Большая часть электровакуумных приборов (ЭВП) удовлетворительно (и долго) работает только при откачке их до высокого и сверхвысокого вакуума. Дело, однако, это долгое, хлопотное и дорогое, требующее драконовских мер чистоты и большой подготовки. Высоковакуумные насосы не умеют работать «с атмосферы» — требуют для своего запуска предварительной форвакуумной откачки, обычно до 10^-2…10^-3 мм рт. ст. (Торр). Существует целый ряд очень разных высоковакуумных насосов, работа которых основана на различных принципах. Не все они устроят самодельщика — где-то требуется слишком низкое давление для старта, недостижимое распространёнными и доступными форвакуумными насосами, где-то нужен жидкий азот для экстремального охлаждения, какие-то просто имеют огромную стоимость. Тем не менее существует вариант получения высокого вакуума, свободный от этих недостатков — весьма просто устроенный насос, не содержащий редких и дорогих материалов, подвижных и прецизионных частей, ртути и масла, горячих короткоживущих электродов, требующий для запуска около 10^-2 Торр, пригодный для самостоятельного изготовления в любительской мастерской, из стекла или металла, в нужном масштабе. Речь идёт о магниторазрядных, иначе — ионно-распылительных или ионно-геттерных насосах.

1. Как это работает?

1.1. Катодное распыление в обычном разряде

Известен механизм откачки катодным распылением [1] некоторых металлов — при некотором начальном разрежении и приложении высокого напряжения к электродам, электроны движутся от катода к аноду и, сталкиваясь с молекулами или атомами газа, раскалывают их на электроны и положительно заряженные ионы — газ ионизируется. Ионы направляются к катоду, находящемуся под отрицательным потенциалом, и бомбардируя его, выбивают частицы металла, оседающие на ближайших поверхностях — на стенках прибора. Весьма активные, ионизированные частицы газа химически и механически связываются свеженапылённой плёнкой металла. Степень этого взаимодействия зависит, в том числе от рода металла, и в той или иной мере присуща многим из них, однако, в подобных применения часто используется титан — металл сравнительно недорогой, устойчивый на воздухе, хорошо связывающий многие газы.

Увы, такой способ откачки не позволяет достичь высокого вакуума — при получении некоторого, сравнительно невысокого разрежения (~10^-3 Торр — для насосов высоковакуумных, всего лишь стартовое давление — форвакуум) тлеющий разряд между электродами гаснет — атомов и молекул газа остаётся немного, вероятность их столкновения с электронами слишком мала для поддержания горения разряда.

1.2. Магнитно-изолированный разряд Пеннинга

При помещении системы электродов, подобных Рис. 1.3. в магнитное поле В, траектория движения электрона будет свёрнутой в кольцо циклоидой (Рис.1.3. Поз. 1). Траектория эта непериодическая, т. е. электрон, как правило, не возвращается в точку своего рождения. В достаточно сильном магнитном поле циклотронный радиус становится меньше характерных размеров системы — электроны, образующие плазму, становятся магнитно-изолированными. Каждый электрон обращается по циклоидальной траектории до тех пор, пока не столкнётся с молекулой газа, ионизировав её и т. д. Поскольку спиральная траектория электрона длинней прямой в несколько сотен раз, вероятность столкновения с молекулами газа больше — магнитно-изолированный разряд Пеннинга горит при значительно более низких давлениях — меньше 10^-9 Торр.

2. Манометр Пеннинга (Филипса)

Ионы, образовавшиеся при столкновении молекул газа с закрученными магнитным полем электронами, немедленно попадают на катод, образуя ионный ток, естественно, оказывающийся пропорциональным количеству ионизированных молекул, т. е. давлению газа — первое практическое применение ячейка Пеннинга получила как высоковакуумный манометр, заметим, имеющий практически линейную зависимость тока разряда от давления.

3. Магниторазрядный насос

Как уже было показано, во многих газоразрядных или электровакуумных приборах, спустя некоторое время работы происходит поглощение молекул (рабочего или попавшего нелегальным образом) газа и понижение давления — т. н. жестчение — ионы из расколотых молекул газа внедряются, диффундируют в металл электродов, врезаясь в катоды, выбивают атомы металла, а связавшись ими, оседают на стенках и аноде прибора. Однако для практического использования ионной откачки, необходимо было поддерживать горение разряда при давлениях гораздо более низких, чем форвакуумные 10^-3 Торр. Магнитно-изолированный разряд Пеннинга, способный устойчиво гореть до 10^-12 Торр, здесь пришёлся как нельзя кстати, да и среди некоторых неудобств манометров Пеннинга значилось их сильное откачивающее действие. Осталось превратить недостаток в достоинство.

3.1. Насос Холла

Первые и не без успеха применения ячейки Пеннинга «как есть» для откачки небольших лабораторных объёмов, происходили, вероятно, с момента обнаружения эффекта, однако, своё интенсивное развитие магниторазрядные насосы получили с ячеистой конструкции анода, предложенной Холлом в 1958 году.  

Хорошо видно — ячеистый анод насоса Холла — не что иное, как параллельное включение 36 ячеек Пеннинга в удобном и технологичном конструктиве. Квадратные ячейки несколько уступают круглым в эффективности, но компактнее и проще в изготовлении. Ячеек в одном аноде может быть и больше (или меньше), несколько подобных насосов или анодных блоков могут быть объединены в общем корпусе. Кроме титана, в качестве материала для распыляемых пластин катода может быть применён тантал, цирконий, молибден и некоторые другие металлы. Иногда катоды делают из разных металлов для лучшего поглощения трудных для связывания инертных газов.

3.2. Современные заводские и крупные магниторазрядные насосы

4. Самодельные магниторазрядные насосы

5. Выводы

Высоковакуумный (сверхвысоковакуумный!) магниторазрядный насос пригоден для изготовления своими руками даже в не слишком хорошо оснащённой мастерской (небольшие стеклянные варианты), а при наличии аргоно-дуговой сварки, это могут быть и более сложные металлические конструкции. Высоковольтная схема питания маломощного насоса очень проста, а после добавления микроамперметра и калибровки, может служить высоковакуумным манометром. Магниторазрядный насос может работать (при низких давлениях) днями и неделями, умеет стартовать со сравнительно высокого давления, а после запуска не требует постоянной форвакуумной откачки. Разгерметизация системы или отключение электропитания не вызывает аварии. Насос имеет большой ресурс — десятки тысяч часов, может быть использован для простого и быстрого поиска течей в системе [5]. Источники питания небольших магниторазрядных насосов или манометров Пеннинга, легко выполнить на пока ещё доступных строчных трансформаторах и умножителях от морально устаревшей телевизионной техники, автомобильных катушках зажигания и т. п. Магниторазрядный насос легко масштабируется, миниатюрные ячейки со съёмной магнитной системой могут быть постоянным и недорогим элементом лабораторных экспериментальных ЭВП, служа как насосом, так и манометром. Магниторазрядные насосы легко комбинируются с некоторыми другими типами высоковакуумных насосов для компенсации недостатков и усиления достоинств обеих систем.  

Однако, однако. Магниторазрядные насосы требуют высокой «вакуумной» чистоты системы, её начального прогрева, не любят сообщения с атмосферой, иногда долго (до нескольких часов) стартуют, плохо откачивают инертные газы. Насосы более мощные питаются от сложных составных высоковольтных источников с разными характеристиками [5]. Магниторазрядные насосы сильно нагреваются при высоких (пусковых) давлениях.

Для улучшения некоторых характеристик насосов, кроме классической ячейки Пеннинга с титановыми катодами — т. н. диодная схема, магниторазрядные насосы строят и по триодной схеме, а также с катодами из разных (неодинаковых) металлов, с катодами ребристого профиля. Существуют и другие, несколько отличающиеся конструкции электродной системы, например, магнетронная.

 Для преодоления крупного недостатка магниторазрядных насосов — плохого связывания инертных газов, откачиваемый объём можно предварительно наполнять водородом или СО2 (коллега GidraVydra).

6. Дополнительные материалы

1. Розбери Ф. Справочник по вакуумной технике и технологии. Изд. «Энергия», Москва, 1972 г.

2. Разрядная трубка — вакуумный насос. Конспект автора.

3. Бондаренко Ю. Н. Изготовление разрядных источников света для лабораторных целей и многое другое.

4. Грошковский Я. Техника высокого вакуума. Изд. «Мир», Москва, 1975 г.

5. Васильев Г. А. Магниторазрядные насосы. Изд. «Энергия», Москва, 1970 г.

6. Вакуумная техника. Сборник статей. Изд. Иностранной литературы, Москва, 1963 г.

На благо всех разумных существ, Babay Mazay, декабрь, 2025 г.

© 2025 ООО «МТ ФИНАНС»