Хорошо известно, что ионизованные газы намного более физически и химически активны по сравнению с нейтральными молекулами. Этим объясняется явление постепенного исчезновения газа в работающих тиратронных и любых других газоразрядных трубках низкого давления. Этот паразитный эффект, вызывающий нарушение работы электровакуумных приборов, широко исследовался на протяжении ряда лет, причем исследования были направлены, главным образом, на разработку методов, ослабляющих его.

С точки зрения вакуумной техники этот эффект также считался нежелательным, поскольку гибель ионов в ионных вакуумметрах приводит к искажению информации о фактическом давлении в вакуумной системе. И только в 1950-х гг. была реализована возможность использования этого явления для откачки газа (ионный насос). В настоящее время насосы этого типа широко применяются в установках сверхвысокого вакуума.

Эффект ионного откачивания газов определяется, главным образом, следующими двумя причинами. Ионизованные молекулы активных газов, таких, как O₂, N₂, H₂ и CO₂, обладают значительно более высокой химической активностью по сравнению с нейтральными молекулами. Ионы, ускоряясь в электрическом поле, приобретают значительную кинетическую энергию и вследствие этого могут проникать в глубь поверхности, о которую они ударяются. Кроме того, возникают вторичные эффекты, обусловленные распылением металла катода при бомбардировке его ионами.

Образующиеся при этом частицы металла при столкновении с молекулами газа могут их захватывать, обеспечивая тем самым откачивание газа. Кроме того, частицы металла, осаждаясь на поверхности, создают поглощающую газ активную пленку, аналогичную пленке геттера в сублимационном насосе.

Таким образом, в ионном насосе необходимо обеспечить в первую очередь эффективную ионизацию молекул газа. При высоких давлениях, например атмосферном, длина свободного пробега электронов очень мала, и, следовательно, для ионизации газа требуется высокая напряженность электрического поля. При таких давлениях основным механизмом гибели ионов является их рекомбинация в газовой фазе, и откачивающий эффект будет незначительным. По мере уменьшения давления длина свободного пробега электронов увеличивается, соответственно уменьшается напряженность, необходимая для ионизации. При давлениях около 1 Па возникает значительный ионизационный ток, а рекомбинация ионов происходит, главным образом, на поверхности, обеспечивая эффективное связывание газа.

При более низких давлениях, например 10^-2 Па, длина свободного пробега электрона становится больше размеров вакуумной камеры  и вероятность ионизационного столкновения электрона с молекулой газа очень мала. В этом случае для ионизации необходимы поля с высокой напряженностью, а токи получаются слабыми. Таким образом, электрический разряд между двумя электродами создает откачивающий эффект только в сильно ограниченном диапазоне давлений порядка 1 Па.

С другой стороны, поскольку общее количество газа, которое может быть связано поверхностью, ограничено, такой способ откачки представляет интерес лишь в условиях низких давлений, когда эффекты насыщения не возникают. Поэтому ионные насосы следует рассчитывать на низкие давления. Для ионной откачки необходимо обеспечить высокую степень ионизации газа при низких давлениях, не прибегая при этом к слишком высоким напряжениям. С аналогичной проблемой сталкиваются при создании ионных вакуумметров, поэтому конструкции ионных вакуумметров и насосов схожи.

Известны два метода эффективной ионизации газа при низких давлениях: создание большого числа свободных электронов и увеличение пути ионизации. Поскольку эффективность образования электронов не слишком велика, их получение в больших количествах ограничено исключительно энергетическими соображениями. Поэтому, несмотря на желательность генерирования первичных электронов в значительном количестве, при конструировании ионных насосов обычно останавливаются на втором методе ионизации газа — увеличении пути ионизации.

Было предложено несколько вариантов электромагнитных полей, находясь в которых, электроны совершают либо колебательное движение, либо движутся по спирали в некотором ограниченном пространстве. Однако только некоторые из этих вариантов нашли применение в практических насосах, которые и будут рассмотрены в этом разделе.

Впервые ионную откачку для получения сверхвысокого вакуума применил Альперт. Он использовал ионный вакуумметр (впоследствии получивший название вакуумметра Байярда— Альперта) с горячим катодом для откачивания небольших отпаиваемых стеклянных объемов при отработке технологии сверхвысокого вакуума в Вестингаузской лаборатории в начале 1950-х гг.

Вакуумметр Байярда — Альперта состоит из коллектора ионов в виде тонкой проволоки (для уменьшения поверхности), вокруг которой коаксиально размещена цилиндрическая сетка (анод), и вольфрамового катода, расположенного снаружи сетки. Благодаря электрическому полю электроны совершают многократные пролеты внутри сеточного анода до тех пор, пока не ударяются о проволоку сетки. На рис. 4.3 показано несколько типичных траекторий электронов. В результате увеличения длины траектории электронов также возрастает эффективность ионизации молекул газа. Большинство ионов, образующихся снаружи сеточного анода, будет захватываться токопроводящим слоем окисла олова, нанесенным на внутреннюю поверхность стеклянного баллона и находящимся при нулевом потенциале. Ионный ток к этому экрану в 5—10 раз превосходит ток к коллектору для большинства вакуумметров.

Таким образом, эксплуатируя вакуумметр при максимальных токах, можно добиться существенного откачивающего эффекта. Однако средняя быстрота откачки ионного насоса все же невысока (около 10^-4 м³*с^-1), а общая газопоглощающая емкость составляет 1014 молекул. Однако поскольку с помощью этого метода можно получать давления ниже 10^-9 Па, его полезно применять в небольших нагреваемых системах сверхвысокого вакуума для окончательной откачки.

Кроме рассмотренного ионизационного вакуумметра, используемого в качестве насоса, не существует других ионных насосов, в которых была бы реализована чисто ионная откачка. Большинство выпускаемых в настоящее время насосов совмещает ионную откачку с геттерной. В зависимости от способа нанесения геттерной пленки различают геттеро-ионные насосы с накаливаемым и с холодным катодом. По одному из методов образование геттерной пленки достигается путем включения в ионизационный вакуумметр дополнительной нити накала, на которую намотана титановая или циркониевая проволока (как и в сублимационном насосе).

В процессе разогрева нити накала насос может быть использован в качестве вакуумметра. После разогрева на стенках насоса начинает осаждаться геттерная пленка циркония или титана, которая связывает молекулы газа, в результате чего показания вакуумметра искажаются. Геттерная пленка увеличивает быстроту откачки до ~5-10^-4 м³*с^-1. Такие насосы, выпускавшиеся промышленностью, использовались в качестве одноразовых подсоеди няемых насосов для окончательного откачивания электровакуумных приборов. Если их вскрыть и дать доступ атмосферному воздуху, то они приходят в негодность; для восстановления работоспособности необходима замена нити накала испарителя.Описан насос, разработанный на основе обращенного магнетрона (с внешним катодом). В этой конструкции использовался испаритель в виде титановой проволоки, намотанной вокруг вольфрамового анода.

Быстрота откачки насоса по азоту составляла лишь 10^-3 м³*с^-1. Однако главным достоинством этого насоса была увеличенная более чем на два порядка газовая емкость по отношению к инертным газам, что обеспечивалось за счет напыления пленки титана на катоде и замуровывания ионов инертных газов.

Более крупные геттеро-ионные насосы с накаливаемым катодом работают по принципу триода и обеспечивают максимальную быстроту откачки ~ 10 м³*с^-1. В некоторых конструкциях титановая проволока непрерывно подается в разогреваемый посредством электронной бомбардировки тигель, где титан испаряется. Коллектором ионов служит металлический корпус насоса, обычно охлаждаемый водой. Такие насосы потребляют много энергии, довольно сложны по конструкции и, кроме того, имеют непродолжительное время непрерывной работы, поскольку необходимо регулярное введение титановой проволоки взамен израсходованной.

Поэтому такие насосы находят ограниченное применение. Другим типом триодных гет-теро-ионных насосов является так называемый орбитронный насос, в котором увеличение длины свободного пробега электронов достигается при их движении в электростатическом поле между двумя концентрическими заряженными цилиндрами.

Для уменьшения вероятности захвата электронов внутренний цилиндр (анод) выполняется в виде стержня небольшого диаметра (проволоки), который находится под положительным потенциалом, а внешний цилиндр (катод) поддерживается под отрицательным потенциалом. Распределение электрического поля между электродами зависит от диаметров электродов, а используемая разность потенциалов составляет, как правило, -около 5 кВ.

Первые исследования механизма работы орбитронного насоса были выполнены Гербом с сотрудниками, а первое его практическое использование описано в журнальной публикации. Несколько типичных орбит электронов, рассчитанных Гуверманом  представлены на рис. 3.25.

В некоторых конструкциях в торцах корпуса насоса устанавливаются отражатели электронов. В орбитронном насосе-длина пробега электронов значительно выше (в 103 раз » более) по сравнению с вакуумметром Байярда — Альперта, и, следовательно, при одинаковом электронном токе в орбитронном насосе создается значительно более высокий ионный ток. На вольфрамовом центральном стержне (аноде) укреплена навеска геттера (титана). Часть электронов, траектории которых проходят вблизи анода, попадают на навеску гиз титана и разогревают ее. Источник электронов представляет собой нить накала, установленную в торце насоса.

Типичная конструкция орбитронного насоса представлена на рис. 3.26. Скорость откачки определяется ионным током, который, в свою очередь, зависит от электронного тока. Пос-.ледний определяется приложенным напряжением, а также формой и расположением электродов; электронный ток пропорционален фактору L/lg(r_K/r_a), где L — длина насоса, а гк и га — радиусы катода и анода соответственно. Поскольку для получения большой длины траектории электрона га должен быть малым, необходимо увеличивать длину насоса при небольшом диаметре.

Таким образом, орбитронные насосы довольно компактны, например, насос с быстротой откачки 5•1O^-2 м^3*с^-1 может иметь наружный диаметр меньше 10 см при длине около 25 см. Для достижения указанной быстроты откачки требуется электрический ток порядка 25 мА при мощности 125 Вт, так что возникает необходимость охлаждения стенок насоса водой. Откачивание активных газов происходит по тому же механизму, что и в сублимационных насосах, — молекулы химически связываются геттерной пленкой титана.

Рис. 3.26. Орбитронный насос 1—корпус, охлаждаемый водой; 2— катод; 3 — геттер; 4 — вольфрамовый стержень.

Поглощение инертных газов обусловлено иным механизмом. В результате взаимодействия с электронами молекулы инертных газов ионизируются, ускоряются и с большими скоростями ударяются «о катод, где они внедряются в глубь напыленного слоя титана и замуровываются вновь напыляемыми слоями. Поскольку напряженность поля имеет логарифмический характер, энергия ионов, ударяющихся о катод, не будет превышать несколько сотен электронвольт, так что скорость откачки инертных газов довольно низка и обычно составляет около 1 % от скорости откачки азота.

Увеличение скорости откачки инертных газов может быть достигнуто за счет изменения формы электродов и их расположения. Например, вокруг анода устанавливают сеточный цилиндр, соединенный с катодом. В этом случае электроны вынуждены перемещаться в ограниченном сеткой пространстве, тогда как ионы могут свободно проходить сквозь сетку и ускоряться в направлении корпуса насоса (коллектора), который имеет отрицательный потенциал относительно сетки.

Такая конструкция триода позволяет не только более эффективно откачивать инертные газы, но и обеспечивает лучшую газовую проводимость насоса. На основе результатов, полученных в работе, был разработан современный орбитронный насос, состоящий из четырех элементов (рис. 3.27), между которыми находится подогреваемый титановый сублиматор. Такой насос обеспечивает быстроту откачки по азоту 1,7  м^3*с^-11, а по аргону 2,5•1O^-2 м^3*с^-1 при потенциале между анодом и сетками 4 кВ и потенциале корпуса 370 В относительно сеток. Общая потребляемая насосом мощность составляет 1,5 кВт. Большое потребление энергии и обусловленная этим необходимость охлаждения водой и использования громоздких блоков питания, по всей видимости, является основным недостатком орбитронного насоса.

К достоинствам насоса следует отнести его компактность, отсутствие магнитных полей, возможность достижения разрежения 10^-9 Па при постоянной скорости откачки и отсутствие каких-либо загрязняющих примесей. Однако насос требует предварительного разрежения порядка 10^-1 Па, причем скорость откачки в этих условиях невелика. Хотя орбитронные насосы выпускаются промышленностью и широко применяются, несомненно, наиболее популярными ионными насосами являются насосы с холодным катодом (электроразрядные), работа которых основана на принципе действия так называемой «ячейки Пеннинга». Ячейка состоит из двух параллельных пластинок (катода) и цилиндрического анода, расположенного между ними так, что его ось перпендикулярна плоскости пластинок (рис. 3.28, а).

Рис. 3.27. Орбитронный насос: 1 — анод; 2 — сетка; 3 — коллектор; 4 — катоды; 5 — сублиматор.

 Между анодом и катодом поддерживается разность потенциалов в несколько киловольт, а также магнитное поле вдоль оси анода с индукцией порядка 0,1 Тл. Ячейка по существу представляет собой электронную ловушку; электроны, образовавшиеся вследствие ионизации газа, а также в результате бомбардировки ионами поверхности катода, вынуждены осциллировать в потенциальной яме между катодами. В итоге они перемещаются по длинной винтообразной траектории и, следовательно, обладают высокой ионизационной способностью. Благодаря этому в такой ячейке с холодным катодом возникает электрический тлеющий разряд, который поддерживается вплоть до давлений порядка 1O-9 Па. Вначале такие ячейки использовались в качестве вакуумметров для измерения давления. Однако вскоре было обнаружено откачивающее действие ячейки Пеннинга во время ее работы. Установлено, что усиление откачивающего эффекта может быть достигнуто путем использования катодов, изготовленных из химически активных металлов, например титана.

Однако лишь в 1958 г. Холл пришел к мысли соединить параллельно друг с другом несколько таких ячеек в одном корпусе. В результате были достигнуты высокие скорости откачки, позволившие использовать ячейку Пеннинга в качестве основы высокоэффективного насоса для получения сверхвысокого вакуума. Конструкция насоса, созданного Холлом, показана на рис. 3.28, б и представляет собой базовую модель для большинства современных ионных насосов с холодным катодом.

Откачивающее действие насоса определяется несколькими физическими процессами (см. рис. 3.29). Образовавшиеся в разряде ионы ускоряются и приобретают энергию порядка 5 КэВ. В результате бомбардировки катода ионами металл распыляется и покрывает стенки насоса, электроды и т. п. Поскольку образование ионов происходит неравномерно по объему ячейки и поле также не является однородным, то и степень разрушения различных участков катода, вызванного распылением, оказывается неодинаковой.

На рис. 3.29 стрелками показаны направления распыления металла катода, а зоны различной плотности на катоде и аноде указывают те области, куда этот металл напыляется. В случае титановых катодов активные газы химически связываются сорбирующей поверхностью титана либо адсорбируются на ней (эти молекулы на рисунке изображены зачерненными квадратами). Ионы как активных, так и инертных газов в результате ускорения к катодам внедряются в поверхность и замуровываются напыляемыми слоями металла (светлые и зачерненные треугольники).

Однако непрерывное распыление катодов будет приводить к обратному выделению не связанного химически газа. Таким образом, только те области катода, где происходит постоянное увеличение слоя напыленного металла, будут удалять газ.

Рис. 3.29. Принцип действия электроразрядного насоса.

Нейтральные частицы: ?—химически активных газов; ? — инертных газов. Ионизированные молекулы; А — химически активных газов; А — инертных газов.

Энергия нейтралов зависит or угла падения ионов и атомной массы материала катода.. В случае бомбардировки титана при нормальном угле падения эффективная энергия отраженных атомов инертных газов невелика. Поэтому скорость откачки инертных газов, и в особенности аргона, мала и для насоса Холла составляет 1 % от скорости откачки азота.

Рассмотрим также механизм откачивания водорода. Водород эффективно адсорбируется титаном с образованием: псевдогидридов, которые легко диссоциируют при повышенна температуры. Кроме того, вследствие малой массы иона водорода его энергии недостаточно для распыления титана. Поэтому при откачке водорода происходит падение скорости; откачки с течением времени в процессе достижения равновесия между процессами адсорбции и диссоциации гидридов.

Таким образом, выделение газа катодом представляет собой, еще одну проблему, характерную для ионного насоса с холодным катодом. В том случае, когда откачиваемые газы содержат инертные газы и особенно аргон, рассмотренные выше явления приводят к флуктуациям давления, в результате чего происходят периодические выбросы газа, приводящие к увеличению давления более чем в 10 раз. Этот эффект называется аргонной нестабильностью.

Низкая скорость откачки и аргонная нестабильность потребовали дальнейшего усовершенствования конструкции насоса Холла. Поскольку считалось, что откачивание инертных газов происходит, главным образом, в результате замуровывания их. ионов распыляемым металлом на катоде, все попытки усовершенствования насоса были направлены на усиление этого эффекта. Брубейкер предложил триодный насос, в котором повышение эффективности распыления катода достигалось за счет уменьшения угла падения ионов на катод. В этой конструкции (рис. 3.30, а) катод играет роль только источника титана, а сорбирующей поверхностью является стенка насоса (коллектор), которая поддерживается под средним потенциалом между потенциалами катода и анода.

Образующиеся положительные ионы, двигаясь к катоду, проходят через отверстия решетчатого (или сетчатого) катода, входят в тормозящее электрическое поле и с небольшими скоростями достигают коллектора, где они нейтрализуются и замуровываются распыленным металлом катода. Поскольку ионы непосредственно-не бомбардируют коллектор, выделения поглощенного газа не наблюдается.

Рис. 3.30. Схемы различных ячеек ионно-сорбционных насосов.

A — триод Брубейкера ; б — диод с ребристым катодом Джепсена; в — триод Гамильтонаа  г — дифференциальный ионный иасос Тома и Джеймса; д — магнетронный насос Эндрью; —коллектор; 2 — катод; 3 —анод.

 Позже было обнаружено, что эффективность откачки триодного насоса не изменяется в случае подсоединения коллектора к аноду (рис. 3.30, в), что, естественно, противоречит предполагаемому механизму поглощения ионов -в триодном насосе. При скользящем ударе ионов о катод образующиеся нейтралы сохраняют значительную долю энергии падающего иона. Поэтому разумно предположить, что в триодном насосе откачка инертных газов происходит за счет поглощения высокоэнергичных нейтралов, а не ионов.

Как было показано, скорость откачки аргона в триодных насосах на 25% выше, чем азота, при полном отсутствии аргонной нестабильности даже в случае откачки чистого аргона. Однако вследствие большого диаметра корпуса триодного насоса по сравнению с диодным необходимо использовать в триодном насосе магниты с более высокой магнитной индукцией, иначе скорость откачки у него будет ниже, чем у диодного. Кроме того, высказывались замечания по поводу сложной конструкции катода, в связи с чем Джепсеном был предложен альтернативный вариант насоса с ребристыми катодами (рис. 3.30, б). Повышение скорости откачки аргона в этом насосе связано с увеличением рабочей поверхности катода, разделением областей распыления и осаждения, а также с повышением эффективности распыления катода вследствие скользящей бомбардировки ионами боковой поверхности ребер катода.

Скорость откачки аргона насосом Джепсена была меньше, чем триодным насосом, и составляла 6—10% от скорости откачки азота (воздуха); кроме того, при откачке чистого аргона наблюдалась аргонная нестабильность; тем не менее простота изготовления и эксплуатации, а также высокая общая скорость откачки являются важными достоинствами такого насоса.

В результате использования катодов из разных материалов был разработан усовершенствованный так называемый дифференциальный ионный насос Тома и Джеймса  (рис. 3.30, г). В этом насосе один катод изготовлен из титана, а другой— из тантала. Улучшенная откачка этим насосом инертных газов вначале объяснялась различными скоростями распыления каждого катода. Однако это объяснение неверно, поскольку в результате распыления катодов на каждом из них образуется слой металла, из которого изготовлен противоположный катод.

В результате этого процесса через некоторое время состав поверхностных слоев обоих катодов становится одинаковым. Кроме того, скорость распыления титана и тантала примерно одинакова. Наиболее правильное объяснение этого эффекта, по-видимому, связано с гипотезой Джепсена о поглощении энергичных нейтралов. Энергия рассеянных нейтралов зависит от атомной массы металла катода; поскольку эта величина для титана намного меньше, чем для тантала, последний будет приводить к образованию нейтралов со значит ельно -более высокими энергиями даже при нормальном падении ионов на катод. Титан, вероятно, необходим для образования геттерной пленки, поглощающей активные газы. Описана другая конструкция титановых катодов, в центре каждой ячейки которых помещалась таблетка из тантала.

Насос, основанный на магнетронной разрядной ячейке, также позволяет увеличить скорость откачки аргона. Магнетрон-ная ячейка по своему устройству напоминает ячейку Пеннинга, но имеет дополнительно встроенный стержень, который соединяет между собой оба катода (рис. 3.30, д). Механизм откачивания и эксплуатационные качества этого насоса описаны в работе [55]. Около 90% ионного тока проходит через добавочный стержень, и так как ионы ударяются о него под острыми углами, достигается высокая скорость распыления. Распыленный металл оседает практически по всей поверхности катодов, замуровывая налетающие ионы инертного газа. Этот механизм подтвержден результатами, полученными при изучении откачивания криптона, меченого радиоактивным изотопом (~84% криптона адсорбировалось на поверхности катодов). Скорость откачки аргона составляла около 15% скорости откачки азота. В усовершенствованной конструкции стержни не соединяют между собой катоды, образуя нечто вроде двух сдвинутых и не касающихся друг друга г ребенок. В случае стержней из тантала происходит увеличение скорости откачки аргона. Аналогичный эффект обнаружен и в магнетронном насосе.

Первоначально изучение магнетронного насоса проводилось-в направлении использования способности магнетронной ячейки поддерживать тлеющий разряд при давлениях ниже-1O^-10 Па, поскольку в обычном двухэлектродном насосе такие-характеристики, как ток и скорость откачки, значительно ухудшаются при давлениях ниже 10^-8 Па.

Другим нововведением стало изготовление одного из катодов в дифференциальном) насосе из металла с высоким давлением паров; в результате-испарения и (или) распыления этого металла образующиеся атомы вызывают увеличение ионизационного тока [65]. Так,, при использовании магния было получено 50%-ное увеличение скорости откачки для всего диапазона рабочих давлений. Однако вследствие высокого давления паров магния такой насос нельзя нагревать до температур, превышающих 3500C Следует отметить, что вне зависимости от типа используемой; в насосе ячейки (двухэлектродной, триодной или магнетронной) существуют общие для рассматриваемых ионных насосов-критерии конструирования.

Например, необходимо оптимизиро вать размеры ячейки по таким ее параметрам, как диаметр» и длина, а также величину зазора между анодом и катодами,, поскольку увеличение зазора приводит к уменьшению сопротивления потоку газа при одновременном уменьшении магнитного потока, и наоборот. В работе измерялась скорость откачки ионных насосов с многоячеистыми анодами в зависимости от проводимости зазора между анодом и катодами.

Было установлено, что удаленные от входной горловины насоса, ячейки имеют пониженную скорость откачки, и если проводимость недостаточна, то скорость откачки самых дальних ячеек может быть незначительной. Поэтому насосы необходимо конструировать таким образом, чтобы обеспечить хорошую» газовую проводимость для как можно большего числа ячеек обычно большие ионные насосы состоят из нескольких откачивающих модулей, расположенных вокруг центрального канала (рис. 3.31).

Рассмотрим теперь проблему создания в ионных насосах: необходимого магнитного поля. Поскольку для обезгаживания насос необходимо нагревать до температур порядка 400 °С, а удаление магнитов при этом не всегда возможно, выбор материалов для них ограничивается такими сплавами, как алнико, тиконал или ферромагнетики (магнадур-3). Поскольку ферромагнетики характеризуются очень высокими значениями коэрцитивной силы1), воздействие на них размагничивающих сил незначительно. Хотя магнитная индукция для ферромагнетиков

Рис. 3.31. Модульные конструкции крупногабаритных ионных насосов.

а — четырехмодульная конструкция; б — прямоугольная конструкция из 2л модулей; в — конструкция с встроенными а насос магнитами; г — -модульная конструкция с независимыми магнитными полями.

Магнитные сплавы обладают более низкими коэффициентами термического расширения, но для них характерно падение магнитной индукции при нагреве уже до 200 °С. Чаще всего получают замкнутое магнитное поле с помощью ферритов (рис. 3.31, а). В такой конструкции обеспечивается максимальное магнитное поле при минимальном» количестве материала и, кроме того, уменьшается паразитное магнитное поле. При изготовлении насоса из одного или двух модулей (рис. 3.31, г), по-видимому, лучше всего использовать магнитные сплавы.

Важное значение имеет также вопрос энергопитания насоса. При давлениях ниже 10^-3 Па для поддержания тлеющего разряда в насосе требуются напряжения порядка 2—3 кВ, причем с повышением напряжения (напряженности электрического» поля) происходит увеличение скорости откачки (рис. 3.32). Для поддержания разряда при более высоких давлениях достаточно более низкое напряжение, но при значительных токах (порядка 1O^-1 А).

Поэтому при выборе оптимальных значений напряжения и тока питания приходится принимать компромиссное решение с учетом рабочего диапазона давления и стоимости блока питания. Наиболее экономичным является использование мостовой схемы выпрямителя с трансформаторным блоком питания, обладающим высокой реактивностью утечки. Кроме того, максимальное напряжение подбирается не только с точки зрения экономичности и удобства генерации напряжения, но-также с учетом необходимости обеспечения надежной изоляции всех электрических вводов. Поэтому обычно используются напряжения питания порядка 3—5 кВ.

Поскольку процесс откачки в ионном насосе определяется несколькими механизмами, скорость откачки будет достигать, равновесного значения только в том случае, если геттерная пленка полностью насыщена и имеет место равновесие между процессом выделения газа из катода в результате его эрозии и процессом внедрения газа в катод в виде ионов или нейтралов.

Рис. 3.32. Характеристика быстроты откачки магнетронным насосом.

 Последний процесс зависит от вида поглощаемого катодом газа и количества уже поглощенного газа. Таким образом, для скорости откачки ионного насоса характерны достижение насыщения, а также зависимость от предыстории использования насоса. Проведенные измерения равновесной скорости откачки продемонстрировали довольно хорошую воспроизводимость результатов [66]; влияние давления на скорость откачки представлено на рис. 3.32.

Перед достижением равновесия наблюдается значительное увеличение скорости откачки, и этот эффект часто используют на практике. Для насыщения насоса необходимо откачать около 10^-1 Па*м³ газа; при разрежении 10^-7 Па такое количество газа будет поглощено насосом за тысячи часов работы. Активация насоса после насыщения может быть осуществлена с помощью регенеративного нагрева приблизительно до 25O⁰C во время его работы. Считается, что повышение температуры увеличивает эффективность распыления катода и повышает скорость диффузии поверхностно связанного газа. По другому методу активации откачивают и чистый аргон при давлении 10^-3 Па, в результате чего в насосе образуется чистый слой напыленного титана. Однако увеличение остаточного аргона не всегда допустимо.

Электроразрядные насосы отличаются довольно высоким давлением пуска (порядка 1 Па). Однако при таких давлениях скорость откачки мала, и происходит высокое рассеяние мощности на электродах. В результате этого насос перегревается, что в свою очередь вызывает энергичное газовыделение со скоростью, превышающей скорость откачки. Кроме того, при высоких начальных давлениях откачки ресурс работы катода уменьшается вследствие высокой скорости его распыления. Поэтому до запуска насоса желательно получить предварительное разрежение (по крайней мере 10^-1 Па). При разрежении ~10^-4 Па ресурс работы насоса составляет несколько десятков тысяч часов.

Главным преимуществом электроразрядных насосов является получение с их помощью вакуума, свободного от загрязняющих примесей органических веществ. Следовательно, не возникает необходимости использовать с этими насосами охлаждаемые ловушки или отражатели, что, в свою очередь, позволяет полностью реализовать собственную скорость откачки насоса, а также открывает возможность размещения насоса непосредственно в вакуумной камере. Эти насосы характеризуются очень низким предельным остаточным давлением (ниже 10^-8 Па) и простотой в эксплуатации.

Для большинства электроразрядных насосов требуется только источник электропитания, который не нуждается в специальном обслуживании и устройствах защиты. По току разряда в насосе можно оценивать давление в системе, и при незначительном изменении схемы блока питания насос можно использовать в качестве течеискателя.

Для реализации способности ионных насосов создавать вакуум, свободный от углеводородных загрязнений, следует применять их совместно с цеолитовыми. Однако возможно использование и масляных ротационных насосов с охлаждаемыми ловушками. В этом случае сразу после достижения давления 10^-1 Па ротационный насос отключается и включается ионный насос. К недостаткам ионных насосов следует отнести их ограниченную газовую емкость, низкую скорость откачки инертных газов, а также наличие сильных магнитных полей, присутствие которых в некоторых случаях недопустимо.