Работа магнитных электроразрядных насосов

Для большинства систем сверхвысокого вакуума термическая обработка вакуумной камеры выполняется с помощью магнитного электроразрядного насоса в качестве единственного насоса, и попытки полностью дегазировать сам насос не предпринимаются. Насос работает в относительно теплом состоянии во время пуска, обеспечивая определенную степень дегазации, а теплота, связанная с термообработкой остальной части системы, приводит к некоторому дальнейшему повышению температуры насоса. Если в разумно короткий период времени требуется минимально возможное давление системы, весь насос и вакуумная камера могут быть одновременно подвергнуты термической обработке с помощью дополнительной системы откачки, чья чистота является зеркальным отражением чистоты, желательной в системе сверхвысокого вакуума. Если термическая обработка требует температуры выше 250 °С, возможно, придется удалить магниты и высоковольтный кабель питания. В нижеприведенном изложении мы исходим из того, что только вакуумная камера будет подвергаться термической обработке, используя при этом в качестве насоса магнитный электроразрядный насос.

Как только магнитный электроразрядный насос будет форвакуумирован, насос можно включить. При максимально высоком рабочем давлении ~10^-3мм рт. ст. электрический импеданс насоса очень низкий, и будут идти крайне большие токи, если источник питания поддерживает напряжение в киловольтном диапазоне. Это может привести к серьезным повреждениям насоса. Источники питания специально конструируются таким образом, чтобы ограничить имеющуюся мощность. Напряжение и ток резко ограничиваются, следовательно, быстрота действия первоначально очень низкая. Если давление начинает падать, когда включен электроразрядный насос, форвакуумный насос может быть незамедлительно выключен клапаном, при этом действия предпринимаются достаточно медленно для того, чтобы убедиться, что давление продолжает падать по мере того, как быстрота действия форвакуумного насоса уменьшается. Когда давление продолжает падать, напряжение источника питания магнитного электроразрядного насоса будет равномерно повышаться, достигая максимального, проектного уровня, когда давление будет равняться приблизительно 10^-6 мм рг. ст. Если насос в хорошем состоянии, откачка будет проходить равномерно с быстротой, определяемой газовой нагрузкой из вакуумной системы. Если насос используется давно, можно обнаружить звук мгновенного электрического дугообразования, сопровождающийся «стоном», исходящим от источника питания, и внезапный всплеск давления. Дуги могут инициироваться на острых кромках чешуек титана или усах на катодах. Расположение разрядов можно легко увидеть, если окно обеспечивает вид электродов насоса. Во многих случаях эпизоды дугообразования постепенно уменьшаются по мере падения давления, и насос работает удовлетворительно при рабочем давлении системы, однако дугообразование является предупреждением о том, что насос должен быть подвергнут капитальному ремонту или замене при первой удобной возможности. В других случаях чешуйка титана может создать мостик между электродами в насосе, либо частично, либо полностью закоротив насос. Удар по боковой поверхности насоса может иногда решить проблему удовлетворительно, по крайней мере на временной основе, и эксплуатация может продолжаться без каких-либо проблем до следующего раза, когда система будет откачиваться после вентилирования в атмосферу.

Целесообразно в данном контексте отметить то преимущество, которое может быть обеспечено в результате постоянного вентилирования вакуумной камеры в атмосферу с помощью сухого газа, т. е. азота, который является наиболее распространенным вариантом. Этим минимизируется воздействие атмосферной влаги, которая будет адсорбироваться на стенках системы на глубину одного или более мономолекулярных слоев, при этом фактическая толщина зависит от влажности воздуха. Водяной пар всегда является последним удаляемым из камеры газом во время откачки и обычно является причиной медленного достижения предельного остаточного давления в вакуумной системе. Для получения максимального преимущества от азотного вентилирования нужно минимизировать время, в течение которого камера находится под действием атмосферы.

Как только давление в вакуумной системе упадет до 10^-6 мм рт. ст., можно проводить термообработку вакуумной камеры. С этим связано незначительное число проблем, если допустить, что система свободна от течей. Основные подлежащие удалению газы - водяной пар, монооксид углерода и водород. Органические вещества, в частности метан, могут вполне генерироваться в насосе, однако скорость производства обычно незначительная, и она не должна воздействовать на соответствующую работу системы. Обычно манжеты не должны использоваться для уплотнения и герметизации атмосферы, а те уплотнения, которые используются в качестве внутренних уплотнений клапана, должны быть из Витона, Kalrez или полиимида, являющихся термически стабильными материалами, допускающими термическую обработку приблизительно при 200, 250 и 300 °С соответственно.

Тип магнитного электроразрядного насоса, выбранный для новой вакуумной системы, будет зависеть от присутствующих в ней основных газов. Значения быстроты откачки трех типов насосов для действия обычных газов приведены в табл. 1. Размер насоса должен подбираться с учетом производительности по каждому газу и быстроте откачки для этого газа при рабочем давлении. Основными распространенными газами, вызывающими проблемы, являются аргон и водород. Опыт показывает, что откачка чистого аргона или аргоносодержащей смеси, например воздуха, может быть нестабильной. В некоторых исследованиях нестабильность откачки аргона возникала периодически, всякий раз, когда было откачано определенное количество газа. Как только начинаются колебания быстроты действия, временной промежуток между следующими друг за другом колебаниями будет коротким при высокой производительности, но увеличится при снижении потока газа. Если в системе аргон будет использоваться постоянно, в качестве меры предосторожности следует выбрать самый надежный тип насоса. Диодный насос типа DI или насос с триодом Star Cell, вероятно, является наилучшим вариантом для откачки значительных количеств аргона, поскольку количество титана в этих типах насоса значительно больше, чем в обычном триодном насосе, и поэтому можно ожидать большего срока эксплуатации.

Магнитные электроразрядные насосы являются очень эффективными для откачки водорода, за исключением режима работы с очень низким давлением, где быстрота откачки водорода может падать даже еще более резко, чем в случае других газов [ 14]. Серьезные проблемы возникают при откачке такого большого количества водорода, когда имеет место искажение электродов, например, при постоянных значениях давления вдиапазоне 10^-5 мм рт. ст. Созданы насосы, в которых используются катоды с большой толщиной титанового геттера, усиленного для того, чтобы противостоять короблению, и снабженного водяным охлаждением для предотвращения проблем диссоциации гидрида титана, которые могут происходить, если катоды развивают слишком высокую температуру во время работы в сильно нагруженном насосе. Одним дополнительным подходом для ограничения перегревания насоса при высоких водородных нагрузках является эксплуатация насоса при более низком напряжении (менее 4,8 кВ) [25]. Если необходимо использовать стандартные насосы, то следует отметить, что способность откачки водорода в танталовом катоде значительно меньше, чем в титановом, таким образом, обычный диодный насос с титановым катодом имеет вероятность работать лучше насоса DI, когда предполагаются большие значения потока водорода. Однако в настоящее время существуют геттерные насосы с великолепной способностью откачки водорода, и их, безусловно, следует иметь в виду в качестве дополнения к магнитному электроразрядному насосу.

Хотя магнитный электроразрядный насос является эффективным устройством общего назначения, он характеризуется относительно высокими капитальными вложениями и зачастую сочетается с относительно недорогостоящим геттерным насосом, наиболее часто - титановым сублимационным насосом. Сублимационные насосы обеспечивают очень большую быстроту откачки реактивных газов, включая, например, кислород, азот, водород, монооксид углерода и водяной пар. Они особенно полезны для непрерывной работы в области сверхвысокого вакуума. Сублимационный насос может запускаться после того, как вакуумная камера достигла давления вдиапазоне 10^-6 мм рт. ст. или ниже, и может легко обеспечивать достаточную быстроту для уменьшения предельного остаточного давления системы на один порядок или более. Или же сублимационный насос может обеспечить резервную емкость откачки, когда необходимо ввести в вакуумную систему дополнительный приток реактивного газа. Характеристики сублимационных насосов описаны подробно в подразделе 2.7.4.
Для любого процесса, требующего поддержания очень низких значений давления и низких уровней органических примесей, магнитный электроразрядный насос обеспечивает отличную эффективность работы и продолжительный срок службы. Когда требуется, чтобы образцы перемещались между атмосферой и системой на регулярной основе, использование камеры с загрузочным шлюзом предотвращает любое вентилирование главной вакуумной камеры, позволяя сохранять большинство преимуществ, свойственных этим насосам.

Если необходимо, чтобы система с магнитным электроразрядным насосом вентилировалась в атмосферу на регулярной основе, целесообразно было бы предусмотреть клапан для изоляции насоса от камеры, так чтобы его можно было бы оставить вакуумированным и даже работающим, в то время как камера вентилируется с помощью сухого азота. При дальнейшей доработке данного подхода вентилируемая вакуумная камера непрерывно продувается сухим азотом для минимизации внедрения воздуха в возможно большей степени; любые компоненты или образцы, добавляемые в систему, подвергаются предварительной термической обработке и поддерживаются в безупречно чистом состоянии. Такие жесткие меры могут обеспечить в результате гораздо более быструю откачку вакуумной камеры, ограничивая степень воздействия атмосферы и необходимость последующей жесткой термической обработки.

Работающий магнитный электрора'зрядный насос может генерировать обильный источник электронов и ионов во время первоначальной откачки, вызывая неожиданные процессы в системе, например ошибочные измерения давления ионизационным манометром. При более низких значениях давления насос может вводить электроны, ультрафиолетовую радиацию и рентгеновские лучи в вакуумную камеру. К счастью, если насос установлен или экранирован таким образом, что прямая линия обзора системы отсутствует, эти проблемы становятся незначительными. Дополнительной сложностью, вызываемой насосом, являются блуждающие магнитные поля; использование лучше изолированных магнитов в сборе свело эту проблему до относительно низкого уровня.
Источник питания насоса предназначается для конкретного размера насоса и должен ограничивать выходную мощность в условиях высокой нагрузки, которая преобладает во время пуска. Не рекомендуется заменять источник питания ни на более меньший, ни на больший источник питания без консультации с производителем. Рассеивание слишком большой энергии во время ранних стадий откачки могло бы привести к разрушительной перегрузке, а использование слишком низкого напряжения уменьшит быстроту действия насоса.

Нужно принять соответствующие меры предосторожности для обеспечения безопасной эксплуатации магнитного электроразрядного насоса из-за потенциально смертельных токов и напряжений, связанных с ним. Поврежденный силовой кабель не следует использовать ни в коем случае; кроме того, настоятельно рекомендуется предусмотреть независимое электрическое заземление для корпуса насоса (и для остальной части вакуумной камеры, если имеется какой- либо изолирующий барьер между насосом и камерой). Следует признать, что когда диодный насос запускается впервые, общий тлеющий разряд может распространиться в остальную часть вакуумной системы. Электроны могут преодолевать большие расстояния, и если в камере имеется какой-либо провод или конструкция, которая подсоединена к электрическому вводу, этот ввод не следует ни в коем случае оставлять электрически «плавающим». Он может накопить электрический заряд, который может быть достаточно высоким, чтобы при прикосновении вызвать болезненный электрический удар. Требуется заземлить все неподсоединенные провода!