Ion getterpompen (ook wel sputter-ionpompen of gewoon ionenpompen genoemd) produceren ultrahoog vacuüm (UHV) zonder de hulp van bewegende onderdelen of kleppen. Dit maakt ze zeer effectief, stil en weinig onderhoud.

Ion getter pompen vereisen een groot magnetisch veld binnen een geïsoleerde kamer en gebruiken hoge spanningen om elektronen in de assemblage te trekken. Het pompen berust op het sputteren van gettermaterialen binnen een reeks cellen en door de implantatie of begraving van de geproduceerde ionen.

De door chemisorptie (getterde) en fysisorptie (ionen) gepompte gasmoleculen zijn nu permanent “gebonden” en niet in staat om “bij te dragen” aan de druk binnen de kamer.

Het proces is vrij uitgebreid en complex, dus in deze blog zullen we uitleggen hoe ion getterpompen werken en hoe ze worden gebruikt.

WERKINGSPRINCIPES

Met ion getter pompen, initieel pompen (meestal beheerd door een turbomoleculaire pomp combinatie) wordt gebruikt om het bulkgas te verwijderen totdat het vacuüm daalt tot ongeveer 10-4 mbar of lager.

Na het verwijderen van het bulkgas, een hoge spanning (van tussen de 4.000 en 7.000 volt) wordt vervolgens toegepast door het element assemblage. Dit “trekt” elektronen in de cilindrische anode-buisassemblage. De elektronen worden gebonden in strakke spiraalvormige banen door een permanente magneet (van 0,12 Telsa-veldsterkte) die zich buiten de vacuümkamer bevindt, waardoor een plasma-ontlading wordt gevormd.

De gecreëerde ionen bombarderen vervolgens de titanium kathodeplaat. Het pompen van de moleculaire/gasionen kan dan geschieden door implantatie (physisorptie). Het bombardement veroorzaakt het sputteren van titaanatomen uit het kathodelattice. Dit resulteert in afzettingen op de omringende oppervlakken van de gesputterde film. Deze film produceert pompen via gettering, d.w.z. chemisorptie van gasmoleculen.

fUNCTIONELE PRINCIPES

Er zijn drie typen ion getter pompelementen: de conventionele diode (CV), de differentiële ion (DI of nobele diode), en de triode. Elk type heeft zijn voor- en nadelen, zoals hieronder opgesomd:

1. CV/Diode pomp

Het CV/Diode ionenpomp element biedt de hoogste pompsnelheid voor reactieve gassen en superieure vacuüm en elektrische stabiliteit. Het biedt echter geen stabiliteit op lange termijn voor het pompen van edelgassen.

2. DI/Noble Diode

Met iets lagere pompsnelheden dan CV/Diode-ionen, zorgt de DI/Noble Diode voor het stabiel pompen van edelgassen; 80% van de CV-pompsnelheid blijft behouden. Dit gezegd zijnde, gebruikt het duurdere materialen.

3. Triode pomp

Het triode pompelement is een “mesh” configuratie. Het zorgt voor stabiel edelgas pompen, behoudt 80% van de CV pompsnelheid en heeft een hogere startdruk. De keerzijde is dat de pompsnelheid bij ultrahoog vacuüm (UHV) lager is, dat elektrische instabiliteit vaak voorkomt en dat de fabricagekosten hoger zijn.

Wat zijn de verschillen tussen de pompen?

Het belangrijkste verschil tussen conventionele, differentiële en triodepompen is het gebruikte kathodemateriaal.

In het geval van de CV/diodepomp is het kathodemateriaal gemaakt van titanium. De titanium kathode zal reageren met getterbare gassen die door chemisorptie kunnen worden verpompt (b.v. N2, O2, H2, CO, CO2 waterdamp en lichte koolwaterstoffen). Niet-reactieve edelgassen worden hoofdzakelijk gepompt door ionenimplantatie, en daarom hebben CV/Diode-pompen een aanzienlijk lagere pompsnelheid voor edelgassen.

Voor de DI/Noble Diode-pompen is het kathodemateriaal, in plaats van titanium, gemaakt van tantaal. Tantaal is een uiterst hard materiaal met een hoge atomaire massa. Als zodanig weerkaatst het edelgasionen als neutrale deeltjes met een veel hogere energie dan titanium. Dit geeft een veel grotere implantatiediepte in de elektroden en fysisorptie (trapping).

Finitief, de triode. De configuratie van de triode is verschillend van de CV en DI in die zin dat de ringen eigenlijk geaard zijn, en het gebruikt negatieve voltage titanium ringen als kathode.

Een collector plaat op anode potentiaal is geplaatst achter de kathode. Vaak dient de binnenwand van het pompvat als derde elektrode (bij geaard potentiaal). Hierdoor zijn de pompsnelheid en de stabiliteit hoger. Maar na verloop van tijd hopen titaniumatomen zich op deze ringen op, waardoor enkele whiskers ontstaan en de ruimte tussen de ringen en de vacuümwand kleiner wordt, wat elektrische instabiliteit introduceert.

Voor meer details over de verschillende pompelementen, bekijk de video hieronder:

Toepassingen en voordelen

Ion getter pompen, die werken in het bereik van 10-5 tot 10-12 mbar, worden vaak gebruikt in algemene UHV-systemen zoals molecular-beam epitaxy (MBE), oppervlakteanalyse (bijv. scanning tunnelmicroscopen), andere instrumenten voor oppervlakteanalyse en in de hoge-energiefysica, zoals colliders en synchrotrons.

Naast het produceren van UHV-drukken, zijn ion getter pompen:

• absoluut vrij van koolwaterstoffen,
• operabel bij hoge temperaturen,
• zeer bestendig tegen straling/magnetische velden,
• zonder bewegende delen (en dus geen trillingen).

Ook zijn ze, omdat geen regeneratie nodig is, onderhoudsarm (met vervanging van de kathode) en kunnen ze (in tegenstelling tot veel vacuümpompen) zonder inlaatisolatiekleppen worden gebruikt. Deze voordelen maken ion getter pompen zeer geschikt voor hoge-precisie apparatuur. Helaas kunnen zij slecht zijn in het pompen van edelgassen, vereisen zij een hoge spanning en een magnetisch veld, en hebben zij een turbomoleculaire of andere secundaire pomp nodig om de startdruk te creëren.