Ion getter-pumper (også kaldet sputter-ionpumper eller blot ionpumper) producerer ultrahøjt vakuum (UHV) uden hjælp fra bevægelige dele eller ventiler. Dette gør dem meget effektive, støjsvage og vedligeholdelsesvenlige.

Ion getter-pumper kræver et stort magnetfelt i et isoleret kammer og bruger høje spændinger til at trække elektroner ind i samlingen. Pumpen er afhængig af sputtering af gettermaterialer inde i en række celler og ved implantation eller nedgravning af de producerede ioner.

De gasmolekyler, der pumpes ved kemisorption (getter) og physisorption (ioner), er nu permanent “bundet” og kan ikke “bidrage” til trykket inde i kammeret.

Processen er ret omfattende og kompleks, så i denne blog vil vi forklare, hvordan ion getterpumper fungerer, og hvordan de anvendes.

ARBEJDSPRINCIPPER

Med ion getter-pumper anvendes indledende pumpning (normalt styret af en turbomolekylær pumpekombination) til at fjerne bulkgassen, indtil vakuumet falder til ca. 10-4 mbar eller lavere.

Når bulkgassen er fjernet, påføres der derefter en høj spænding (på mellem 4.000 og 7.000 volt) gennem elementsamlingen. Dette “trækker” elektroner ind i den cylindriske anodrørsamling. Elektronerne bindes i snævre spiralbaner af en permanent magnet (med en feltstyrke på 0,12 Telsa) uden for vakuumkammeret, hvorved der dannes en plasmaudladning.

De dannede ioner bombarderer derefter titankatodepladen. Pumpning af de molekylære/gas-ioner kan derefter ske ved implantation (physisorption). Bombardementet forårsager sputtering af titanatomer fra katodegitteret. Dette resulterer i aflejringer på de omkringliggende overflader af den sputterede film. Denne film producerer pumpning via gettering, dvs. kemisorption af gasmolekyler.

fUNKTIONELLE PRINCIPPER

Der findes tre typer af ion getter-pumpeelementer: den konventionelle diode (CV), differential ion (DI eller ædeldiode) og triode. Hver type har sine fordele og ulemper, som er anført nedenfor:

1. CV/Diode-pumpe

CV/Diode-ionpumpeelementet giver den højeste pumpehastighed for reaktive gasser og overlegen vakuum og elektrisk stabilitet. Det giver dog ikke langtidsstabilitet til pumpning af ædelgasser.

2. DI/Noble Diode

Med lidt lavere pumpehastigheder end CV/Diode-ionpumpning sikrer DI/Noble Diode stabil ædelgaspumpning; beholder 80 % af CV-pumpehastigheden. Når det er sagt, bruger den dog materialer til en højere pris.

3. Triodepumpe

Triodepumpeelementet er en “mesh”-konfiguration. Den giver en stabil ædelgaspumpning, bevarer 80 % af CV-pumpehastigheden og har et højere starttryk. På den anden side er pumpehastigheden i ultrahøjt vakuum (UHV) reduceret, elektrisk ustabilitet er almindelig, og fremstillingsomkostningerne er højere.

Hvad er forskellene mellem pumperne?

Den vigtigste forskel mellem konventionelle, differentielle og triodepumper er det anvendte katodenmateriale.

For CV/Diode-pumpens vedkommende er katoden fremstillet af titan. Titankatoden vil reagere med getterbare gasser, som kan pumpes ved kemisorption (f.eks. N2, O2, H2, CO, CO2 vanddamp og lette kulbrinter). Ikke-reaktive ædelgasser pumpes hovedsagelig ved ionimplantation, hvilket er grunden til, at CV/Diode-pumper har en betydeligt reduceret pumpehastighed for ædelgasser.

For DI/Noble Diode-pumperne er katoden i stedet for titanium fremstillet af tantal. Tantal er et ekstremt hårdt materiale med høj atommasse. Som sådan reflekterer det ædelgasioner som neutrale partikler med meget højere energi end titan. Dette giver en meget større implantationsdybde i elektroderne og physisorption (fældefangst).

Endeligt er der trioden. Triodens konfiguration er forskellig fra CV og DI, idet ringene faktisk er jordet, og den anvender titanringe med negativ spænding som katode.

En samlerplade på anodepotentiale er placeret bag katoden. Ofte tjener pumpebeholderens indervæg som den tredje elektrode (på jordpotentiale). Som følge heraf er pumpehastigheden og stabiliteten højere. Men med tiden vil titanatomer ophobes på disse ringe, hvilket skaber nogle whiskers og reducerer afstanden mellem ringene og vakuumvæggen, hvilket introducerer elektrisk ustabilitet.

For flere detaljer om de forskellige pumpeelementer, se videoen nedenfor:

Anvendelser og fordele

Ion getter-pumper, som opererer i 10-5 til 10-12 mbar-området, anvendes ofte i generelle UHV-systemer som f.eks. molekylærstråleepitaxi (MBE), overfladeanalyse (f.eks. scanningstunnelmikroskoper), andre overfladeanalyseinstrumenter og inden for højenergifysik, f.eks. collidere og synkrotroner.

Ud over at producere UHV-tryk er ion getter-pumperne:

• absolut kulbrintefri,
• driftssikre ved høje temperaturer,
• meget modstandsdygtige over for stråling/magnetiske felter,
• uden bevægelige dele (og dermed ingen vibrationer).

Dertil kommer, at de, da der ikke kræves nogen regenerering, har lav vedligeholdelse (med udskiftning af katoden) og (i modsætning til mange vakuumpumper) kan anvendes uden indløbsisolationsventiler. Disse fordele gør ion getterpumper velegnede til apparater med høj præcision. Desværre kan de være dårlige til at pumpe ædelgasser, de kræver høj spænding og magnetfelt og har brug for en turbomolekylær eller anden sekundær pumpe til at skabe starttrykket.