RU2034359C1

RU2034359C1 - Electrical discharge vacuum pump

Info

Publication number: RU2034359C1
Authority: RU
Inventors: В.Ф. Лисовой; Ю.Н. Фесенко
Original assignee: Научно-исследовательский и конструкторский институт энерготехники
Priority date: 1990-05-03
Filing date: 1990-05-03
Publication date: 1995-04-30

Abstract

FIELD: vacuum engineering. SUBSTANCE: negative-charge electrode is arranged in parallel to side wall of cooled metal case of pump; positive-charge electrode is mounted flush with case surface. Negative electrode may be perforated. Inlet pipe ensures continuous evacuation of spaces. EFFECT: improved design. 3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к ядерной технике и может быть использовано для поглощения и захоронения радиоактивных инертных газов, образующихся в тепловыделяющих элементах и термоэмиссионных электрогенерирующих каналах, а также в других устройствах, связанных с радиоактивными процессами. The invention relates to nuclear technology and can be used for absorption and disposal of radioactive inert gases generated in the fuel elements and thermionic power generating channels, as well as in other devices associated with radioactive processes.

Известен электроразрядный вакуумный насос, состоящий из магнитопрозрачного корпуса с патрубком и расположенных в корпусе параллельно друг другу катода и анода [1] При этом анод выполнен с развитой ячеистой поверхностью. Снаружи корпуса расположена магнитная система. В этом насосе поглощение радиоактивных инертных газов осуществляется путем их ионизации и последующей сорбции на аноде и частично на катоде. Достигается это за счет распыления материала катода и захоронения (связывания) с помощью распыленного материала инертных газов на аноде. Known electric discharge vacuum pump, consisting of a magnetically transparent housing with a nozzle and located in the housing parallel to each other of the cathode and anode [1] In this case, the anode is made with a developed cellular surface. Outside the housing is a magnetic system. In this pump, the absorption of radioactive inert gases is carried out by their ionization and subsequent sorption on the anode and partially on the cathode. This is achieved by atomization of the cathode material and disposal (binding) using atomized inert gas material at the anode.

Недостатками этого насоса являются нестабильность работы из-за сорбции газов на аноде, а также низкая производительность. The disadvantages of this pump are instability due to sorption of gases at the anode, as well as low productivity.

Кроме того, наличие массивной магнитной системы увеличивает металлоемкость насоса, а близко расположенные катод и анод создают возможность для короткого замыкания. При этом возможности короткого замыкания способствует высокое напряжение на аноде ( ≈ 6000 В). In addition, the presence of a massive magnetic system increases the metal consumption of the pump, and the closely located cathode and anode make it possible for a short circuit. In this case, the possibility of short circuit contributes to the high voltage at the anode (≈ 6000 V).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является электроразрядный насос [2] состоящий из герметичного корпуса с помещенным в него катодом в виде параллельных пластин, на которых выполнены перпендикулярные к ним ребра. Между катодными пластинами помещен кольцевой анод. Ребра на катодных пластинах в сочетании с кольцевым анодом образуют систему полых катодов, работающих в импульсном режиме. The closest in technical essence to the proposed invention is an electric discharge pump [2] consisting of a sealed housing with a cathode placed in it in the form of parallel plates on which ribs are made perpendicular to them. A ring anode is placed between the cathode plates. The ribs on the cathode plates in combination with the annular anode form a system of hollow cathodes operating in a pulsed mode.

Основным недостатком прототипа является низкая производительность откачки инертных газов из-за импульсного режима работы и отсутствия охлаждения катода. При повышении температуры катодов выше пороговой происходит десорбция уже поглощенных ионов инертных газов и процесс откачки прекращается. The main disadvantage of the prototype is the low productivity of pumping inert gases due to the pulsed mode of operation and the lack of cooling of the cathode. As the cathode temperature rises above the threshold, desorption of inert gas ions already absorbed occurs and the pumping process stops.

Кроме того, конструкция насоса является сложной из-за выполнения катодов в виде пластин с перпендикулярными ребрами и помещения между ними кольцевого анода, имеющего сложную конструкцию изоляции, которая не исключает возможности короткого замыкания между катодом и анодом. При этом расположение анода между пластинами катодов снижает эффект использования энергии вторичных электронов, необходимых для ионизации инертных газов, так как в такой конструкции путь вторичного электрона от катода к аноду минимален и на его коротком пути количество соударений и образование ионов инертных газов снижается. Процесс захоронения инертных газов, т. е. откачки, без их ионизации не происходит. In addition, the design of the pump is complicated due to the design of the cathodes in the form of plates with perpendicular ribs and the placement of an annular anode between them having a complex insulation design that does not exclude the possibility of a short circuit between the cathode and anode. Moreover, the location of the anode between the plates of the cathodes reduces the effect of using the energy of the secondary electrons necessary for ionization of inert gases, since in this design the path of the secondary electron from the cathode to the anode is minimal and the number of collisions and the formation of inert gas ions decrease on its short path. The inert gas burial process, i.e. pumping out, does not occur without ionization.

Целью изобретения является увеличение производительности и стабильности работы насоса путем увеличения эффективности использования вторичных электронов и обеспечение непрерывности режима работы насоса. The aim of the invention is to increase the productivity and stability of the pump by increasing the efficiency of use of secondary electrons and ensuring the continuity of the pump.

Для этого отрицательно заряженный электрод установлен с зазором параллельно боковой поверхности корпуса, снабженного входным патрубком и выполненного металлическим с возможностью охлаждения, при этом корпус соединен с источником отрицательного заряда, а положительно заряженный электрод анод расположен заподлицо с внутренней поверхностью корпуса насоса. For this, a negatively charged electrode is installed with a gap parallel to the side surface of the casing, equipped with an inlet pipe and made of metal with the possibility of cooling, while the casing is connected to a negative charge source, and the positively charged electrode anode is flush with the inner surface of the pump casing.

С целью повышения экономичности насоса путем увеличения поверхности отрицательно заряженного электрода (катода) последний выполнен в виде перфорированной поверхности. In order to increase the efficiency of the pump by increasing the surface of a negatively charged electrode (cathode), the latter is made in the form of a perforated surface.

Поскольку данное устройство имеет отличные от прототипа признаки, которые обеспечивают достижение положительного эффекта, предлагаемое изобретение соответствует критериям охраноспособности "новизна" и "положительный эффект". Since this device has features that are different from the prototype, which ensure the achievement of a positive effect, the present invention meets the eligibility criteria of "novelty" and "positive effect".

Среди известных технических решений не обнаружено решений, включающих признаки, образующие совокупность признаков отличительной части формулы, поэтому предлагаемое решение обладает и "существенными отличиями". Among the known technical solutions, no solutions were found that include signs that make up the set of features of the distinctive part of the formula, therefore, the proposed solution has "significant differences".

На чертеже изображен электроразрядный вакуумный насос. The drawing shows an electric discharge vacuum pump.

Электроразрядный вакуумный насос представляет собой токопроводный корпус 1 в виде цилиндрической емкости с входным патрубком 2 для впуска радиоактивного газа 3. Корпус емкости соединен с источником 4 отрицательного заряда или заземлен. Стенки емкости снабжены системой 5 охлаждения. Внутри корпуса 1 насоса заподлицо с внутренней поверхностью стенки закреплен на изоляторе 6 положительно заряженный электрод-анод 7, соединенный с источником 8 положительного заряда. Параллельно внутренней цилиндрической поверхности корпуса 1 с зазором относительно стенки установлен с помощью изоляторов 9 один или несколько электродов-катодов 10, соединенных с источником 11 отрицательного заряда и образующих с анодом 7 систему полого катода. Катод 10 выполнен из высокоактивного металла, легко поддающегося распылению, такого как титан, цирконий, молибден и др. The electric discharge vacuum pump is a conductive housing 1 in the form of a cylindrical container with an inlet pipe 2 for the inlet of radioactive gas 3. The container body is connected to a negative charge source 4 or is grounded. The walls of the tank are equipped with a cooling system 5. Inside the pump housing 1, a positively charged electrode-anode 7 is connected to the insulator 6 and is connected to the source 8 of the positive charge. Parallel to the inner cylindrical surface of the housing 1 with a gap relative to the wall, one or more electrodes-cathodes 10 are connected using insulators 9, connected to a negative charge source 11 and forming a hollow cathode system with anode 7. The cathode 10 is made of highly active metal that can be easily atomized, such as titanium, zirconium, molybdenum, etc.

В зависимости от требующейся производительности и экономичности насоса катод может быть выполнен в виде одного или нескольких стержней, сплошных или перфорированных полос, обечайки и т. д. Depending on the required performance and efficiency of the pump, the cathode can be made in the form of one or more rods, continuous or perforated strips, shells, etc.

Для обеспечения максимальной производительности насоса катод выполняют в виде перфорированной обечайки. Этим достигается максимальная распыляемая поверхность катода, а перфорация по всей площади обечайки обеспечивает пролет распыленного материала катода через отверстия перфорации и его захоронение на охлаждаемой стенке корпуса насоса. To ensure maximum pump performance, the cathode is made in the form of a perforated shell. This achieves the maximum atomized surface of the cathode, and perforation over the entire shell area ensures the passage of the atomized cathode material through the perforation holes and its burial on the cooled wall of the pump casing.

Вакуум-плотный корпус насоса выполнен из конструкционной нержавеющей стали типа марки 12Х18Н10Т. The vacuum-tight pump casing is made of structural stainless steel type 12X18H10T.

Электроразрядный вакуумный насос работает следующим образом. An electric discharge vacuum pump operates as follows.

Первоначально при запуске в корпусе 1 насоса создают разрежение 5˙10^-6 мм рт. ст. с помощью известных средств. Потом через патрубок 2 с помощью автоматического клапана, срабатывающего от определенного разрежения, в корпус насоса запускается порция радиоактивного инертного газа до создания в корпусе разрежения 1˙10^-1 мм рт. ст. после чего подача газа прекращается. При подаче на анод напряжения +600 В, а на катод (-50) В между анодом и катодом возникает тлеющий разряд с полым катодом.Initially, when starting the pump in a housing 1 a vacuum is created 5˙10 ^-6 mm Hg. Art. by known means. Then, through the nozzle 2, with the help of an automatic valve operating from a certain vacuum, a portion of radioactive inert gas is launched into the pump casing until a vacuum of 1-10 ^-1 mm Hg is created in the casing. Art. then the gas supply stops. When a voltage of +600 V is applied to the anode, and a glow discharge with a hollow cathode arises between the anode and cathode at the cathode (-50) V.

Образующиеся в зоне полого катода вторичные электроны, соударяясь с атомами инертного газа, его ионизируют, и уже ионы этого газа, соударяясь с поверхностью катода, вызывают испарение материала катода. Испаренный материал катода осаждается на охлаждаемой стенке корпуса 1, при этом происходит захоронение ионов радиоактивного газа. При интенсивной бомбардировке катода 10 ионами газа 3 катоды разогреваются, что ускоряет процесс распыления, а следовательно, и процесс откачки. Корпус насоса подключен к источнику 4 отрицательного заряда, например к нулевому проводу электросети, что в сочетании с охлаждением обеспечивает прочное удержание напыленного слоя со связанным в нем радиоактивным газом. Отсутствие охлаждения на катоде и его более отрицательный потенциал по отношению к корпусу насоса обеспечивает устойчивое распыление материала катода. Процесс поглощения газа идет до разрежения 1˙10^-3 мм рт. ст. т. е. до тех пор, пока в насосе имеются условия для горения разряда с полым катодом. Прекращение тока между анодом и катодом автоматически включает напускной клапан для впуска новой порции радиоактивного инертного газа до давления 1˙10^-1 мм рт. ст. после чего клапан перекрывается. Практически при четкой работе автоматики процесс откачки газа и его захоронение на охлаждаемой стенке насоса идут непрерывно.Secondary electrons formed in the hollow cathode zone, colliding with atoms of an inert gas, ionize it, and ions of this gas, colliding with the cathode surface, cause the cathode material to evaporate. The vaporized cathode material is deposited on the cooled wall of the housing 1, with the disposal of radioactive gas ions. With intensive bombardment of the cathode by 10 gas ions 3, the cathodes are heated, which accelerates the sputtering process and, consequently, the pumping process. The pump casing is connected to a negative charge source 4, for example, to the neutral wire of the power supply network, which, in combination with cooling, provides strong retention of the sprayed layer with the associated radioactive gas. The lack of cooling at the cathode and its more negative potential with respect to the pump casing ensures stable atomization of the cathode material. The process of gas absorption proceeds to a vacuum of 1˙10 ^-3 mm Hg. Art. i.e., as long as the pump has conditions for burning a hollow cathode discharge. The cessation of current between the anode and cathode automatically turns on the inlet valve for the inlet of a new portion of radioactive inert gas to a pressure of 1-10 ^-1 mm RT. Art. after which the valve closes. In practice, with the precise operation of automation, the gas pumping process and its burial on the cooled wall of the pump are continuous.

Расположение анода 7 заподлицо с внутренней поверхностью корпуса насоса позволяет полностью использовать объем корпуса для образования полого катода и тем самым увеличить производительность при сохранении габаритов и объема захоронения. Расположение анода за пределами внутреннего объема корпуса насоса затрудняет поджиг разряда и увеличивает электрические потери. Конструктивное разделение катодов на неохлаждаемую распыляемую часть, выполняемую из высокоактивных и легкораспыляемых материалов (Ti, Mo, Zr), и охлаждаемую часть, служащую для захоронения газов, позволяет максимально повысить производительность насоса и емкость захоронения, а также обеспечить непрерывность работы насоса до полного распыления неохлаждаемого катода. При этом охлаждаемая часть катода в виде внутренней поверхности корпуса насоса может многократно использоваться для дальнейшей работы при замене распыленных неохлаждаемых катодов до тех пор, пока толщина напыленного слоя на поверхности охлаждаемого катода не достигнет величины зазора между неохлаждаемым катодом и стенкой корпуса насоса (охлаждаемого катода). Это позволяет захоронить в одном корпусе насоса максимально возможное, зависящее только от исходных габаритов корпуса насоса количество радиоактивных инертных газов, что экономически дает большие преимущества перед известными конструкциями, так как происходит экономия средств на транспортировку и длительное захоронение радиоактивных отходов. The location of the anode 7 flush with the inner surface of the pump housing allows you to fully use the volume of the housing for the formation of a hollow cathode and thereby increase productivity while maintaining the dimensions and volume of burial. The location of the anode outside the internal volume of the pump casing makes it difficult to ignite the discharge and increases electrical losses. The constructive separation of the cathodes into an uncooled atomized part made of highly active and easily atomized materials (Ti, Mo, Zr) and a cooled part used for gas burial allows to maximize pump performance and burial capacity, as well as to ensure continuous operation of the pump until complete uncooled atomization cathode. In this case, the cooled part of the cathode in the form of the inner surface of the pump casing can be repeatedly used for further work when replacing atomized uncooled cathodes until the thickness of the sprayed layer on the surface of the cooled cathode reaches the gap between the uncooled cathode and the wall of the pump casing (cooled cathode). This allows you to bury the maximum possible amount of radioactive inert gases in one pump casing, which depends only on the initial dimensions of the pump casing, which economically gives great advantages over known designs, as it saves money on transportation and long-term disposal of radioactive waste.

Claims

1. ELECTRIC DISCHARGE VACUUM PUMP containing a negatively charged electrode located with a gap relative to the housing, between which parallel surfaces a hollow cathode is formed, and a positively charged electrode, characterized in that, in order to increase the pump performance by increasing the energy efficiency of secondary electrons, the negatively charged the electrode is mounted parallel to the side surface of the metal housing, and the positively charged electrode is located behind slick with the surface of the body.

2. The pump according to claim 1, characterized in that, in order to increase the efficiency of the pump by increasing the cathode surface, the negatively charged electrode is perforated.

3. The pump according to claims 1 and 2, characterized in that, in order to ensure continuous pumping, the pump is equipped with an inlet pipe.