Геттерно-ионные насосы

Геттерно-ионные насосы

1380
0

В России налажено производство геттерных, ионных насосов, а также их гибридов – геттерно-ионных насосов, в работе которых воплощено назначение первых двух вариантов. Как известно, пароструйные насосы работают лишь в присутствии форвакуума. В свою очередь геттерно-ионным насосам он не нужен. Это один из плюсов оборудования. Также к преимуществам следует отнести тот факт, что геттерно-ионным насосам для работы не нужно масло. Не обошлось без минуса, в частности в насосе всегда присутствующие газы, связанные с внутренними стенками. Эти газовые пленки вызывают многочисленные объемные реакции, которые могут вызывать выделение ранее сорбированных газов, которые в свою очередь увеличивают давление. Эти реакции, как установлено на практике, нередко сказываются на конечном вакууме насоса. Кроме этого такие насосы зачастую не могут работать без вспомогательного высоковакуумного оборудования откачки. Назначение вспомогательного оборудования откачки – оно создает предварительное разрежение, которое требуется для запуска геттерно-ионного насоса. Также вспомогательное оборудование позволяет исключить инертные газы, которые замедляют работу насоса. Несмотря на это, абсолютная величина насосов позволяет им после выхода на режим работать без вспомогательного оборудования.
Сегодня в продаже имеется множество моделей геттерно-ионных насосов как отечественного, так и зарубежного производства. Однако лишь некоторые из них нашли широкое применение в промышленности и в частном секторе. Самым распространенным сегодня является насос ГИН-5.

Особенности конструкции простейшего вакуумного геттерно-ионного насоса

Хладагентом для корпуса служит вода. В нем находятся: испарители (изготавливаются из сплава титана и молибдена); центральный анод (не прогревается), катоды, анод (прогревается). Фланец служит местом расположения электродов, а также испарителей. Что касается цилиндрической части насоса, то в ее оснастке имеется патрубок, оснащенный фланцем. Он обеспечивает подключение вспомогательного оборудования. Конструкция насоса представлена блоком питающим испарители, в нее также входят аноды, катоды.

Схема ионного-геттерного насоса

Назначение насоса рассматриваемой модели – он используется для откачки газов, давления которых находятся в пределах 10-6-10-2 Па. Удаление газа происходит благодаря хемосорбции – продукту титановой пленки. Процесс испарения титана непрерывен. Смена агрегатных состояний титана происходит благодаря испарителю. Нагревание испарителя обеспечивает ток, проходящий через него. Титан в виде конденсата осаждается на охлаждаемой поверхности корпуса. Результат конденсации представляет собой пленку, которую в профессиональном мире называют геттера. Ее поверхность и сорбирует газ. Ионизация газа повышает производительность насоса. Этот процесс особенно эффективен, если имеют место инертные газы. Ионизатор обеспечивает образование катодов и анодов. Катод нагревается и начинается производство электронов, которые направляются к внешнему аноду. Происходит реакция между электронами и молекулами газа. Следствием этих реакций являются ионы, несущие на себе положительный заряд. В пространстве, образованном анодом и стенками корпуса, ионы наращивают свою скорость. Чем ближе они к корпусу, тем выше их скорость. Ионы за счет своего ускорения внедряются в титановую пленку, что положительно сказывается на сорбции.

Зависимость быстроты действия ионно-геттерного насоса от впускного давления

Соединения сосуда и насос осуществляется при помощи фланца. К насосу подсоединяется вспомогательное оборудование. Значение предельного остаточного давления, которое способен создать насос ГИН-5, –1·10-7 Па. Минимальная величина быстроты действия насоса по атмосфере – 4,5 тыс. л/с (при условии, что давление будет колебаться в пределах 10-6-10-4 Па), по аргону – в среднем 80 л/с. Максимальное давление в процессе запуска – 1,5·10-2 Па. Практика использования насосов показала, что блок испарителей способен прослужить от 500 до 600 часов, а один испаритель – в среднем 100 часов. Если насос эксплуатировать аккуратно, оптимизировать расход титана, то один испаритель прослужит около 200 часов, а блок испарителей – в среднем 1200 часов.

Использование и обслуживание

Изначальное давление в насосах – 1-10 Па. После транспортировки насос нужно извлечь из тары. Важно очистить его. Для этого лучше использовать чистую и сухую бязь. После очистки следует снятие технологической заглушки с пристыковочного фланца. Соединяются насос и откачиваемый сосуд. Подсоединяется вспомогательное оборудование. Для этой цели служит вакуумный клапан (размер условного прохода – 10 см). Затем проверяется вспомогательное оборудование. Снимается кожух, который обеспечивает защиту токовводам. Обязательна проверка катода, анода, испарителей – надо убедиться в целостности их цепей. Такую работу выполняют посредством омметра и мега-омметра. Короткие замыкания, поврежденная изоляция – это возможные дефекты, которые можно обнаружить в цепях испарителей, катода, анода нового насоса. Такое оборудованием нельзя вводить в эксплуатацию, пока не будет исключена проблема. Если результат проверки положителен, то подсоединяется кабель электропитания насоса, производится установка защитного кожуха. За сборкой вакуумной системы следует проверка ее герметичности, соединение шлангов охлаждения корпуса насоса. Ранее было отмечено, что для корпуса геттерно-ионного насоса хладагентом служит вода. Ее подача к корпусу осуществляется по медным трубкам. Альтернатива – дюритовые шланги с штуцерными соединениями. Для повышения надежности насоса штуцерные соединения дополнительно обжимаются хомутами, которые исключают вероятность срыва шлангов по причине случайного пуска воды в горячий насос. Если установлено, что соединения надежны, то проводится пробная подача воды в систему охлаждения. Если выявлена утечка воды, ее необходимо исключить.

Пуск насоса

Сначала проводится откачка (оптимальное давление – 10-3 Па). Далее следует слив воды, продувка системы охлаждения. После включается внутренний нагреватель. Он должен работать не менее 10 часов, в противном случае насос плохо прогреется. Проводится обезгаживание катода, испарителя. Важное условие – подачу воды в систему охлаждения можно производить после остывания корпуса (как минимум до 100 °С). Расход воды должен составлять максимум 50 л/ч. Почему важно придерживаться данного норматива? Дело в том, что горячий корпус увеличивает концентрацию пара, что служит причиной повышения давления в системе охлаждения. Конечный результат – ряд поломок. Если расход воды в норме, тогда включается испаритель и начинается откачка. Включается катод. Увеличивается напряжение на аноде. Важный момент – повышение напряжения должно быть плавным – в течение получаса. Оптимальное значение конечного напряжения на аноде – 1200 В. После ввода насоса в эксплуатацию можно отключить вспомогательное оборудование откачки. Делается это при помощи клапана – он перекрывается.

Изменение мощности испарителя для испарения титанаПри эксплуатации насоса нужно поддерживать оптимальный вакуум, скорость испарения титана, при необходимости корректировать эти характеристики. На их величину влияет газовыделение в откачиваемом сосуде. Высокие впускные давления требуют увеличения скорости испарения титана. Надо понимать, что увеличенная в разы мощность относительно номинальной, не может служить 100-процентным гарантом нужного увеличения эффективной быстроты действия насоса. Причиной этому служит интенсивное выделение газов, что является следствием нагревания насоса.

Сохранение номинальной быстроты действия насоса, который имеет прямоканальные испарители, при впускных давлениях от 10-2 Па невозможно, так как очень сложно поддержать требуемую скорость испарения титана. В откачиваемом сосуде присутствуют молекулы азота, окиси углерода, которые реагируют с молекулами титана на испарителе, что негативно сказывается на испарении. Результатом этих химических реакций являются вещества, которые в сравнении с чистым титаном имеют более высокую температуру плавления, а это в свою очередь является причиной блокировки испарителя. Нормализировать работу, сократить количество потребляемой испарителем энергии можно путем удаления пленки нитридов и гидридов. Как показала практика использования геттерно-ионных насосов, удалять эту пленку необходимо при включении испарителя. Предварительно увеличивается мощность, подводимая к испарителю, – примерно на 15 % относительно номинальной мощности. Время выдержки высокой мощности – от 5 до 10 минут.

Постоянство характеристик зависит от постоянства интенсивности испарения титана. С целью получения постоянной скорости испарения титана изменяется мощность, подводимая к испарителю. При этом учитывается уменьшение запаса титана. Использовать испаритель, если количество титана в сравнении с первоначальным запасом уменьшилось на 70 %, как минимум нерационально. Чем меньше титана, тем больше газовыделение и ниже быстрота действия.

Правила эксплуатации геттерно-ионных насосов предусматривают обязательное поддержание номинальной величины работы ионизатора. На эту необходимость не влияет режим работы испарителя. Изменить быстроту действия насоса можно, если изменить анодное напряжение. Эта возможность не определяется скоростью испарения титана. При высоком давлении в системе (от 10-2 Па) ионизатор выключается, в противном случае перегорит катод.

Корпус геттерно-ионного насоса подлежит периодической чистке. Речь идет об удалении титановых пленок. На периодичность данной необходимости влияют режим работы насоса, рабочее давление, количество напусков воздуха, частота перегреваний установки и так далее. Рекомендована чистка насоса после испарения 3-4 блоков испарителей.

Самая частая проблема, которая характерна для рассматриваемого нами вида насосов, связана с замыканием электродной системы по изоляторам.

Причина замыкания – запыление системы титаном. Вероятность замыкания повысится, если будут иметь место высокие впускные давления. Каждая чистка корпуса сопровождается проверкой сопротивления утечки изоляторов. Каждая вторая чистка включает восстановление электрической прочности изоляторов. От механической чистки изоляторов в основном толку мало. В этом плане поможет травление изоляторов в плавиковой кислоте. При такой чистке нужно руководствоваться требованиями ТБ при работе с агрессивными химическими реагентами.

Несколько реже обрывается катод или анод ионизатор. Причина поломки – хрупкость катода (анода), которая является следствием нагреваний.

В процессе пуско-наладочных работ, эксплуатации, ремонта, ухода требования ТБ как для геттерных, так и для геттерно-ионных насосов в основном одинаковы.

НЕТ КОММЕНТАРИЕВ

ОТВЕТИТЬ