Iontové vývěvy (nazývané také rozprašovací iontové vývěvy nebo jednoduše iontové vývěvy) vytvářejí ultravysoké vakuum (UHV) bez pomoci pohyblivých částí nebo ventilů. Díky tomu jsou vysoce účinné, tiché a nenáročné na údržbu.
Ion getterové vývěvy vyžadují velké magnetické pole v izolované komoře a k vtažení elektronů do sestavy používají vysoké napětí. Čerpání spočívá v rozprašování getterových materiálů uvnitř řady komor a v implantaci nebo pohřbívání vzniklých iontů.
Molekuly plynu čerpané chemisorpcí (gettery) a fyzisorpcí (ionty) jsou nyní trvale „vázány“ a nemohou „přispívat“ k tlaku uvnitř komory.
Proces je poměrně rozsáhlý a složitý, proto v tomto blogu vysvětlíme, jak iontová getterová čerpadla fungují a jak se používají.
PINCIPY PRÁCE
Při použití iontových getterových vývěv se počáteční čerpání (obvykle řízené kombinací turbomolekulárních vývěv) používá k odstranění objemového plynu, dokud vakuum neklesne na hodnotu přibližně 10-4 mbar nebo nižší.
Po odstranění objemového plynu se pak přes sestavu prvků přivede vysoké napětí (o hodnotě 4 000 až 7 000 voltů). To „vtáhne“ elektrony do válcové sestavy anodové trubice. Elektrony jsou vázány do těsných spirálových drah permanentním magnetem (o intenzitě pole 0,12 Telsa) umístěným mimo vakuovou komoru, čímž vzniká plazmový výboj.
Vytvořené ionty pak bombardují titanovou katodovou desku. Čerpání molekulárních/plynových iontů pak může probíhat implantací (fyzisorpcí). Bombardování způsobuje rozprašování atomů titanu z katodové mřížky. To má za následek usazeniny na okolních površích rozprašované vrstvy. Tento film vytváří čerpání prostřednictvím geteringu, tj. chemisorpce molekul plynu.
fUNKČNÍ PRINCIPY
Existují tři typy iontových čerpacích prvků: konvenční dioda (CV), diferenciální iontová (DI nebo ušlechtilá dioda) a trioda. Každý typ má své výhody a nevýhody, jak je uvedeno níže:
1. CV/diodová pumpa
Prvek CV/diodové iontové pumpy poskytuje nejvyšší rychlost čerpání reaktivních plynů a vynikající vakuovou a elektrickou stabilitu. Neposkytuje však dlouhodobou stabilitu pro čerpání vzácných plynů.
2. DI/Noble Diode
Při o něco nižší rychlosti čerpání iontů než CV/Diode zajišťuje DI/Noble Diode stabilní čerpání vzácných plynů; zachovává 80 % rychlosti čerpání CV. Přesto používá dražší materiály.
3. Triodové čerpadlo
Triodový čerpací prvek je v konfiguraci „mesh“. Zajišťuje stabilní čerpání vzácných plynů, zachovává 80 % rychlosti čerpání CV a má vyšší počáteční tlak. Nevýhodou je snížená rychlost čerpání v ultravysokém vakuu (UHV), častá elektrická nestabilita a vyšší výrobní náklady.
Jaké jsou rozdíly mezi vývěvami?
Hlavním rozdílem mezi konvenčními, diferenciálními a triodovými vývěvami je použitý materiál katody.
V případě CV/Diode vývěvy je materiál katody vyroben z titanu. Titanová katoda bude reagovat s getrovatelnými plyny, které lze čerpat chemisorpcí (např. s N2, O2, H2, CO, vodní párou CO2 a lehkými uhlovodíky). Nereaktivní vzácné plyny se čerpají převážně iontovou implantací, proto mají čerpadla CV/Diode výrazně sníženou rychlost čerpání vzácných plynů.
U čerpadel DI/Noble Diode je místo titanu materiál katody vyroben z tantalu. Tantal je extrémně tvrdý materiál s vysokou atomovou hmotností. Jako takový odráží ionty vzácných plynů jako neutrální částice s mnohem vyšší energií než titan. To umožňuje mnohem větší hloubku implantace v elektrodách a fyzisorpci (zachycení).
Nakonec trioda. Konfigurace triody se od CV a DI liší tím, že prstence jsou ve skutečnosti uzemněné a jako katoda se používají titanové prstence se záporným napětím.
Za katodou je umístěna sběrná deska na anodovém potenciálu. Jako třetí elektroda (na uzemněném potenciálu) často slouží vnitřní stěna nádoby čerpadla. Výsledkem je vyšší rychlost a stabilita čerpání. Časem se však na těchto kroužcích nahromadí atomy titanu, čímž se vytvoří určité metličky a zmenší se prostor mezi kroužky a stěnou vakua, což vnáší elektrickou nestabilitu.
Pro více informací o různých čerpacích prvcích se podívejte na video níže:
Použití a výhody
Iontové getrové vývěvy, které pracují v rozsahu 10-5 až 10-12 mbar, se často používají v obecných UHV systémech, jako je epitaxe molekulárním paprskem (MBE), povrchová analýza (např. skenovací tunelové mikroskopy), dalších přístrojích pro povrchovou analýzu a ve fyzice vysokých energií, jako jsou urychlovače a synchrotrony.
Kromě vytváření UHV tlaků jsou iontová getrová čerpadla:
- absolutně bez uhlovodíků,
- provozovatelná při vysokých teplotách,
- vysoce odolná vůči záření/magnetickým polím,
- bez pohyblivých částí (a tedy bez vibrací).
Protože nevyžadují regeneraci, mají nízké nároky na údržbu (s výměnou katod) a (na rozdíl od mnoha vakuových vývěv) je lze používat bez vstupních izolačních ventilů. Díky těmto výhodám jsou iontové getrové vývěvy vhodné pro vysoce přesné aparatury. Bohužel mohou být špatné při čerpání vzácných plynů, vyžadují vysoké napětí a magnetické pole a k vytvoření počátečního tlaku potřebují turbomolekulární nebo jinou sekundární vývěvu.
.