Les pompes à getter d’ions (également appelées pompes à ions de pulvérisation ou simplement pompes à ions) produisent un ultravide (UHV) sans l’aide de pièces mobiles ou de vannes. Cela les rend très efficaces, silencieuses et nécessitant peu d’entretien.

Les pompes à getter d’ions nécessitent un champ magnétique important à l’intérieur d’une chambre isolée et utilisent des tensions élevées pour attirer les électrons dans l’assemblage. Le pompage repose sur la pulvérisation de matériaux getter à l’intérieur d’une série de cellules et par l’implantation ou l’enfouissement des ions produits.

Les molécules de gaz pompées par chimisorption (gettered) et physisorption (ions) sont maintenant définitivement « liées » et ne peuvent pas « contribuer » à la pression à l’intérieur de la chambre.

Le processus est assez étendu et complexe, donc dans ce blog, nous allons expliquer comment les pompes à getter d’ions fonctionnent et comment elles sont utilisées.

Principes de fonctionnement

Avec les pompes à getter d’ions, un pompage initial (généralement géré par une combinaison de pompes turbomoléculaires) est utilisé pour éliminer le gaz en vrac jusqu’à ce que le vide tombe à environ 10-4 mbar ou moins.

Après avoir éliminé le gaz en vrac, une haute tension (de 4 000 à 7 000 volts) est ensuite appliquée à travers l’assemblage d’éléments. Cela « tire » les électrons dans l’ensemble anode-tube cylindrique. Les électrons sont liés en trajectoires spiralées serrées par un aimant permanent (d’une intensité de champ de 0,12 Telsa) situé à l’extérieur de la chambre à vide, formant ainsi une décharge de plasma.

Les ions créés bombardent alors la plaque cathodique en titane. Le pompage des ions moléculaires/gazeux peut alors se faire par implantation (physisorption). Le bombardement provoque la pulvérisation d’atomes de Titane du réseau cathodique. Il en résulte des dépôts sur les surfaces environnantes du film pulvérisé. Ce film produit un pompage par gettering c’est-à-dire par chimisorption des molécules de gaz.

Principes fonctionnels

Il existe trois types d’éléments de pompe à getter ionique : la diode classique (CV), l’ion différentiel (DI ou diode noble) et la triode. Chaque type a ses avantages et ses inconvénients, comme indiqué ci-dessous :

1. Pompe CV/Diode

L’élément de pompe ionique CV/Diode offre la plus grande vitesse de pompage pour les gaz réactifs et une stabilité supérieure du vide et de l’électricité. Il n’offre cependant pas de stabilité à long terme pour le pompage des gaz nobles.

2. DI/Noble Diode

Avec des vitesses de pompage des ions légèrement inférieures à celles de la CV/Diode, le DI/Noble Diode assure un pompage stable des gaz nobles ; conservant 80% de la vitesse de pompage de la CV. Cela dit, elle utilise des matériaux plus coûteux.

3. Pompe triode

L’élément de pompe triode est une configuration « maillée ». Elle permet un pompage stable des gaz rares, conserve 80% de la vitesse de pompage du CV et présente une pression de démarrage plus élevée. En contrepartie, la vitesse de pompage sous ultravide (UHV) est réduite, l’instabilité électrique est fréquente et les coûts de fabrication sont plus élevés.

Quelles sont les différences entre les pompes ?

La principale différence entre les pompes conventionnelles, différentielles et triodes est le matériau de cathode utilisé.

Dans le cas de la pompe CV/Diode, le matériau de cathode est en titane. La cathode en titane réagira avec les gaz getterables qui peuvent être pompés par chimisorption (par exemple N2, O2, H2, CO, CO2 vapeur d’eau et hydrocarbures légers). Les gaz nobles non réactifs sont pompés principalement par implantation ionique, ce qui explique pourquoi les pompes CV/Diode ont une vitesse de pompage considérablement réduite pour les gaz nobles.

Pour les pompes DI/Noble Diode, au lieu du titane, le matériau de la cathode est en tantale. Le tantale est un matériau extrêmement dur et de masse atomique élevée. En tant que tel, il réfléchit les ions de gaz rares comme des particules neutres avec une énergie beaucoup plus élevée que le titane. Cela donne une profondeur d’implantation beaucoup plus élevée dans les électrodes et une physisorption (piégeage).

Enfin, la triode. La configuration de la triode est différente de la CV et de la DI en ce sens que les anneaux sont réellement mis à la terre et qu’elle utilise des anneaux de titane à tension négative comme cathode.

Une plaque collectrice au potentiel anodique est positionnée derrière la cathode. Souvent, la paroi intérieure de la cuve de la pompe sert de troisième électrode (au potentiel de la terre). En conséquence, la vitesse de pompage et la stabilité sont plus élevées. Mais avec le temps, les atomes de titane s’accumulent sur ces anneaux, créant quelques trichites et réduisant l’espace entre les anneaux et la paroi du vide, introduisant une instabilité électrique.

Pour plus de détails sur les différents éléments de pompage, regardez la vidéo ci-dessous :

Applications et avantages

Les pompes à getter d’ions, qui fonctionnent dans la gamme de 10-5 à 10-12 mbar, sont fréquemment utilisées dans les systèmes UHV généraux tels que l’épitaxie par faisceau moléculaire (MBE), l’analyse de surface (par ex. microscopes à effet tunnel), d’autres instruments d’analyse de surface et dans la physique des hautes énergies, comme les collisionneurs et les synchrotrons.

En plus de produire des pressions UHV, les pompes à getter d’ions sont :

• absolument exemptes d’hydrocarbures,
• opérables à haute température,
• très résistantes aux rayonnements/champs magnétiques,
• sans pièces mobiles (et donc sans vibrations).

De plus, comme aucune régénération n’est nécessaire, elles nécessitent peu d’entretien (avec le remplacement de la cathode) et (contrairement à de nombreuses pompes à vide) peuvent être utilisées sans vanne d’isolation d’entrée. Ces avantages font que les pompes à getter d’ions sont bien adaptées aux appareils de haute précision. Malheureusement, elles peuvent être médiocres pour le pompage des gaz nobles, nécessitent une tension et un champ magnétique élevés, et ont besoin d’une pompe turbomoléculaire ou d’une autre pompe secondaire pour créer la pression de départ.