Конструкция и принцип работы магниторазрядного ионно-геттерного насоса

---

Магниторазрядные насосы относятся к категории безмасляных высоковакуумных геттерных насосов (Классификация)

По принципу действия выделяют два типа магниторазрядных насосов:
- диодные магниторазрядные насосы:
- триодные магниторазрядные насосы

Предельное давление остаточных газов, которое может быть достигнуто с использованием магниторазрядного насоса, до 1×10^-9 - 1×10^-10 Торр. Форвакуумный насос необходим только для предварительной откачки (не используется в процессе работы магниторазрядного насоса). Предварительную откачку крайне желательно производить безмасляными форвакуумными насосами: пленка масла на электродных блоках магниторазрядного насоса приводит к существенному ухудшению его эффективности. Предварительная откачка производится до так называемого стартового давления магниторазрядного насоса. В зависимости от модели стартовое давление может составлять (5-10)×10^-4 Торр. С давления 1×10^-3 Торр магнитроазрядный насос стартует крайне неохотно, обычно требуется несколько попыток. Моожно запустить насос после откачки цеолитовым насосом (~ 1×10^-3 Торр), но рекомендуется использовать турбомолекулярный. Спиральные насосы не подходят в силу недостаточно низкого предельного остаточного давления. В момент старта магниторазрядный насос потребляет достаточно большую мощность и, как следствие, сильно нагревается. Поэтому следующую попытку старта надо начинать после того как насос остынет. При работе на давлениях до ~ 1×10^-3 Торр насос также нагревается.

Магниторазрядные насосы хорошо подходят для высоковакуумных и сверхвысоковакуумных применений.

---

Недостатки:
- высокая селективность откачки по типу газа: магниторазрядные насосы плохо откачивают инертные газы, это влияет на состав остаточной атмосферы в вакуумной камере;
- неспособны выдерживать высокую газовую нагрузку;
- сложно прогревать насос для обезгаживания по причине наличия постоянных магнитов;
- высокое напряжение питания (5-7 кВ);
- долгий старт после напуска в насос атмосферы;
- чувствительность к загрязнениям, в том числе углеводородам (маслам)

Достоинства:
- нет подвижных деталей - нет изнашивающиеся частей в камере насоса
- отсутствие шумов и вибраций при работе ;
- невысокая цена
- ток разряда приблизительно пропорционален давлению в откачиваемом объеме - фактически магниторазрядный насос является магниторазрядным датчиком с холодным катодом и по току разряда можно оценивать давление в вакуумной системе;
- надежность, большой ресурс, при правильной эксплуатации практически не требует обслуживания

Магниторазрядный насос состоит из корпуса, в котором размещены электродные блоки. Количество блоков зависит от быстроты откачки насоса. Электродный блок диодного магниторазрядного насоса состоит из параллельно расположенных анода и двух катодов, изготовленных из титана. Анод имеет ячеистую структуру, каждая ячейка представляет собой цилиндрическое отверстие в анодной пластине. Катод представляет собой монолитную титановую пластину. Между катодом и анодом прикладывается высокое (5-7 кВ) напряжение, которое подводится в полость насоса через высоковольтный гермоввод. С внешней стороны корпуса магниторазрядного насоса размещены постоянные магниты таким образом, чтобы магнитное поле было перпендикулярно плоскости анода (катодов). Конструкция триодного насоса в целом аналогична, но вместо монолитных используются ячеистые катоды (ячейки - отверстия в титановой пластине). Кроме того, в конструкции появляются дополнительные пластины, расположенные за катодами параллельно им.

Магниторазрядные насосы от НПФ "АВАКС"
Все магниторазрядные насосы	Магниторазрядные насосы 2L, 3L	Магниторазрядные насосы НМД

Принцип работы диодного магниторазрядного насоса заключается в следующем. В вакууме в полости насоса всегда присутствуют электроны. В электрическом и магнитном поле электроны двигаются по спиралевидным траекториям в направлении от катода к аноду до тех пор, пока не произойдет столкновение (столкновения) электрона с атомами газовой среды. В результате таких столкновений происходит ионизация нейтрального атома. Прежде чем электрон попадает на анод происходит несколько таких ионизирующих столкновений (тем больше, чем выше давление). Образовавшиеся в результате таких столкновений ионы двигаются к катодам, участвуя в образовании тока через разрядные промежутки анод-катод. Двигаясь от анода к катоду ионы ускоряются под воздействием электрического поля. К моменту столкновения с катодом ионы приобретают энергию, достаточную для выбивания атомов титана с поверхности катода - поверхность катодов постоянно распыляется при работе насоса. Атомы (молекулы) откачиваемого газа могут связываться на поверхностях материалов вследствие следующих процессов (титан является активным геттером):
- при попадании атома (молекулы) газа на поверхность катода могут происходить адсорбция, растворение с образованием химических соединений;
- может происходить внедрение попавших на катод ионов, в некоторых случаях возможна диффузия ионов в материал катодов
- атомы титана, выбитые с поверхности катодов осаждаются на аноде и корпусе насоса; формирующиеся таким способом пленки способны поглощать атомы (молекулы) газовой среды Реализация того или иного механизма зависит от типа газа. Другие активные газы поглощаются при участии всех указанных механизмов, однако основным является хемосорбция газов титановой пленкой, непрерывно осаждающейся на аноде. Для водорода значительна доля второго из перечисленных выше механизмов, т.к. он легко диффундирует в объем титановых пластин с образованием различных соединений и твердых растворов.

Для инертных газов основным механизмом является механизм внедрения ионов в материал катода и, в меньшей степени - внедрением в титановую пленку, которая осаждается на аноде (для нейтральных или нейтрализованных на катоде атомов).
Механизм откачки инертных газов - основной недостаток диодных насосов, т.к. поверхность катодов постоянно распыляется и инертный газ, связанный на катоде, вновь освобождается. Для компенсации этого недостатка в триодных насосах используются катоды с ячеистой структурой. Атомы титана, выбиваемые ионами с поверхности, в значительном количестве осаждаются на поверхности дополнительных электродов (увеличивается доля инертного газа, удерживаемого осаждаемой титановой пленкой). Количество ионов откачиваемого газа, достигающих поверхности дополнительных электродов, меньше, во-вторых они уже обладают энергией, достаточно для распыления титановой пленки на дополнительных электродов. Поэтому откачиваемый инертный газ уже не выделяется с поверхности при работе насоса. Такая конструкция позволяет увеличить быстроту откачки инертных газов, однако, она и в этос случае не превышает 25-35% от скорости откачки активных газов.
Других преимуществ триодные магниторазрядные насосы не имеют, и их следует выбирать только в том случае, если быстрота откачки по инертным газам критична (например, в установках для послойного анализа методами AES и SIMS).

Конструкция и принцип работы магниторазрядного насоса:
(a) - диодный магниторазрядный насос; (b) триодный магниторазрядный насос
1 - анод; 2 - катоды; 3 - магниты; 4 - входной порт; 5 - изолятор; 6 - ячеистый катод триодного магниторазрядного насоса; 7 - дополнительные электроды триодного магниторазрядного насоса.

• Магниторазрядные насосы 2L (диодные), 3L (триодные)
• Магниторазрядные насосы НМД
• Все магниторазрядные насосы
• ВСЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ

• Принцип действия вакуумных насосов
• Типы вакуумных насосов
• Вакуумные насосы: вопроc-ответ (FAQ)
• Расчет времени откачки форвакуумного насоса