RU2644553C1 - Method of vtd exhaust - Google Patents

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: invention relates to the accelerated transfer of adsorption gas layers to free gas by means of thermal and mechanical means, namely, exhaust of gas from the volume of vacuum-tube device (VTD). In the way of VTB exhaust, including air exhaust out of the enclosure volume of VTB, in which the cathode is placed, with simultaneous application of ultrasonic fluctuations to the enclosure, the enclosure is heated in conditions of ultrasonic fluctuations at the frequency of maximum ultrasonic wave passing through the VTB. Heating VTB enclosure at the maximum passing of ultrasonic fluctuations creates not known earlier effect of accelerated interruption of adsorption relationships of air molecules with the surface of material, resulting in increased desorption flows, and is the physical cause of reduction of exhaust duration.

EFFECT: reduction in the duration of exhaustion and energy costs for exhaustion.

2 dwg

Description

Изобретение относится к ускоренному переводу адсорбционных слоев молекул воздуха в свободный газ с помощью тепловых и механических средств, а именно к откачке воздуха из электровакуумного прибора (ЭВП).The invention relates to the accelerated translation of the adsorption layers of air molecules into free gas using thermal and mechanical means, namely to pumping air from an electrovacuum device (EEC).

Известна технология откачки воздуха из элемента внутренней арматуры ЭВП - нанопористой силикатной шайбы окна вывода энергии магнетрона [1 аналог]. Откачка происходит при нагревании и состоит из двух последовательных этапов десорбции, первичной поверхностной и вторичной объемной.The known technology of pumping air from an element of the internal reinforcement of the EEC - a nanoporous silicate washer of the magnetron energy output window [1 analogue]. Pumping occurs during heating and consists of two successive stages of desorption, primary surface and secondary volumetric.

Нагреватель внешней печи применяется для теплового увеличения амплитуды колебаний атомов материалов, частотные диапазоны которых представлены в табл. 1., и направлен на уменьшение длительности периода десорбции для молекул воздуха с внутренней поверхности корпуса и деталей внутренней арматуры. Известно, что увеличение амплитуды колебания атомов материала при тепловых колебаниях способствует ускорению разрыва адсорбционных связей молекул воздуха с поверхностью.The heater of an external furnace is used to heat increase the amplitude of vibrations of atoms of materials, the frequency ranges of which are presented in table. 1., and is aimed at reducing the duration of the desorption period for air molecules from the inner surface of the body and parts of internal reinforcement. It is known that an increase in the amplitude of vibration of atoms of a material during thermal vibrations helps to accelerate the breaking of adsorption bonds of air molecules with the surface.

Общая длительность откачки от атмосферного давления 10⁵ Па до заданного давления 10^-6 Па составляет, в зависимости от типа ЭВП, от 8 до 10 час. Нагревание приводит к возрастанию амплитуды колебаний атомов применяемых материалов в терагерцевом диапазоне. При этом возрастают потоки десорбции молекул воздуха, возникает эффект уменьшения длительности откачки по сравнению с длительностью откачки при комнатной температуре. Этот эффект имеет температурные ограничения, так, например, в технологии производства магнетронов нагрев корпуса выше 550°C не допускается. Следовательно, технология откачки по схеме аналога имеет температурный физически ограниченный предел возрастания амплитуды атомов применяемых материалов. Этот предел нельзя преодолеть, и нет таких теплотехнических возможностей, с помощью которых при нагреве в разрешенном интервале температур может быть уменьшена длительность откачки.The total duration of pumping from atmospheric pressure of 10 ⁵ Pa to a predetermined pressure of 10 ^-6 Pa is, depending on the type of EVP, from 8 to 10 hours. Heating leads to an increase in the amplitude of atomic vibrations of the materials used in the terahertz range. In this case, the desorption flows of air molecules increase, and the effect of a decrease in the pumping time arises in comparison with the pumping time at room temperature. This effect has temperature limitations, for example, in the technology of magnetron production, heating the casing above 550 ° C is not allowed. Therefore, the pumping technology according to the analogue scheme has a physically limited temperature limit for the increase in the amplitude of the atoms of the materials used. This limit cannot be overcome, and there are no such thermotechnical possibilities by which, during heating in the permitted temperature range, the pumping time can be reduced.

Наиболее близким для заявляемого изобретения по совокупности признаков является способ откачки ЭВП [2], в корпусе которого размещен катод. Откачку осуществляют одновременно с приложением ультразвуковых колебаний к корпусу, и за счет этого ускоряют удаление молекул воздуха с внутренней стенки корпуса и с катода.The closest to the claimed invention in terms of features is a method of evacuating the EEC [2], in the casing of which is placed the cathode. Pumping is carried out simultaneously with the application of ultrasonic vibrations to the housing, and due to this accelerate the removal of air molecules from the inner wall of the housing and from the cathode.

Недостатком способа является применение двух нагревателей печей сопротивления, основной и вспомогательной, для обеспечения термической десорбции, что увеличивает длительность откачки и энергозатраты на нее.The disadvantage of this method is the use of two heaters of resistance furnaces, the main and auxiliary, to ensure thermal desorption, which increases the duration of pumping and energy costs for it.

Задачей изобретения является уменьшение длительности откачки и энергетических затрат на откачку.The objective of the invention is to reduce the duration of pumping and energy costs for pumping.

Это достигается тем, что в способе откачки ЭВП, включающем откачку воздуха из объема корпуса ЭВП, в который помещен катод, с одновременным приложением к корпусу ультразвуковых колебаний, корпус нагревают в условиях прохождения ультразвуковых колебаний при частоте максимального прохождения ультразвуковой волны через ЭВП.This is achieved by the fact that in the method of evacuating the EEC, which includes pumping air from the volume of the EEC housing into which the cathode is placed, while the ultrasonic vibrations are applied to the casing, the casing is heated under conditions of the passage of ultrasonic vibrations at a frequency of maximum ultrasonic wave propagation through the EEC.

В результате механического возбуждения атомов материала возникают дополнительные десорбционные потоки свободного газа, которые откачиваются вакуумным насосом. Так же, как и при тепловом воздействии, увеличение амплитуды колебания приводит к двум последовательным этапам десорбции, первичной поверхностной и вторичной объемной.As a result of the mechanical excitation of the atoms of the material, additional desorption flows of free gas arise, which are pumped out by a vacuum pump. As in the case of heat exposure, an increase in the amplitude of oscillation leads to two successive stages of desorption, primary surface and secondary volumetric.

При этом с нагреванием при частоте максимального прохождения ультразвуковых колебаний происходит не известный ранее эффект ускоренного разрыва адсорбционных связей молекул воздуха с поверхностью материала, приводящий к увеличению десорбционных потоков, и является физической причиной уменьшения длительности откачки. В связи с тем, что энергетические затраты на ультразвуковое воздействие являются незначительными по сравнению с затратами на нагрев корпуса ЭВП печью сопротивления, уменьшение длительности откачки создает экономию энергопотребления.Moreover, with heating at a frequency of maximum transmission of ultrasonic vibrations, the previously unknown effect of accelerated breaking of the adsorption bonds of air molecules with the surface of the material, leading to an increase in desorption flows, is the physical reason for the decrease in the pumping time. Due to the fact that the energy costs of ultrasonic exposure are insignificant in comparison with the costs of heating the EEC case by a resistance furnace, a decrease in the pumping time creates energy savings.

Определялась зависимость термоакустических потоков десорбции молекул воздуха при данной эффективной частоте ультразвуковых колебаний от температуры и длительности. Указанная зависимость является технической основой для составления технологического регламента откачки, который состоит в определении оптимальных параметров теплового и механического воздействия на ЭВП для ускоренного достижения заданного давления остаточных газов.The dependence of thermoacoustic flows of desorption of air molecules at a given effective frequency of ultrasonic vibrations on temperature and duration was determined. The indicated dependence is the technical basis for drawing up the pumping process schedule, which consists in determining the optimal parameters of the thermal and mechanical effects on the EEC to accelerate the achievement of the preset residual gas pressure.

Технический результат способа откачки достигается за счет одновременного нагревания и воздействия ультразвуковых колебаний при частоте максимального прохождения ультразвуковой волны через ЭВП.The technical result of the pumping method is achieved due to the simultaneous heating and exposure to ultrasonic vibrations at a frequency of maximum passage of the ultrasonic wave through the EEC.

Ультразвуковые колебания являются механическим воздействием на материал, ограниченным областью упругой деформации материала. Возникающие в материале ЭВП механические колебания обеспечивают не известную ранее интенсивную десорбцию газа с поверхности и из объема материала. Определение длительности откачки ЭВП рассчитывается по разработанной методике с учетом возрастания интегрального и парциального давления остаточных газов, определенных вакуумметрическим и масс-спектрометрическим методами. Таким образом, термоакустические колебания компактных массивных деталей ЭВП являются технически полезными и энергетически более выгодными для эффективной откачки по сравнению с откачкой при термических колебаниях.Ultrasonic vibrations are a mechanical effect on a material limited by the region of elastic deformation of the material. The mechanical vibrations arising in the EEC material provide intense previously unknown gas desorption from the surface and from the bulk of the material. The determination of the duration of the evacuation of the EEC is calculated according to the developed method, taking into account the increase in the integral and partial pressure of the residual gases determined by vacuum and mass spectrometric methods. Thus, the thermoacoustic vibrations of compact massive EEC components are technically useful and energetically more favorable for efficient pumping as compared with pumping during thermal vibrations.

На фиг. 1 показан график временной зависимости повышения давления остаточных газов в объеме магнетрона после отключения высоковакуумного насоса.In FIG. Figure 1 shows a graph of the time dependence of increasing the pressure of the residual gases in the magnetron volume after switching off the high-vacuum pump.

На фиг. 2 показан график временной зависимости давления остаточных газов в объеме магнетрона при нагревании корпуса с ультразвуковым воздействием до 393°C.In FIG. Figure 2 shows a graph of the time dependence of the pressure of the residual gases in the magnetron volume when the case is heated with ultrasonic action to 393 ° C.

Пример реализации способа. Откачку осуществляют следующим образом. Корпус ЭВП, в который помещен катод, за счет механического крепления оснащают двумя одинаковыми пьезоактивными элементами. Эти элементы выполняют разные функции при определении частоты максимального прохождения ультразвуковой волны и в режиме откачки воздуха.An example implementation of the method. Pumping is as follows. The case of the EEC, in which the cathode is placed, is equipped with two identical piezoactive elements due to mechanical fastening. These elements perform different functions in determining the frequency of the maximum transmission of an ultrasonic wave and in the mode of pumping air.

При определении частоты максимального прохождения ультразвуковой волны через ЭВП один элемент с помощью генератора сигналов генерирует колебания, амплитуда которых определяют на осциллографе, другой элемент - прием прошедших через ЭВП ультразвуковых колебаний, амплитуду которых также регистрируют на осциллографе.When determining the frequency of the maximum passage of an ultrasonic wave through an EEC, one element using a signal generator generates oscillations, the amplitude of which is determined on an oscilloscope, and the other element receives ultrasonic waves transmitted through an EEC, the amplitude of which is also recorded on an oscilloscope.

В режиме откачки воздуха из ЭВП оба пьезоактивных элемента подключают к генератору сигналов по параллельной схеме для создания генерации на частоте максимального прохождения ультразвуковой волны через ЭВП.In the mode of pumping air from the EEC, both piezoelectric elements are connected to the signal generator in a parallel circuit to create generation at the frequency of the maximum passage of the ultrasonic wave through the EEC.

Для обеспечения устойчивой работы элементы изготавливают из монокристаллов семейства лангасита, сохраняющих свои пьезоэлектрические свойства до температуры 1400°C [3].To ensure stable operation, the elements are made of single crystals of the langasite family, preserving their piezoelectric properties to a temperature of 1400 ° C [3].

Электропитание к акустически активным элементам подают от генератора сигналов через вакуум-плотные токовые вводы на фланце откачного поста.The acoustically active elements are supplied with power from the signal generator through vacuum-tight current inputs on the flange of the pumping station.

При свипировании по частоте генератора сигналов определяют частоту ультразвукового воздействия на корпус ЭВП, при которой амплитуда колебаний пластины излучателя и амплитуда колебаний приемной пластины незначительно отличаются, т.е. пропускание ультразвуковой волны через ЭВП проходит с минимальными потерями мощности. Для данного магнетрона максимально эффективное прохождение ультразвуковой волны соответствует частоте 36 кГц.When sweeping the frequency of the signal generator, the frequency of the ultrasonic action on the EEC housing is determined, at which the amplitude of oscillations of the emitter plate and the amplitude of oscillations of the receiving plate are slightly different, i.e. The transmission of an ultrasonic wave through an EEC passes with minimal power loss. For a given magnetron, the most efficient passage of an ultrasonic wave corresponds to a frequency of 36 kHz.

После герметизации ЭВП на откачном посту выполняют последовательно предварительную откачку и высоковакуумную откачку. После достижения высоковакуумного диапазона давления остаточных газов одновременно включаются вакуумметр, масс-спектрометр, генератор сигналов и запускают программу процессорного регулирования нагревателя вакуумной печи сопротивления. По мере повышения температуры по линейному закону со скоростью ~10°C/мин производят автоматическую регистрацию во времени температуры, интегрального давления остаточных газов, парциальных давлений компонентов с различными значениями атомных единиц массы для 16 элементов. Все измерения производят синхронно с частотой «одно измерение в секунду» в течение всего цикла откачки.After sealing the EEC at the pumping station, preliminary pumping and high-vacuum pumping are performed sequentially. After reaching the high vacuum pressure range of the residual gases, the vacuum gauge, mass spectrometer, signal generator are simultaneously turned on and the processor control program for the heater of the vacuum resistance furnace is started. As the temperature rises according to the linear law with a speed of ~ 10 ° C / min, temperature, integral pressure of residual gases, partial pressures of components with different values of atomic mass units for 16 elements are automatically recorded in time. All measurements are performed synchronously with a frequency of "one measurement per second" during the entire pumping cycle.

На графике фиг. 1 показано повышение давления остаточных газов в объеме корпуса магнетрона при температуре 20°C после откачки до 5⋅10^-7 Торр и отключении насоса: 1) без ультразвукового воздействия, 2) с ультразвуковым воздействием при 36 кГц. Из сравнения кривых 1) и 2) следует, что кривая изменения 2) расположена выше кривой 1), т.е. применение ультразвукового воздействия приводит к термоакустическому эффекту десорбции большему, чем при термической десорбции.In the graph of FIG. Figure 1 shows the increase in pressure of the residual gases in the magnetron body volume at a temperature of 20 ° C after pumping up to 5⋅10 ^-7 Torr and the pump is turned off: 1) without ultrasonic action, 2) with ultrasonic action at 36 kHz. From a comparison of curves 1) and 2) it follows that the curve of change 2) is located above curve 1), i.e. the use of ultrasonic treatment leads to a thermoacoustic effect of desorption greater than with thermal desorption.

Метод равновесной изотермической десорбции при 20°C в замкнутом объеме заключается в достижения равновесной десорбции с ультразвуковым воздействием за 24,4 часа по сравнению с 44,4 часа при традиционном термическом воздействии, т.е. длительность перевода адсорбированного газа в свободный газ для достижения одного и того же равновесного давления свободного газа Р_равн=1,27⋅10^-3 Торр сокращена с 1,6⋅10⁵ с до 8,7⋅10⁴ с, или в 1,84 раз.The method of equilibrium isothermal desorption at 20 ° C in a closed volume is to achieve equilibrium desorption with ultrasonic action in 24.4 hours compared to 44.4 hours with traditional thermal exposure, i.e. the duration of the conversion of adsorbed gas to free gas to achieve the same equilibrium pressure of the free gas P _equal = 1.27⋅10 ^-3 Torr is reduced from 1.6⋅10 ⁵ s to 8.7⋅10 ⁴ s, or 1, 84 times.

Для интервала длительности 3000÷7000 с константа скорости десорбции при термической десорбции k_T=2,17±0,18, [с^-1], константа скорости десорбции при термоакустическом воздействии k_TA=2,42±0,14, [с^-1], условный порядок реакции десорбции при термической десорбции n_T=0,626±0,08, условный порядок реакции десорбции при термоакустической десорбции n_TA=1,261±0,04.For a duration of 3000–7000 s, the desorption rate constant for thermal desorption is k _T = 2.17 ± 0.18, [s ^-1 ], the desorption rate constant for thermoacoustic exposure is k _TA = 2.42 ± 0.14, [s ^{- 1} ], the conventional order of the desorption reaction for thermal desorption n _T = 0.626 ± 0.08, the conventional order of the desorption reaction for thermal desorption n _TA = 1.261 ± 0.04.

В результате, константа скорости десорбции при термоакустической десорбции характеризуется большим численным значением, чем при термической десорбции. Численное значение условного порядка реакции термической десорбции характеризует преимущественно диффузионный механизм реакции, для термоакустической десорбции - механизм химической реакции с диффузионным контролем.As a result, the desorption rate constant during thermoacoustic desorption is characterized by a larger numerical value than during thermal desorption. The numerical value of the conditional order of the thermal desorption reaction characterizes mainly the diffusion reaction mechanism, for thermoacoustic desorption - the chemical reaction mechanism with diffusion control.

На графике фиг. 2 показано повышение давления остаточных газов в объеме корпуса магнетрона при возрастании температуры по линейному закону со скоростью 9°C/мин в интервале 20÷393°C. Залповый выброс десорбированных молекул воды при термической десорбции, пик а), проявился через 37,5 мин при температуре 357°C, а при акустотермической десорбции пик b) проявился через 17,7 мин при температуре 182°C, следовательно, длительность откачки сокращена в 2,12 раз, температура эффективной десорбции молекул воды снижена на 175°C, т.е. ~ в 2 раза.In the graph of FIG. Figure 2 shows the increase in pressure of residual gases in the magnetron body volume with increasing temperature according to a linear law with a speed of 9 ° C / min in the range 20 ÷ 393 ° C. Volley release of desorbed water molecules during thermal desorption, peak a), appeared after 37.5 minutes at a temperature of 357 ° C, and during acoustothermal desorption peak b) appeared after 17.7 minutes at a temperature of 182 ° C, therefore, the pumping time was reduced by 2.12 times, the temperature of effective desorption of water molecules is reduced by 175 ° C, i.e. ~ 2 times.

Таким образом, предлагаемый способ ускоренной откачки воздуха из объема ЭВП обеспечил не известное ранее уменьшение длительности и энергетических затрат на откачку за счет синхронного применения нагрева и ультразвуковых колебаний при частоте максимального прохождения ультразвуковой волны.Thus, the proposed method of accelerated pumping of air from the volume of the EEC provided a previously unknown reduction in the duration and energy costs of pumping due to the simultaneous use of heating and ultrasonic vibrations at a frequency of maximum transmission of an ultrasonic wave.

ЛитератураLiterature

1. Петров B.C., Смирнов И.С., Яковлев О.И., Слюта Е.Н., Васильевский В.В., Монахов И.С., Прокофьева Т.В., Агафонов А.В. Способ идентификации промежуточных фаз в монокристаллах силикатов. Патент РФ на изобретение №2470288.1. Petrov B.C., Smirnov I.S., Yakovlev O.I., Slyuta E.N., Vasilievsky V.V., Monakhov I.S., Prokofieva T.V., Agafonov A.V. A method for identifying intermediate phases in single crystals of silicates. RF patent for the invention No. 2470288.

2. Заявка Японии №54-88060. Способ откачки электронной лампы.2. Japanese application No. 54-88060. The method of pumping an electronic lamp.

3. High temperature piezoelectric materials: Defect chemistry and electro-mechanical properties / H. Fritze // J. Electroceram. - 2006. - V. 17. - P. 625-630.3. High temperature piezoelectric materials: Defect chemistry and electro-mechanical properties / H. Fritze // J. Electroceram. - 2006. - V. 17. - P. 625-630.

Claims (1)

Способ откачки ЭВП, включающий откачку воздуха из объема корпуса ЭВП, в который помещен катод, с одновременным приложением к корпусу ультразвуковых колебаний, отличающийся тем, что корпус нагревают в условиях прохождения ультразвуковых колебаний при частоте максимального прохождения ультразвуковой волны через ЭВП.A method of evacuating an EEC, including pumping air from the volume of the EEC housing into which the cathode is placed, while ultrasonic vibrations are applied to the casing, characterized in that the casing is heated under conditions of the passage of ultrasonic vibrations at a frequency of maximum ultrasonic wave propagation through the EEC.

Images