Le pompe ioniche getter (chiamate anche pompe ioniche sputter o semplicemente pompe ioniche) producono un vuoto ultra-alto (UHV) senza l’aiuto di parti mobili o valvole. Questo le rende altamente efficaci, silenziose e a bassa manutenzione.

Le pompe getter a ioni richiedono un grande campo magnetico all’interno di una camera isolata e usano alte tensioni per tirare gli elettroni nel gruppo. Il pompaggio si basa sullo sputtering di materiali getter all’interno di una serie di celle e sull’impianto o seppellimento degli ioni prodotti.

Le molecole di gas pompate per chemisorbimento (getter) e fisisorbimento (ioni) sono ora permanentemente “legate” e non possono “contribuire” alla pressione all’interno della camera.

Il processo è abbastanza esteso e complesso, quindi in questo blog, spiegheremo come funzionano le pompe getter a ioni e come vengono utilizzate.

Principi di funzionamento

Con le pompe ioniche getter, il pompaggio iniziale (di solito gestito da una combinazione di pompe turbomolecolari) viene utilizzato per rimuovere il gas sfuso fino a quando il vuoto scende a circa 10-4 mbar o inferiore.

Dopo aver rimosso il gas sfuso, viene applicata una tensione elevata (tra 4.000 e 7.000 volt) attraverso il gruppo di elementi. Questo “tira” gli elettroni nel gruppo cilindrico anodo-tubo. Gli elettroni sono legati in percorsi a spirale stretta da un magnete permanente (di intensità di campo 0,12 Telsa) situato all’esterno della camera a vuoto, formando così una scarica di plasma.

Gli ioni creati bombardano poi la piastra catodica in titanio. Il pompaggio degli ioni molecolari/gas può quindi avvenire per impiantazione (fisisorbimento). Il bombardamento causa lo sputtering di atomi di titanio dal reticolo del catodo. Questo si traduce in depositi sulle superfici circostanti del film spruzzato. Questo film produce il pompaggio attraverso il gettering, cioè il chemisorbimento delle molecole di gas.

PRINCIPI FUNZIONALI

Ci sono tre tipi di elementi di pompa ionica getter: il diodo convenzionale (CV), lo ione differenziale (DI o diodo nobile) e il triodo. Ogni tipo ha i suoi vantaggi e svantaggi, come elencato di seguito:

1. Pompa CV/Diodo

L’elemento della pompa ionica CV/Diodo fornisce la più alta velocità di pompaggio per i gas reattivi e un vuoto e una stabilità elettrica superiori. Tuttavia, non fornisce stabilità a lungo termine per il pompaggio dei gas nobili.

2. DI/Diodo nobile

Con velocità di pompaggio degli ioni leggermente inferiori a quelle del CV/Diodo, il DI/Diodo nobile assicura il pompaggio stabile dei gas nobili; mantenendo l’80% della velocità di pompaggio del CV. Detto questo, usa materiali più costosi.

3. Pompa a triodo

L’elemento della pompa a triodo è una configurazione a “rete”. Fornisce un pompaggio stabile di gas nobile, mantiene l’80% della velocità di pompaggio CV e ha una pressione di partenza più alta. Sul lato negativo, la velocità di pompaggio in ultra alto vuoto (UHV) è ridotta, l’instabilità elettrica è comune e i costi di produzione sono più alti.

Quali sono le differenze tra le pompe?

La principale differenza tra le pompe convenzionali, differenziali e a triodi è il materiale del catodo utilizzato.

Nel caso della pompa CV/Diodo, il materiale del catodo è fatto di titanio. Il catodo di titanio reagirà con i gas getterabili che possono essere pompati per chemisorbimento (ad esempio N2, O2, H2, CO, CO2, vapore acqueo e idrocarburi leggeri). I gas nobili non reattivi vengono pompati principalmente per impiantazione ionica, motivo per cui le pompe CV/Diodo hanno una velocità di pompaggio significativamente ridotta per i gas nobili.

Per le pompe DI/Noble Diode, invece del titanio, il materiale del catodo è fatto di tantalio. Il tantalio è un materiale estremamente duro, ad alta massa atomica. Come tale, riflette gli ioni dei gas nobili come particelle neutre con un’energia molto più alta del titanio. Questo dà una profondità di impianto molto più alta negli elettrodi e un fisisorbimento (intrappolamento).

Infine, il triodo. La configurazione del triodo è diversa dal CV e dal DI in quanto gli anelli sono effettivamente messi a terra, e utilizza anelli di titanio a tensione negativa come catodo.

Una piastra collettrice a potenziale anodico è posizionata dietro il catodo. Spesso la parete interna del recipiente della pompa serve come terzo elettrodo (a potenziale di terra). Di conseguenza, la velocità di pompaggio e la stabilità sono più elevate. Ma col tempo gli atomi di titanio si accumulano su questi anelli, creando dei baffi e riducendo lo spazio tra gli anelli e la parete del vuoto, introducendo instabilità elettrica.

Per maggiori dettagli sui diversi elementi di pompaggio, guarda il video qui sotto:

Applicazioni e vantaggi

Le pompe ion getter, che operano nell’intervallo da 10-5 a 10-12 mbar, sono spesso usate in sistemi UHV generali come l’epitassia a fascio molecolare (MBE), analisi delle superfici (per esempio microscopi a tunnel a scansione), altri strumenti di analisi delle superfici e nella fisica delle alte energie, come i collisori e i sincrotroni.

Oltre a produrre pressioni UHV, le pompe ion getter sono:

• assolutamente prive di idrocarburi,
• operabili ad alte temperature,
• estremamente resistenti alle radiazioni/ai campi magnetici,
• senza parti mobili (e quindi senza vibrazioni).

Inoltre, non essendo richiesta alcuna rigenerazione, hanno una bassa manutenzione (con la sostituzione del catodo) e (a differenza di molte pompe a vuoto) possono essere utilizzate senza valvole di isolamento in ingresso. Questi vantaggi rendono le pompe ioniche getter ben adatte ad apparati di alta precisione. Sfortunatamente, possono essere povere nel pompare gas nobili, richiedono alta tensione e campo magnetico, e hanno bisogno di una pompa turbomolecolare o di un’altra pompa secondaria per creare la pressione iniziale.