Ионно-геттерный насос

 

ИОННО-ГЕТТЕРНЫЙ НАСОС, содержащий герметичный корпус-катод, выполненный в виде трех полых коаксиальных цилиндров с размещенным на его оси анодным стержнем, и магнитную систему, расположенную между внутренним и промежуточным цилиндрами корпуса-катода, и выполненную в виде набора кольцевых магнитов с чередующейся полярностью, разделенных вставками из магнитомягкого материала , отличающийся тем, что, с целью повышения быстроты откачки и увеличения ресурса, в него введены электростатический экран, выполненный в виде полого цилиндра, коаксиально охватывающе го промежуточный цилиндр корпуса-катода и соединенного с анодным стержнем, и электродуговой испаритель геттера, катод которого выполнен в виде полого цилиндра, коаксиально охватывающего электростатический экран, при этом электростатический экран выполнен из магнитомягкого материала и снабжен кольцевыми вставками из (Л немагнитного материала, расположенными симметрично относительно перпендикулярных оси насоса плоскостей симметрии магнитов и выцолненными. с толщиной, равной 0,2-0,8 толщины магнитов.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)4 Н 01 3 41 12

BI, EC0IQBHAP 1

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

НАТЕНТИ- 7 !, !."БИЬЛ i Т,:-:-,";

ГОСУДАРСТЕЕННЦЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 3549396/18-21 (22) 08.02.83 (46) 23.02.89. Бюл. ¹- 7 (72) Л.С.Гуревич, Д.А.Карпов, В.В.Назаров, С.Л.Потехин и Г.Л.Саксаганский (53) 621.528.5(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 387465, кл. Н 01 J 41/00, 1972, Авторское свидетельство СССР № 741352, кл. Н 01 J 41/12, 1979.

Патент США ¹ 3216652,кл,417-49, 1965. (54) (57) ИОННО-ГЕТТЕРНЫЙ НАСОС, содержащий герметичный корпус-катод, выполненный в виде трех полых коак1 сиальных цилиндров с размещенным на его оси анодным стержнем, и магнитную систему, расположенную между внутренним и промежуточным цилиндрами корпуса-катода, и выполненную в виде набора кольцевых магнитов с чеI

1 .

Изобретение относится к технике получения высокого и сверхвысокого вакуума, в частности к геттерным и ионно-геттерным насосам, и может быть использовано, например для откачки вакуумных объемов ускорителей заряженных частиц, электронных и ионных пушек и других устройств.

Известен ионно-геттерный насос, содержащий герметичный охлаждаемый корпус, испаритель геттера и магни- торазрядную ступень откачки.

В этом насосе сорбционная поверхность выполнена в виде-двух профили„„SU„„1102408 А редующейся полярностью, разделенных вставками из магнитомягкого материала, отличающийся тем, что, с целью повышения быстроты откачки и увеличения ресурса, в него введены электростатический экран, выполненный в виде полого цилиндра, коаксиально охватывающего промежуточный цилиндр корпуса-катода и соединенного с анодным стержнем, и электродуговой испаритель геттера, катод которого выполнен в виде полого цилиндра, коаксиально охваты: вающего электростатический экран, при этом электростатический экран выполнен из магнитомягкого материала и снабжен кольцевыми вставками из немагнитного материала, расположенными симметрично относительно перпендикулярных оси насоса плоскостей симметрии магнитов и выполненными. с толщиной, равной 0,2-0 8 толщины магнитов.

2 «ф « рованных охлаждаемых цилиндров,раз- р мещенных вокруг испарителя геттера 0« внутри магниторазрядной ступени откачки.Испаритель представляет собой пря". монакальное проволочное устройство.

Достоинством этого насоса является повьппенная удельная быстрота откачки и возможность откачивания активных и инертных газов. Недостатками этого насоса являются малая бы строта откачки газов магниторазряд ной ступенью и малый ресурс катода. испарителя, определяемый неравномерностью испарения. В месте наиболее

2408 4 устройство.

Насос состоит Hs магниторазрядных

45 ячеек магнетронного типа, включающих аксиально расположенные .внутренний 1 и внешней 2 электроды. К .внешнему электроду магниторазрядных яче. ек подводится от источника питания через стержень 3, расположенный на оси, положительное напряжение 1

10 кВ по отношению к заземленному внутреннему электроду. Катодом магниторазрядных ячеек, таким образом, является внутренний электрод f, а

55. анодом-стержень 3 и внешний электрод 2. Магнитораэрядные ячейки, заключенные между стержнем 3 и внутренним электродом 1, представляют собой

3 110 интенсивного испарения катода испарителя его сечение начинает уменьшаться быстрее, чем в других местах. г

В этом месте увеличивается сопротив-/ ление и количество выделяемого тепла, что приводит к еще более интен-. сивному распылению материала геттера. В результате на катоде выгорает только узкая "шейка" и он выходит из строя.

Известен ионно-,геттерный насос, содержащий испаритель геттера и магниторазрядную ступень откачки, в котором испаритель геттера выполнен в виде дугового разрядного устройства. Анодом дугового .разрядного устройства являются катоды магнитораз-..рядной ступени откачки, выполненные в виде герметичных охлаждаемых карманов, размещенных симметрично вокруг,испарителя геттера..

Комбинация магниторазрядного и дугового насосов в одном блоке позволяет повысить эффективность откачки газов за счет потока электронов с катода дугового испарителя, попадающего в зону высоковольтного разряда магниторазрядной ступени откачки. Повьппается надежность насоса, так как исключаются накаливающиеся до высоких температур проволочные элементы, критические к давлению в насосе и не допускающие прорыва атмосферы.

Недостатком этого комбинированного насоса является его невысокая надежность.Она определяется возможностью запыления магниторазрядных ячеек при работе электродугового испарителя и, следовательно, выходом этих ячеек из строя в результате возникновения короткого замыкания между ними. Кроме того, нагрев магниторазрядных ячеек, определяемый работой электродугового испари теля, приводит к снижению их быстроты действия и, следовательно, снижению эффективности работы всего насоса и его ресурса.

Известен также ионно-геттерный насос,.содержащий герметичный корпускатод, выполненный. в виде трех полых коаксиальных. цилиндров с размещенным на его оси анодным стержнем и магнитную систему, расположенную между внутренним и промежуточным цилиндрами катоДа и выполненную в виде набора кольцевых магнитов с чередую5

40 щейся полярностью, разделенных вставками из магнито-мягкого материала.

Недостатком этого насоса является относительно низкая быстрота геттерной откачки по сравнению с той же величиной, например для насоса, опи-. санного во втором источнике.

Целью изобретейня является повышение быстроты откачки и увеличение ресурса ионно-геттерного насоса.

Указанная цель достигается тем, что в ионно-геттерный насос, содержащий герметичньй корпус-катод, выполненный в виде трех полых коаксиальных цилиндров, с размещенным на

его оси анодным стержнем, и,магнит-, ную систему, расположенную между внутренним и промежуточным цилиндрами корпуса-катода, и выполненную в виде набора кольцевых магнитов с чередующейся полярностью, разделенных вставками из магнитомягкого материала, введены электростатический экран, выполненный в виде полого цилиндра, коаксиально охватывающего промежуточный цилиндр корпуса-катода и соединенного с анодным стерж-нем, и электродуговой испаритель геттера, катод которого выполнен в виде полого цилиндра, коаксиально охватывающего электростатический экран, при этом электростатический экран выполнен из магнитомягкого материала и снабжен кольцевыми вставками. из немагнитного материала, расположенными симметрично относительно перпендикулярных оси насоса плоскостей симметрии магнитов, и выполненными с толщиной, равной 0,2-0,8 толщины Магнитов.

На фиг. представлено предлагаемое

5 11024 инверсный магнетрон, а ячейки, образованные между внутренним электродом

1 и внешним электродом 2 — прямой магнетрон.

Величина зазора между катодом и анодом ячеек определяется напряженностью магнитного поля и электрическим напряжением между, катодом и ано дом. При напряженности магнитного поля 200-800 Э и электрическим напряжением 1-10 кВ величина зазора между катодом и анодом магниторазрядных ячеек составляет 4-30 мм. Внутренний электрод I является одновременно корпусом откачного блока, а. внешний 2 — электростатическим экраном цилиндрического катода 4 элект. родугового испарителя геттера (титана),, расположенного аксиально магниторазрядным ячейкам. Внутренний электрод магниторазрядных ячеек 1 и ,стержень 3 выполнены из немагнитного электропроводящего материала, а внешний электрод — из магнитомягко- 2б го электропроводящего: материала. Поверхность внешнего электрода магниторазрядных ячеек, обращенная в сторону катода электродугового испарителя, покрыта слоем электроизолирующего ма- З0 териала 5. Иагнитное поле, необходимое для работы магниторазрядных ячеек, образуется постоянными магнитами

6 ° расположенными в полости корпуса откачного блока. Эти магниты собраны одноименными полюсами навстречу друг. другу и разделены шайбами 7 из магнитомягкого материала. Внешний электрод магниторазрядных ячеек снабжен вставками 8, выполненными

40 из немагнитного электропроводящего . материала, средние сечения которых совпадают со средними сечениями постоянных магнитов. Величина зазора между внешним электродом магниторазрядных ячеек и катодом электро45 дугового испарителя составляет 27 мм. Поджигающее устройство 9, обеспечивающее включение электродугового испарителя, установлено на периферии катода 3 вне зоны испарения материала этого катода. Характер изменения силовых линий магнитного поля в комбинированном откачном блоке изображен пунктирными линиями.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Вклщчение электродугового испарителя геттера комбини рованного откачного блока производит08 6 ся при давлении остаточных газов не вьппе 5 10 мм рт.ст. Оно осуществляется подводом импульсного напряжения порядка 2 кВ к поджигающему устройству 9 от блока поджига дуги.

При включении поджигающего устройства возникает вакуумная дуга и образуются катодные пятна, являющиеся непосредственным источником испаряемого материала.

Расположением осесимметричной маг-: ! нитной системы магнетронных ячеек внутри полого цилиндрического катода испарителя осуществляется магнитная стабилизация дугового разряда, Если для устойчивой работы электродугового испарителя титана минимально допустимый рабочий ток составляет

135 А, то при наложении внешнего так= генциального к катоду магнитного поля с напряженностью 40-150 Э достигается снижение минимально допустимого рабочего тока до 25-50 ..А. Причем увеличение эффективности работы насоса осуществляется в магнитных полях рассеяния магниторазрядной ступени откачки без использования дополнительных источников магнитных полей.

Наличие внешнего электрода 2 магниторазрядных ячеек, выполненного из магнитного материала и снабженного вставками из немагнитного материала, средние сечения которых совпадают со средними сечениями постоянных магнитов, позволяет реализовать на поверхности испарителя периодическую структуру магнитного поля с несколькими локальными максимума напряженности, что приводит к выравниванию скорости испарения геттера с поверхности катода, а следовательно, увеличению ресурса, надежности и эффективности насоса. При отсутствии немагнитных вставок на поверхности испарителя вдоль оси реализуется только один максимум напряженности магнитного поля. После поджигания дуги катодные пятна локализуются в области этого максимума и вращаются вокруг оси испарителя, вследствие чего на катоде испарителя образуется желоб шириной 5-7 мм, глубиной 5-7 мм, после образования которого вакуумная дуга гаснет и поджечь ее вновь не удается. При наличии немагнитных вставок и реализации нескольких локальных максимумов 1102408 8 напряженности магнитного поля на поверхности испарителя катодные пятна, вращаясь вокруг оси, перемещаются от одного локального максимума к другому, равномерно распыляя катод.

Для нормальной работы испарителя необходимо обеспечить напряженность магнитного поля в локальных максимумах 40-150 Э, что достигается выбором соответствующего расстояния от магнитов до поверхности катода испарителя.

Наибольший эффект от немагнитных вставок может быть получен, если их средние сечения совпадают со средними сечениями постоянных магнитов. В этом случае на поверхности катода испарителя формируется магнитный поток наибольшей плотности. Оптимальная осевая протяженность вставок, установленная экспериментально, составляет 0,2-0,8 осевой толщины постоянных магнитов. При выходе из этого интервала локальные максимумы . напряженности магнитного поля на поверхности катода испарителя снижаются настолько, что эффект, создавае,мый немагнитными вставками пропадаl ет и распыление катода .испарителя происходит также, как и при,отсутствии вставок.

В качестве анода электродугового испарителя используется цилиндричеакая часть заземленного корпуса комбинированного откачного устройства (на чертеже не показана). Внешний электрод магниторазрядных ячеек 2, покрытый со стороны катода испаритрля слоем электроизолирующего материала 5, является одновременно электростатическим экраном испарителя и предотвращает возможность перехода о катодных пятен на внутреннюю и. торцовые поверхности катода 4.

Таким образом, при поджигании дуги в данном устройстве она горит .при малых токах 25-50 А (в зависимости от напряженности магнитного йоля на поверхности .испарителя), иокатодные пятна дуги равномерно распыляют катод.

Распыленный геттерный материал осаждается на аноде-корпусе и других поверхностях откачного устройства, покрывая их свеженапьшенной пленкой. На пленке -геттера происходит сорбция (химическое связывание) активных газов. Инертные. газы, не вза35 включая - активные.

В зазор между электродами 1 и 2, 1 и 3 попадают в основном молекулы инертных газов, так как активные газы откачиваются пленкой геттера, осажденной из катода электродугового испарителя на внутренних поверхностях откачного устройства. Поэтому быстрота действия магниторазрядных ячеек. по инертным газам увеличивается в сравнении с магниторазрядными ячейками, откачивающими наряду с инертными и активные газы. Запыление магниторазрядных ячеек испаряемым с поверхности испарителя геттером невозможно из-за отсутствия прямой видимости между испарителем и входным сечением ячеек, по этой же при- чине отсутствует и нагрев ячеек,при40

SS водящий к снижению их быстроты действия. Это приводит к повьппению надежности и эффективности работы всего комбинированного блока. имодействуя химически с геттером, практически совсем не откачиваются этой пленкой.

После снижения давления остаточ8 ных газов до 10 4 - 10 мм рт.ст. к внешнему электроду 2 и стержню 3 от блока питания ячеек подводится постоянное, положительное относительно заземленного внутреннего электрода 1 напряжение 1-10 кВ. Между электродом 2 и катодом 1, стержнем 3 и катодом 1 зажигается высоковольтный разряд в скрещенных элек15 трическом и магнитном полях. Электроны, находящиеся в зазоре между электродами 1 и 2, 1 и 3, перемещаются в скрещенных электрическом и магнитном полях. Они ионизуют молекулы остаточного газа. Образовавшие- .

20 ся ионы ускоряются в сторону внутреннего электрода 1, вызывая его распыление. Часть ионов, имея большие скорости, внедряется в этот.

25 электрод. Поскольку магниторазрядная ступень блока служит в основном для

:откачки инертных газов (активные газы откачиваются испарителем), откачка в ней производится преимущест30 венно за счет внедрения ионов инертных газов в катод (ионная откачка).

Поэтому материал катода (электрода 1) не обязательно должен быть геттером, как это требуется в случае откачки магниторазрядным насосом всех газов, 11024

При подведении к внешнему электроду магниторазрядных ячеек положительного потенциала он продолжает выполнять функции. электростатическо»

ro экрана по отношению к катоду 4 электродугового испарителя из-за наличия электроизолирующего;слоя 5, нанесенного на поверхность электрода 2, обращенную в сторону катода ,испарителя. Для этого необходимо, чтобы величина пробивного напряжения . слоя 5 была не ниже величины положительного потенциапа, приложенного к внешнему электроду магниторазряд40 ныл ячеек. Это условие выполняется, в,частности при использовании кера- мических и эмалевых покрытий толщи- 9

Для нормальной работы магниторазрядных ячеек необходимо обеспечить в зазоре анод-катод напряженность магнитного поля порядка 200—

800 Э. Это поле создается постоянными магнитами 6 с напряженностью 1500—

2000 Э на их поверхности. Искривление силовых линий магнитного поля, в зоне вставок 8 носит локальный характер и практически не сказывается на работе магниторазрядных ячеек.

Выполнение электрода.2 из магнитомягкого материала,концентрирует магнитное поле в межэлектродном простран-1> стве и," следовательно, увеличивает плотность, а также в диапазоне высокого и сверхвысокого вакуума область объемного заряда, приводя в конечном итоге к существенному увеличению разрядного тока, а это, в свою очередь, ведет к увеличению быстроты. откачки магниторазрядной ступени, т.е. повьппению эффективности работы комбинированного блока, 25 (08 10 ной, не превышающей 0,5-1 мм. Ионизация продуктов испарения материала катода 4 в процессе работы испарителя составляет 70-100Х практически для всех материалов, используемых в качестве геттера. Поэтому наличие о положительного потенциала на внешнем электроде 2 магниторазрядных ячеек ограничивает вероятность раз лета положительно заряженных продуктов испарения материала катода в направлении оси комбинированного от= качного устройства. Это, в частности позволяет создать насос без защитного экрана ho входном сечении насоса, предназначенного для ограничения вылета паров испаряемого геттера в откачиваемый объем. Отсутствие защитного экрана в конструкции насоса позволяет при прочих равных условиях в 1,5-3 раза увеличить его быстроту действия по сравнению с насосами, имеющими подобный экран.

Реализация изобретения позволяет таким образом повысить надежность и эффективность работы комбинирован» ного откачного блока за счет следую" щих факторов: отсутствие запыления и нагрева магниторазрядных ячеек материалом, испаряемым из катода, электродугового испарителя за счет размещения магниторазрядных ячеек внутри полого цилиндрического катода испарителя; осуществление магнитной стабилизации вакуумного дугового разряда магнитными полями рассеяния магниторазрядной ступени откачки; достижение равномерности испарения геттера с поверхности катода дугового испарителя; увеличение быстроты откачки магниторазрядной ступени.

1102408

Составитель К.Фотина

Редактор Н.Сильнягина Техред М.Ходанич Корректор, С.Шекмар

Заказ 749 Тирам 694 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина,101