Вопрос по выбору к устному Государственному экзамену по общей физике подготовил студент группы Б04-842 Синельников Артём. Общее число страниц - 27 Ионный насос План 1) Введение 2) Принцип откачки 2.1) Простой случай 2.2) Магнетрон, заполненный газом 3) Экспериментальная установка 3.1) Камера магнетрона 3.2) Магнит для магнетрона 3.3) Создание и измерение вакуума 3.4) Зажигание разряда 3.5) Верхняя оценка напряжения на разряде 3.6) Источник питания магнетрона 4) Эксперимент 4.1) Исследование дугового разряда в магнитном поле 4.2) Исследование откачки газа 5) Выводы 6) Литература 7) Приложения 1) Введение Ионные насосы часто используются для получения высокого вакуума. В основном они разделяются на геттерные и ионно-геттерные. Принцип их действия состоит в том, что ионизированные молекулы и атомы более реакционноспособные. Поэтому газ в рабочей камере может ионизироваться электронным пучком, что используется при низком вакууме, когда длина свободного пробега мала и ионизация эффективна, и, ускоряясь в электрическом поле, ионы врезаются в поверхность металла и реагируют с ним. В качестве металлического электрода катода обычно используют титан из-за его способности образовывать прочные связи с азотом и кислородом, а также он хорошо адсорбирует многие газы. Титан же от этого испаряется и либо реагирует с молекулами в
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Вопрос по выбору к устному Государственному экзамену по общей физике подготовил студент
группы Б04-842 Синельников Артём.
Общее число страниц - 27
Ионный насос
План
1) Введение
2) Принцип откачки
2.1) Простой случай
2.2) Магнетрон, заполненный газом
3) Экспериментальная установка
3.1) Камера магнетрона
3.2) Магнит для магнетрона
3.3) Создание и измерение вакуума
3.4) Зажигание разряда
3.5) Верхняя оценка напряжения на разряде
3.6) Источник питания магнетрона
4) Эксперимент
4.1) Исследование дугового разряда в магнитном поле
4.2) Исследование откачки газа
5) Выводы
6) Литература
7) Приложения
1) Введение
Ионные насосы часто используются для получения высокого вакуума. В основном
они разделяются на геттерные и ионно-геттерные. Принцип их действия состоит в том,
что ионизированные молекулы и атомы более реакционноспособные. Поэтому газ в
рабочей камере может ионизироваться электронным пучком, что используется при низком
вакууме, когда длина свободного пробега мала и ионизация эффективна, и, ускоряясь в
электрическом поле, ионы врезаются в поверхность металла и реагируют с ним. В
качестве металлического электрода катода обычно используют титан из-за его
способности образовывать прочные связи с азотом и кислородом, а также он хорошо
адсорбирует многие газы. Титан же от этого испаряется и либо реагирует с молекулами в
2
газе, либо «замуровывает» адсорбированные слои газа на поверхности при конденсации
паров (ионно-геттерный насос).
У описанных насосов есть недостатки. Прежде всего, материал электродов со
временем насыщается газами, и при прогреве титановой пластины из неё может выйти
большое количество инертных газов из-за их низкой адсорбционной способности. Из-за
этого производительность по инертным газам по сравнению с воздухом у них меньше на
несколько порядков. В заключение, ограниченный срок службы из-за ограниченного
количества поглощённого газа электродами и их испарения. Из-за этих особенностей
работы насосы такого типа часто используют для финальной откачки электровакуумных
приборов и поддержания требуемого давления в них в ходе эксплуатации. Использовать
же их в установках по получению вакуума, и постоянно подвергать их воздействию
атмосферы нецелесообразно из-за их быстрого выхода из строя.
Моя идея состоит в реализации откачки газа, подобной диффузионной, но
использовании движущихся в поле ионов газа для воздействия на сам газ, а не пары
постороннего вещества, то есть можно будет избежать загрязнения откачиваемого объёма
посторонними веществами и продуктами их разложения. От геттерного насоса данный
метод будет отличаться тем, что ионы не связываются с веществом геттера, сокращая срок
его службы. Характер взаимодействия электронов, ионов, молекул и других частиц между
собой определяется таким параметром как число Кнудсена k - отношение длины
свободного пробега частицы к характерному размеру установки, другими словами, оно
объясняет с чем частицы сталкиваются чаще – друг с другом или со стенками установки.
Электроны хорошо ионизируют газ при k < 1. Такой случай реализуется в тлеющих
и дуговых разрядах [1], при этом электроны многократно соударяются с молекулами и
ионами, вызывают ионизацию, обмениваются с тяжёлыми частицами энергией. Ионы и
электроны движутся при этом в разных направлениях, при соударениях передают
импульсы, направленные в противоположные стороны, тем самым компенсируя
воздействие на газ. Более того, воздействие на нейтральные молекулы со стороны
заряженных частиц крайне мало, в силу малой концентрации частиц (порядка 109 см-3для
положительного столба тлеющего разряда [1]).
Сила, действующая на потоки заряженных частиц со стороны магнитного поля,
наоборот, приложена в одинаковом направлении и к электронной части тока, и к ионной.
Таким образом возможно передавать импульс направленного движения заряженных
частиц нейтральным молекулам газа, приводя газ в движение и совершая откачку. В
данной работе попробую исследовать данное явление при общем давлении порядка 10 Па,
исследовать возможность создания вакуумного насоса, являющегося следующей
ступенью роторно-пластинчатого насоса, и понижающего давление в ~10 раз, провести
количественные расчёты, на основании которых спроектировать и построить
экспериментальную установку и получить практический результат.
2) Принцип откачки
2.1) Простой случай
Для того чтобы определить конструкцию рабочей камеры насоса необходимо
выбрать такие направления электрических и магнитных полей, которые могут быть легко
3
реализованы на практике. Проведём сравнительную оценку давления, развиваемого
текущим в среде током в магнитном поле (рисунок 1).
Рисунок 1. Схема направлений тока, магнитного поля и силы ампера.
Пусть магнитное поле перпендикулярно электрическому и однородно. Тогда по закону
Ома:
𝑗 = 𝜆 ∗ �⃗⃗�
Ток течёт в направлении, перпендикулярном магнитному полю. 𝜆 – проводимость среды.
Тогда на элемент объёма будет действовать сила ампера с объёмной плотностью:
𝑓𝐴⃗⃗⃗⃗ =
1
𝑐∗ [𝑗, �⃗⃗�]
Пусть толщина слоя, в котором течёт ток, равна 𝑙. Тогда разность давлений между правым
и левым краем:
∆𝑃 = 𝑃(𝑙) − 𝑃(0) = 𝑙
𝑐∗ 𝑗 ∗ 𝐵
При 𝑙 = 1 см, 𝑗 = 0.1 А/см2, 𝐵 = 0.2 Тл Разность давлений составит: ∆𝑃 = 2 Па,
что довольно мало, по сравнению с общим давлением, при котором обычно горят
тлеющие и дуговые разряды (10 – 1000 Па). По этой причине попробуем представить
несколько иную схему рабочей камеры насоса.
2.2) Магнетрон, заполненный газом
Представим магнетрон (рисунок 2), с радиусом внешнего электрода (анода) 𝑟1 и
центрального электрода (катода) 𝑟2. Через магнетрон течёт ток с линейной плотностью 𝑖 в
радиальном направлении, и магнитное поле в магнетроне однородно и равно 𝐵.
x
4
Рисунок 2. Схема магнетрона
Оценим давление, которое можно создать с помощью магнетрона. Характерные величины
полей и токов возьмём из предыдущего пункта.
Рассмотрим слой среды с радиусом 𝑟 и толщиной 𝑑𝑟. На внутреннюю и внешнюю
стороны этого кольца действуют силы трения, ускоряющие и замедляющие его. Так же со
стороны магнитного поля на него действует сила ампера. В стационарном состоянии,
радиальная скорость будет постоянной, и можно в этом случае записать баланс сил для
слоя, в проекции на трансверсальное направление (СИ):
−𝜂 (𝑑𝑣
𝑑𝑟|
𝑟−
𝑑𝑣
𝑑𝑟|
𝑟+𝑑𝑟) ∗ 2𝜋𝑟 = −𝑖 ∗ 𝐵 ∗ 𝑑𝑟,
где 𝜂 – вязкость среды, общий ток, текущий в радиальном направлении сквозь кольцо не
зависит от радиуса, в силу непрерывности. Уравнение преобразуется к виду:
2𝜋 ∗𝑑2𝑣
𝑑𝑟2= −𝑖 ∗
𝐵
𝑟
Интегрируя по 𝑟 2 раза получаем зависимость скорости среды (газа) от радиуса:
𝑣(𝑟) =1
2𝜋 ∗ 𝜂∗ (−𝑖 ∗ 𝐵 ∗ (𝑟 ln 𝑟 − 𝑟) + 𝑐1𝑟 + 𝑐2)
Где с1 и с2 – константы интегрирования, определяемые из граничных условий:
𝑣(𝑟1) = 𝑣(𝑟2) = 0. Вязкость среды (воздуха) оцениваем согласно [1, 2]:
𝜂 =1
3𝑚𝑛�̅�𝑙 =
1
3𝑚
𝑃
𝑘𝑇√
8𝑅𝑇
𝜋𝑀∗
𝑘𝑇
√2𝜎𝑃= 7.7 ∗ 10−7 ∗ √𝑇 Па ∗ с
Примем 𝑖 = 10 А/м, B = 0.2 Тл, температуру газа 𝑇 = 400 K и радиус катода 𝑟2 = 0.5 мм, и
построим графики зависимости 𝑣(𝑟) для разных значений 𝑟1. Результат представлен на
графике 1.
анод
катод
-
+
r2
r1
r
dr
𝑖
⊗
�⃗⃗�
𝑃(𝑟1)
𝑃(𝑟2)
→ fА
← ←
𝑓тр⃗⃗⃗⃗⃗⃗
5
График 1. Зависимости скорости газа от расстояния до центра магнетрона, при различных
радиусах анода: 1 – 1 см, 2 – 2 см, 3 – 3 см, 4 – 4 см.
При расчёте мы предполагали, что газ в цилиндрической полости магнетрона течёт
ламинарно. Это условие выполнено для не слишком больших чисел Рейнольдса
(примерно 100). В рассматриваемых примерах число Рейнольдса не превышает:
𝑅𝑒 ≤ 𝑚𝑎𝑥 (𝜌𝑣𝑟1
𝜂) =
110000 ∗ 210 ∗ 0.04
7.7 ∗ 10−7 ∗ 20= 54
Давление предполагали равным ~10 Па, и плотность воздуха ~1 кг/м3. Таким образом,
предположение о ламинарном течении подкреплено.
При движении по окружности порции газа создают давление в радиальном направлении.
Для рассмотренного кольца газа второй закон Ньютона в проекции на радиальное
направление выглядит следующим образом:
2𝜋𝑟𝑣(𝑟)2
𝑟
𝑃(𝑟)𝑀
𝑅𝑇𝑑𝑟 = 2𝜋𝑟𝑑𝑃
Интегрируя, получим разность давлений между центром и периферией магнетрона:
𝑃(𝑟1) = 𝑃(𝑟2) ∗ exp ( ∫𝑀𝑣(𝑟)2
𝑟𝑅𝑇𝑑𝑟
𝑟1
𝑟2
)
Рассчитанные значения давления откачки представлены в таблице 1
Таблица 1. Рассчитанные давления и разности давлений для рассматриваемых радиусов
анода
r1, см P2, Па P1, Па (P1 – P2), Па (P1 – P2)/ P2
1 10 10.22 0.22 0.022
2 10 11.36 1.36 0.136
3 10 13.95 3.95 0.395
4 10 18.99 8.99 0.899
1
2 3
4
6
Из расчётов видно, что увеличение радиуса анода приводит к сильному росту
создаваемого насосом давления, потому что далёкие от стенки слои испытывают меньшее
трение, из-за чего сильнее разгоняются и создают большее давление. Особенность такой
откачки заключается в том, что если температура газа, а вместе с этим и вязкость,
постоянны, то общее давление в камере не влияет на радиальное распределение
скоростей, то есть, в отличие от пункта 1, насос создаёт относительный, а не абсолютный,
перепад давлений (значение пятого столбца таблицы 1 не зависит от P1), что делает его
пригодным для использования при высоком входном давлении (10 – 100 Па).
3) Экспериментальная установка
Схема магнетронного блока представлена на рисунке 3
Рисунок 3. Магнетронный блок установки
1 – камера магнетрона (анод)
2 – электромагнит, создающий в камере магнитное поле, направленное по оси цилиндра.
3 – катод, и средства его крепления
4 - вакуумметры
Далее рассмотрим его основные детали.
3.1) Камера магнетрона
Из расчётов, представленных в предыдущем пункте, следует, что радиус рабочей
камеры целесообразно взять около 4 см, чтобы эффект откачки был хорошо наблюдаем.
Для того чтобы уменьшить влияние торцевых стенок на течение газа у середины цилиндра
длину камеры магнетрона нужно сделать много больше радиуса. Для того чтобы
магнитное поле от внешних магнитов могло проходить в рабочую камеру, её необходимо
изготовить из неферромагнитных материалов.
Изготовление камеры я произвёл с помощью сварки алюминиевой полосы,
толщиной 2 мм и шириной 30 мм, в спираль в атмосфере аргона электродом WC20.
Полосу наматывал на стальную трубу диаметром 85 мм. После проварки всего шва, из
полученной алюминиевой трубы был выпилен отрезок длиной 30 см. После этого я
приварил к отрезку торцы, трубки для подачи и отвода газа и установки катода. Анодом в
данном случае являлся сам корпус трубки. Трубки для подачи и отвода газа имели
1
2
3 4
4
7
внутренний диаметр 10 мм и предназначались не столько для достижения большой
скорости откачки, сколько для контроля создаваемой разности давлений между осью и
периферией. Также в одном из торцов я предусмотрел оптическое окно для наблюдения за
происходящими внутри процессами. Окно было изготовлено из предметного стекла и
герметизировано резиновой прокладкой. Изготовление и общий вид рабочей камеры
представлено на фото 1, 2.
Фото 1. Процесс намотки алюминиевой полосы на стальную форму
Фото 2. Камера магнетрона
Одна из трубок, выходящих по оси цилиндра, нужна для ввода катода. В неё вставляется
стеклянная одноэлектродная ножка так, что стеклянная трубка ножки вдаётся в камеру
магнетрона на 3 см, чтобы избежать пробоя на торцевую стенку.
8
Другая трубка служит второй точкой крепления, контакта катода и подсоединения
вакуумметра. Электродные ножки нужны для подвода тока и тока накала к катоду. Я их
изготовил из боросиликатного стекла марки Boro 3.3, и впаял отрезки вольфрамового
электрода диаметром 1 мм. С внутренней части к электродам припаяна медная проволока
на латуни, которая оканчивается прижимными контактами, в которых зажимается катод.
3.2) Магнит для магнетрона
Магнитное поле тоже влияет на создаваемое давление, так как от него зависит
стационарная скорость вращения газа. Кроме того, при усилении магнитного поля можно
при прочих равных условиях уменьшить текущий через газ ток, или уменьшить радиус.
Последнее снизит температуру газа и число Рейнольдса, что уменьшит вероятность
возникновения вихрей.
Рассчитаем поле в центре системы электромагнитов (рисунок 4) с плотностью тока в
обмотке J [А/см2].
Рисунок 4. Схема электромагнита
Из закона Био-Савара можно получить магнитное поле витка с током на его оси, на
расстоянии х от центра витка [3] (СГС):
𝑑𝐵 = 2𝜋𝑦2
𝑐 ∗ (𝑦2 + (𝑥0 − 𝑥)2)1.5∗ 𝐽 ∗ 𝑑𝑥 ∗ 𝑑𝑦,
где х0 – точка наблюдения. Интегрируя по всему пространству, которое занимают
обмотки, для разных точек наблюдения получаем зависимость поля системы из двух
соленоидов от координаты.
𝐵(𝑥0) =2𝜋𝐽
𝑐∗ ( ∫ 𝑑𝑦 ∫
𝑦2
(𝑦2 + (𝑥0 − 𝑥)2)1.5
13.5
1.5
8
4.5
𝑑𝑥 + ∫ 𝑑𝑦 ∫𝑦2
(𝑦2 + (𝑥0 − 𝑥)2)1.5
−1.5
−13.5
8
4.5
𝑑𝑥 )
Результат расчёта для J = 630 A/см2, представлен на графике 2:
9
График 2. Зависимость B(x0) для соленоида с конструкцией, представленной на рисунке 4,
и плотностью тока 630 А/см2. Синими линиями обозначены края соленоидов.
Как видно из расчётов и графика, для создания магнитного поля с индукцией около
0.2 Тл в объёме магнетрона необходимо пропускать по обмоткам большой ток. Обмотки
от этого быстро нагреваются, поэтому для продолжительной работы необходимо их
эффективно охлаждать, например, водой.
Обмотки я намотал на картонный каркас диаметром 9 см и длиной 12 см. В
качестве провода использовал алюминиевый кабель СИП с сечением 16 квадратных
миллиметров. Перед намоткой необходимо было снять с кабеля изоляцию. Это позволило
увеличить плотность намотки (а значит и плотность тока) примерно в 1.5 раза. Чтобы по
возможности избежать межвиткового короткого замыкания пришлось заново изолировать
провод лентой из ПТФЭ толщиной 0.2 мм, а между слоями дополнительно проложил
перфорированную бумагу (80 г/м2), потому что фторопласт легко продавливается и течёт
под давлением острых жил провода.
Охлаждающие трубки заложил между вторым и третьим слоем провода (23 трубки
6 мм в диаметре в направлении оси соленоида, симметричное расположение), и после
пятого слоя по окружности катушки (5 трубок 6 мм в диаметре). В итоге получилось 2
соленоида с плотностью намотки 11 витков/см, на которых ушло по 57 метров кабеля. Для
лучшего отвода тепла витки катушек были залиты эпоксидной смолой ЭД-20. Процесс
намотки катушек и готовые изделия перед сборкой магнетрона представлены на фото 3,
4:
B, Тл
х0, см
10
Фото 3. Процесс намотки провода.
Фото 4. Готовые к использованию катушки.
Трубки охлаждения между двумя катушками соединил резиновым шлангом, и в
зазор между катушками как раз проходит боковая трубка магнетрона. С торцов и с боков
трубки охлаждения соединены в 6 параллельных контуров примерно равной длины,
подвод и отвод воды к ним осуществляется по стеклянным коллекторам от бутыли с
водой, ёмкостью 18 литров. Циркуляция воды осуществляется автомобильным насосом
отопителя салона, который обеспечивает большую скорость прокачки и бесперебойную
работу. Катушки были соединены последовательно и на них подавалось питание от
сварочного аппарата, таким образом, была возможность пропускать через них ток от 20 до
200 А. Дальнейшие опыты показали, что охлаждения водой хватает, для предотвращения
перегрева катушек током в 200 А в течение, как минимум, минуты. Суммарное
тепловыделение при этом составляет более 6 кВт, а объёмная плотность тока: 𝐽 = 200 ∗11
3.5= 630 А/см2.
11
3.3) Создание и измерение вакуума
Экспериментальная установка работает при давлении порядка 10 Па, поэтому для
создания такого давления потребовался форвакуумный насос. Предварительные
испытания показали, что из-за присутствия течей имеющийся в наличии одноступенчатый
роторно-пластинчатый насос создавал в рабочей камере давление всего лишь в ~2 Торр.
При таком давлении использование горячих катодов нецелесообразно из-за их выхода из
строя в течении примерно 4-х минут.
В связи с этим мной был приобретён качественный двухступенчатый роторно-
пластинчатый насос 2НВР-5ДМ 1985 года выпуска, с производительностью 5 л/с.
Устранение течей и увеличение сечения вакуумных магистралей позволило достичь
давления в рабочей камере в 10 – 25 Па.
Для измерения давления в установке использовались 2 вакуумметра ПМТ-2.
Штатно для управления этими лампами вместе с ними выпускался специальный блок. Он
большой, тяжёлый и достать два таких устройства довольно проблематично. Вместо них
можно использовать простую схему, которую можно спаять на макетной плате
самостоятельно, и мультиметры. Схема представлена на рисунке 5
Рисунок 5 Схема с обратной связью для стабилизации тока через подогреватель
термопары.
R – около 10 Ом, R1 – подстроечный резистор, около 1 кОм, нужен для точной
настройки тока. R2 – делитель, многооборотный реостат, около 50 кОм, необходим для
быстрой настройки тока при использовании на разных вакуумметрах.
Чтобы неравновесная среда, создаваемая в магнетроне, не искажала показания
вакуумметров, лампы подсоединены к установке через стеклянные трубки, с внутренним
диаметром 6 мм и длиной 40 см, для компактности свёрнутые в спираль, которые затем
подсоединяются к магнетрону на вакуумных шлангах.
Конечный вариант изготовленной схемы контроля двух вакуумметров представлен на
фото 5
12
Фото 5. Общий вид и плата устройства управления вакуумметрами.
Блок магнетрона установки, состоящий из вакуумной камеры, вакуумметров и
электромагнитов представлен на фото 6:
Фото 6. Магнетрон в сборе.
1 – подключение форвакуумного насоса
2 – катушки электромагнита
3 – вакуумметр, измеряющий давление на оси магнетрона
4 – вакуумметр, измеряющий давление у середины боковой стенки магнетрона
5 – коллектор отвода воды от системы охлаждения электромагнита. Второй коллектор
расположен с диаметрально противоположной стороны.
6 – магнетрон, расположенный внутри электромагнитов.
1
2 3
4
5 6
13
3.4) Зажигание разряда.
Изначально испытания проводились при давлении 1 – 2 Торр. При использовании
медной проволоки диаметром 1 – 2 мм в качестве катода и создании разности потенциалов
между катодом и анодом наблюдалось зажигание тлеющего разряда с током 100 мА и
напряжением 250 В (фото 7):
Фото 7. Тлеющий разряд в воздухе при давлении 2 Торр
На фотографии видно, что разряд горит равномерно по длине, что могло бы
благоприятно сказываться на вращении газа в магнитном поле. Однако, в течении 10
минут работы поверхность проволоки окислялась и из-за этого напряжение поднималось
до 500 В при постоянном токе 100 мА. Более того, при увеличении тока разряда
напряжение на нём повышалось, поэтому достичь тока разряда в 2 А (𝑖 ≈ 10 А/м) не
представлялось возможным. Ещё одним неприятным фактом было то, что при
уменьшении рабочего давления в камере напряжение на разряде росло, и при снижении
давления до 50 Па, с целью предохранения меди от окисления, пробой газа не происходил
даже при разности потенциалов в 2.5 кВ.
Этот опыт навел меня на мысль об использовании горячего вольфрамового катода,
который испускает электроны под действием термоэлектронной эмиссии, и, при
достаточной температуре катода и напряжении на магнетроне, ток через газ будет
протекать при любом давлении в магнетроне. Оценим необходимое напряжение:
3.5) Верхняя оценка напряжения на разряде
Рассмотрим магнетрон вышеописанной формы, в котором поддерживается
абсолютный вакуум. Рассчитаем необходимое напряжение, которое необходимо
приложить к нему в отсутствие магнитного поля, чтобы через него смог протечь ток в 1 А.
Дело в том, что при таком токе, объёмный заряд электронов влияет на распределение
электрических полей в магнетроне. Решим кинетические уравнения для электронов и
найдём необходимую разность потенциалов между катодом и анодом. Накал катода
считаем достаточным, для эмиссии такого числа электронов, длина катода – 20 см. В
14
качестве искомых функций выберем:
𝑛(𝑟)– концентрация электронов в зависимости от расстояния до оси цилиндра
𝑣(𝑟) – радиальная скорость электронов
𝐸(𝑟) – электрическое поле
Из уравнения непрерывности, теоремы об изменении кинетической энергии и уравнения