную секцию откачки 4, размещенную вокруг нагревателя 5 геттера внутри магниторазрядной секции по центру корпуса 1. Геттерная секция откачки выполнена из прессованного порошка нераспыляемого геттера (титан-ванадиевый сплав TiV), нагреваемого перед первым включением до температуры активации (420°С), которая контролируется датчиком (на рисунке не показан), установленным внутри корпуса нагревателя 6. Половина катодов 2 изготовлена из тантала, другая 2 часть из титана. Соотношение числа катодов из тантала и титана выбирается из соотношения парциальных давлений инертных газов и азота в остаточной среде вакуумного объема.
В варианте выполнения насоса нагреватель геттерной секции изолирован от вакуумной части корпуса 1 насоса путем размещения его в отдельном корпусе 6 снаружи вакуумной системы. Это позволяет снизить требование к герметичности узлов корпуса (в части конструкции вводов нагревателя 5).
-3
-9
Магниторазрядный геттерный насос работает следующим образом. Перед запуском насоса необходимо создать в вакуумном объеме предварительное разряжение до уровня 10 мм.рт.ст с помощью внешнего насоса (на рисунке не показан). Затем при подключенном внешнем насосе производится активация геттерной секции путем нагрева ее до температуры активации 420°С и выдерживания ее при этой температуре 1-2 часа. После завершения процедуры активации и остывания геттерной секции внешний насос отключается и откачка осуществляется только геттерной секцией комбинированного насоса. После этого запускают блоки магниторазрядной секции, принцип работы которой основан на поглощении газа на поверхностях электродной системы (катоды 2 и анод 3) магниторазрядной секции. Совместная работа двух секций обеспечивает разрежение в вакуумном объеме до уровня ниже 1⋅10 мм.рт.ст.
2
2
Основную скорость откачки, более 2000 л/с по N, обеспечивает геттерная секция 4, обладающая высокой скоростью откачки для большинства атомов и молекул, однако в силу физических принципов не откачивает инертные газы. Для откачки инертных газов (в основном аргона Аr, проникающего в вакуумную часть 7 из окружающей атмосферы) рубидиевого стандарта частоты используется магниторазрядная секция с относительно небольшой скоростью откачки (~67 л/с по N), в которой для повышения скорости откачки инертных газов часть электродов магниторазрядной секции насоса изготовлена из тантала (Та).
Ti
Ta
Повышение быстроты действия по инертным газам (примерно в 15 раз) в насосах с титан-танталовыми катодами объясняется более эффективным отражением ионов откачиваемых газов от тяжелых танталовых катодов (m=48, m=181) в виде высокоэнергетичных нейтралов и последующим внедрением их в анод с одновременным запылением материалом катодов.
Размещение нагревателя 5 геттерной секции 4 в отдельном корпусе 6 позволило изолировать его от вакуумной части корпуса 1 насоса, снизив требования к герметичности узлов корпуса и повысив надежность сохранения вакуума в корпусе насоса на достигнутом уровне.
-9
Таким образом, предлагаемая конструкции насоса позволяет поддерживать в вакуумной части его корпуса давление ниже 1-10мм.рт.ст., необходимого для нормального функционирования стандарта на фонтане охлажденных атомов, повысив при этом надежность конструкции за счет исключения необходимости использования нескольких магниторазрядных насосов, которые не только увеличивают вес и размеры стандарта, но мощные магниты насоса создают вокруг себя магнитное поле высокой напряженности, что приводит к необходимости применять в стандарте частоты сложные системы экранирования.