МАГНИТОРАЗРЯДНЫЙ НАСОС
PENNING PUMP

Изобретение относится к вакуумной технике, точнее - к электрофизическим насосам, и может быть использовано для откачивания газа из герметичного сосуда до давления порядка 10 в минус девятой степени мм ртутного столба, например для создания электронно-вакуумных приборов с большим сроком службы и с низким коэффициентом уровня шума.
За последние несколько десятков лет вакуумные насосы в своем развитии прошли путь от сорбционных (поглотительных) до современных магниторазрядных. При этом сущность «поглощения» в принципе работы вакуумных насосов сохранилась до сих пор. Одним из лучших поглотителей является титан, который образует твердое химическое соединение со всеми компонентами остаточных газов, кроме инертных газов. Для непрерывного обновления поверхности титана применяли термическую возгонку (сублимацию), а в более мощных насосах - испарение титана из жидкой фазы. Таким образом, вся внутренняя поверхность насоса (герметичного корпуса, куда входит поглощаемый газ) может быть превращена в насос с колоссальной быстротой откачки, превышающей 100 тысяч литров в секунду.
Для улучшения откачивающего действия сорбционного насоса в нем появились элементы возбуждения и ионизации атомов откачиваемого газа, обеспечивающие электрический разряд или поток электронов из накаленного катода. Насосы, в которых одновременно осуществляют ионизацию газа и распыление газопоглотителя называют ионно-сорбционными. Магниторазрядные насосы (или насосы Пеннинга) отличаются холодным катодом, где, во-первых, осуществляется катодное распыление титана (или другого пригодного материала) путем бомбардировки холодного катода ионами откачиваемого газа с энергией несколько кило-электрон-вольт, а, во-вторых, источником электронов, необходимых для ионизации газа, является магнитно-изолированный газовый разряд (так называемый разряд Пеннинга).
В рассматриваемых ниже в данной заявке в магниторазрядных насосах могут полностью отсутствовать высокотемпературные элементы и громоздкие средства охлаждения (это еще и долговечность). При этом и уход ионов газа на катод насоса и связанное с этим распыление катода и поглощение газа составляют полезный эффект откачки газа.
Известны магниторазрядные насосы [Г.Л. Саксаганский. «Электрофизические вакуумные насосы». М.: Энергоатомиздат, 1988 г.; или Г.Н. Васильев, «Магниторазрядные насосы», 1970 г.], содержащие магнитную систему и электродную систему, включающие в себя анодный и катодный блоки, а также корпус и высоковольтный и газовый вводы, при этом электродная и магнитная системы расположены внутри герметичного корпуса.
Недостатком таких насосов является снижение быстроты действия ячеек на границах магнитов за счет снижения индукции магнитного поля, а поскольку таких ячеек много, то общее снижение быстроты действия насоса значительно.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому насосу является магниторазрядный насос [Патент США №3994625, US CL. 417/49], имеющий корпус, высоковольтный ввод, анодный блок, два титановых катода и магниты, создающие магнитное поле, направленное по оси анодного блока.
Основным недостатком прототипа является снижение быстроты действия ячеек и, соответственно, всего насоса на границе магнитов за счет снижения индукции магнитного поля.
Техническим результатом и задачей изобретения является улучшение главной технической характеристики прототипа - увеличение быстродействия насоса без увеличения его весогабаритных характеристик, т.е. увеличение его удельного быстродействия за счет выравнивания магнитного поля насоса на периферии его рабочей области. При этом выигрыш составляет в среднем порядка 10% для различных конструктивных решений (определен автором экспериментально).
Указанные технический результат и задача достигаются тем, что магниторазрядный насос, содержащий корпус с входным патрубком и высоковольтным вводом, электродную и магнитную системы, причем электродная система состоит из n анодов и m катодов, а магнитная система состоит из L пар магнитных полюсов, при этом аноды, катоды и магнитные полюса расположены внутри полого герметичного корпуса из цельной замкнутой стенки и верхней и нижней крышек таким образом, чтобы их электрическое и магнитное поля, взаимодействуя друг с другом, наилучшим образом откачивали газ, поступающий через входной патрубок внутрь корпуса, для этого между разнополярными магнитными полюсами всех L пар располагают всю электронную систему, причем все n полых анодов располагают параллельно магнитному полю, a m катодов - поперек магнитного поля с двух сторон от открытых торцов анодов, оставляя зазор между анодами и катодами, магнитная система выполнена составной с изменением свойств магнитных полюсов на периферии относительно свойств магнитных полюсов в центре магнитной системы, обеспечивающих уравнивание величины индукции магнитного поля во всей рабочей области насоса.
На фиг. 1 представлен эскиз магниторазрядного насоса.
Насос содержит:
1 - корпус, изготовленный из магнитного металла;
2 - высоковольтный ввод;
3 - входной патрубок для присоединения насоса к объекту откачки;
4 - крышки, изготовленные из магнитного материала;
5 - аноды и 6 - катоды насоса,
составляющие электродную систему
7, 8 - магнитную систему, содержащую 3 пары (L=3) магнитных полюсов, создающих магнитное поле по оси насоса, при этом: 7 - внутренние магниты, 8 - наружные магниты.
Все используемые в насосе элементы и материалы широко применяемы и доступны.
Магниторазрядный насос, содержащий корпус 1 с входным патрубком 3 и высоковольтным вводом 2, электродную 5, 6 и магнитную 7, 8 системы, причем электродная система состоит из n анодов 5 и m катодов 6, а магнитная система состоит из L пар магнитных полюсов 7, 8, при этом аноды, катоды и магнитные полюса расположены внутри полого герметичного корпуса 1 из цельной замкнутой стенки и верхней и нижней крышек 4 таким образом, чтобы их электрическое и магнитное поля, взаимодействуя друг с другом, наилучшим образом откачивали газ, поступающий через входной патрубок 3 внутрь корпуса 1, для этого между разнополярными магнитными полюсами 7, 8 всех L пар располагают всю электронную систему 5, 6, причем все n полых анодов 5 располагают параллельно магнитному полю, a m катодов 6 - поперек магнитного поля с двух сторон от открытых торцов анодов 5, оставляя зазор между анодами 5 и катодами 6, магнитная система 7, 8 выполнена составной с изменением свойств магнитных полюсов 8 на периферии относительно свойств магнитных полюсов 7 в центре магнитной системы, обеспечивающих уравнивание величины индукции магнитного поля во всей рабочей области насоса. При этом магнитные полюса 7 и 8 могут быть выполнены ступенчатыми с разной толщиной на периферии и в центре и насоса, например, как на фиг. 1: 8 - толще чем 7 или наоборот. Магнитные полюса 8 и 7 соответственно на периферии и в центре могут быть выполнены из разных магнитных материалов, имеющих разную магнитную энергию, если внутренние магнитные полюса 7 выполнены из ферритов, то внешние 8 выполняют из сплавов самарий-кобальт или железо-неодим-бор. Конструктивно аноды 5 и корпус 1 могут иметь форму цилиндров или прямоугольную или другую, причем независимо друг от друга.
Магниторазрядный насос работает следующим образом.
Насос присоединяют через входной патрубок 3 к объекту откачки. Подключают источник постоянного тока к высоковольтному вводу 2, соблюдая полярность: плюс - к вводу 2, минус - к корпусу 1 насоса. Источник обладает падающей вольт-амперной характеристикой и на холостом ходу имеет на выходе +4…7 кВ. Подача такого напряжения на анод 5 при давлении 1 Па сопровождается возникновением разряда Пеннинга. Электроны разряда ионизируют остаточный газ в насосе и его положительные ионы ускоряются к катодам 6, бомбардируют их, распыляя титан - материал катодов 6. Распыленные нейтральные атомы осаждаются на внутренней поверхности корпуса 1 и анода 5, связывая остаточные газы в химические соединения, т.е. откачивая их из объема насоса. В ходе эксплуатации ранее разработанных насосов [Даниловский В.Ф., Михайлов В.П., Рудницкий Е.М., Фишман Р.И. Электронная промышленность, 1988, вып. 4, с. 64-65.], было выяснено, что периферийные ячейки электродной 5, 6 системы работают неэффективно в силу неэффективности конфигурации магнитной 7, 8 системы. В ранее созданных насосах существует резкое падение магнитного поля на периферии насоса, в результате этого периферийные ячейки насоса не работают, поскольку существует известная зависимость между диаметром и длиной ячейки, величиной магнитного поля и приложенным напряжением. Чтобы периферийные ячейки заработали, магнитное поле на периферии должно быть увеличено, что достигается изменением конструкции магнитной системы, например, как в случае, когда (фиг. 1) толщина внутреннего магнита 7 уменьшается, а толщина наружного магнита 8 остается прежней. Как вариант, внутренний магнит 7 выполняется из ферритов, а наружный магнит 8 - из материалов с большей магнитной энергией, например из сплавов саморий-кобальт или железо-неодим-бор. Эффект также достигается, если толщина внутреннего магнита 8 остается прежней, а наружный магнит 8 выполняется меньшей толщины, но из материала с большей магнитной энергией. В результате величина индукции магнитного поля у крайних ячеек увеличивается, они начинают эффективно работать и быстрота действия насоса увеличивается при практическом сохранении его веса, т.е. удельные характеристики насоса (отношение быстроты действия насоса к его весу) увеличивается.
Технико-экономические преимущества заявляемого насоса по сравнению с прототипом, характеризующим существующий уровень техники в области вакуумных насосов, заключается в повышении скорости их откачки и увеличении удельных характеристик. Экспериментальная проверка работоспособности насосов подтвердила эффективность предложенного технического решения.