Ионно-геттерный насос

Ионно-геттерный насос (также магниторазрядный насос, сорбционно-ионный насос) — это тип вакуумного насоса, в котором откачка газа происходит за счёт ионизации молекул газа в газовом разряде и последующего поглощения (сорбции) образовавшихся ионов поверхностью твёрдого тела (катода), распыляемого в процессе работы. Относится к классу сорбционных насосов, не использующих масло или другие жидкости, и предназначен для создания и поддержания высокого и сверхвысокого вакуума (до 10⁻¹¹ Па и ниже).

Принцип действия

Работа ионно-геттерного насоса основана на комбинации двух физических процессов: ионизации остаточного газа и его последующей сорбции.

Ионизация газа

В рабочем объёме насоса создаётся сильное электрическое поле (обычно 3–7 кВ) между анодом и катодами. В присутствии магнитного поля (от постоянных магнитов) электроны, эмитированные с катода под действием электрического поля, движутся по спиральным траекториям, значительно увеличивая длину своего пути. Это повышает вероятность столкновения электронов с нейтральными молекулами газа, что приводит к их ионизации (образованию положительных ионов и вторичных электронов). Таким образом, поддерживается самостоятельный газовый разряд (тлеющий или аномальный тлеющий).

Сорбция ионов

Образовавшиеся положительные ионы газа под действием электрического поля ускоряются в сторону катода. При ударе о поверхность катода с высокой энергией (до нескольких кэВ) ионы внедряются в его структуру (ионная имплантация) или, что более важно, вызывают распыление (катодное распыление) материала катода. Атомы распылённого материала (обычно титан, реже — тантал, молибден) осаждаются на стенках насоса и на аноде, образуя свежую, химически активную плёнку (геттер). Эта плёнка активно сорбирует (поглощает) молекулы остаточного газа, особенно химически активные (кислород, азот, водород, углекислый газ), а также, в меньшей степени, инертные газы (аргон, гелий). Инертные газы, не вступающие в химическую реакцию, поглощаются в основном за счёт ионной имплантации в катод.

Устройство и основные компоненты

Конструкция типичного ионно-геттерного насоса включает:

• Корпус — герметичный металлический (обычно из нержавеющей стали) цилиндр или коробка, служащий вакуумной камерой.
• Катоды — две или более пластины из титана (или другого геттерного материала), расположенные по обе стороны от анода. Катоды находятся под отрицательным потенциалом (обычно заземлены).
• Анод — ячеистая структура (обычно из нержавеющей стали или титана), расположенная между катодами. На анод подаётся высокое положительное напряжение.
• Магнитная система — постоянные магниты (обычно самарий-кобальтовые или неодимовые), создающие сильное магнитное поле (0,1–0,2 Тл), необходимое для удлинения траектории электронов.
• Высоковольтный ввод — герметичный изолятор для подачи высокого напряжения на анод.

Классификация

Ионно-геттерные насосы классифицируются по нескольким признакам:

По типу разряда

• Диодные насосы — классическая конструкция с двумя катодами и одним анодом. Отличаются простотой, но имеют ограниченную скорость откачки инертных газов.
• Триодные насосы — содержат дополнительный электрод (коллектор), что позволяет повысить эффективность откачки инертных газов за счёт изменения траектории ионов.
• Насосы с дополнительным ионизатором — для повышения скорости откачки при низких давлениях используют дополнительный источник электронов (например, термоэмиссионный катод).

По форме катодов

• Пластинчатые — катоды выполнены в виде плоских пластин.
• Цилиндрические — катоды имеют форму цилиндров, что обеспечивает более равномерное распыление.

По типу откачиваемого газа

• Универсальные — для откачки смеси газов.
• Специализированные — оптимизированные для откачки водорода (например, в термоядерных установках) или инертных газов.

Применение

Ионно-геттерные насосы широко используются в областях, где требуется чистый, безмасляный вакуум:

• Научные исследования — в ускорителях частиц, масс-спектрометрах, электронных микроскопах, установках для исследования поверхности.
• Полупроводниковая промышленность — в установках ионной имплантации, напыления, травления, литографии.
• Вакуумная металлургия — для создания чистых условий при плавке и напылении металлов.
• Медицинская техника — в МРТ-сканерах, ускорителях для лучевой терапии.
• Космическая техника — для поддержания вакуума в приборах спутников и космических аппаратов.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Безмасляность — отсутствие масел и паров, что обеспечивает чистоту вакуума.
• Высокий предельный вакуум — способность достигать сверхвысокого вакуума (до 10⁻¹¹ Па).
• Долговечность — ресурс работы составляет десятки тысяч часов (до полного распыления катодов).
• Низкий уровень вибраций — отсутствие движущихся частей.
• Простота обслуживания — не требуют замены масла или фильтров.

Недостатки

• Низкая скорость откачки при высоких давлениях — эффективно работают только в условиях высокого вакуума (ниже 10⁻³ Па).
• Чувствительность к инертным газам — откачка аргона, гелия и неона менее эффективна, чем активных газов.
• Необходимость в форвакуумном насосе — для запуска требуется предварительное создание форвакуума (обычно 10⁻²–10⁻³ Па).
• Высокое напряжение — требует соблюдения мер электробезопасности.

История

Первые упоминания о сорбционных насосах, использующих распыление металла, относятся к началу XX века. В 1950-х годах, с развитием вакуумной техники, были разработаны магниторазрядные насосы, в которых ионизация газа осуществлялась в скрещённых электрическом и магнитном полях. В 1957 году американский физик Р. Х. Гуд (R. H. Good) и его коллеги из компании Varian Associates (США) создали первый коммерческий ионно-геттерный насос, который быстро нашёл применение в электронной микроскопии и полупроводниковой промышленности. В СССР разработка таких насосов велась с 1960-х годов в Институте физических проблем им. П. Л. Капицы и на предприятиях «Вакууммаш» (Казань). К 1970-м годам ионно-геттерные насосы стали стандартным оборудованием для получения сверхвысокого вакуума.

Интересные факты

• Ионно-геттерные насосы способны работать в условиях космического вакуума, что делает их незаменимыми для космических аппаратов.
• В некоторых моделях катоды изготавливаются из сплавов титана с добавлением циркония или гафния для повышения эффективности откачки водорода.
• Скорость откачки насоса зависит от давления: при низких давлениях (ниже 10⁻⁶ Па) она может снижаться из-за уменьшения числа ионизируемых молекул.

Источники

• Вакуумная техника: справочник / под ред. Е. С. Фролова. — М.: Машиностроение, 1992.
• Розанов Л. Н. Вакуумная техника. — М.: Высшая школа, 1990.
• Пипко А. И., Плисковский В. Я. Основы вакуумной техники. — М.: Энергоатомиздат, 1992.
• Дэшман С. Научные основы вакуумной техники. — М.: Мир, 1964.
• Патент США № 2,993,638 (1957) — R. H. Good, H. G. Heard, «Ion pump».