Pompy pobierające jony (zwane również pompami jonowymi do napylania lub po prostu pompami jonowymi) wytwarzają ultra-wysoką próżnię (UHV) bez pomocy ruchomych części lub zaworów. Dzięki temu są wysoce skuteczne, ciche i nie wymagają dużych nakładów na konserwację.

Pompy jonowe wymagają dużego pola magnetycznego w izolowanej komorze i wykorzystują wysokie napięcie do wciągania elektronów do zespołu. Pompowanie polega na napylaniu materiałów getter wewnątrz serii komórek i przez implantację lub zakopanie wyprodukowanych jonów.

Cząsteczki gazu pompowane przez chemisorpcję (gettered) i fizyisorpcję (jony) są teraz trwale „związane” i nie są w stanie „przyczynić się” do ciśnienia wewnątrz komory.

Proces jest dość obszerny i złożony, więc w tym blogu wyjaśnimy, jak działają pompy getterów jonowych i jak są używane.

ZASADY DZIAŁANIA

W przypadku pomp pobierających jony, początkowe pompowanie (zwykle zarządzane przez kombinację pomp turbomolekularnych) jest używane do usuwania gazu luzem, aż próżnia spadnie do około 10-4 mbar lub niżej.

Po usunięciu gazu luzem, wysokie napięcie (o wartości między 4000 a 7000 woltów) jest następnie stosowane przez zespół elementów. Powoduje to „wciągnięcie” elektronów do cylindrycznego zespołu anodowo-rurkowego. Elektrony są wiązane w ciasne spiralne ścieżki przez magnes stały (o natężeniu pola 0,12 Telsa) znajdujący się na zewnątrz komory próżniowej, tworząc w ten sposób wyładowanie plazmowe.

Wytworzone jony bombardują następnie tytanową płytę katodową. Pompowanie jonów molekularnych/gazowych może odbywać się poprzez implantację (fizyisorpcję). Bombardowanie powoduje rozpylanie atomów tytanu z siatki katody. Powoduje to powstawanie osadów na otaczających powierzchniach napylonej folii. Film ten wytwarza pompę poprzez gettering, tj. chemisorpcję cząsteczek gazu.

FUNKCJONALNE ZASADY

Istnieją trzy rodzaje elementów pompy gettera jonowego: konwencjonalna dioda (CV), dioda różnicowa (DI lub dioda szlachetna) i trioda. Każdy typ ma swoje wady i zalety, jak wymieniono poniżej:

1. Pompa CV/Diode

Pompa jonowa CV/Diode zapewnia najwyższą prędkość pompowania gazów reaktywnych oraz doskonałą próżnię i stabilność elektryczną. Nie zapewnia jednak długoterminowej stabilności pompowania gazów szlachetnych.

2. DI/Noble Diode

Przy nieco niższych niż CV/Diode prędkościach pompowania jonów, DI/Noble Diode zapewnia stabilne pompowanie gazów szlachetnych; zachowując 80% prędkości pompowania CV. Niemniej jednak, wykorzystuje ona droższe materiały.

3. Pompa triodowa

Element pompy triodowej ma konfigurację „siatkową”. Zapewnia stabilne pompowanie gazu szlachetnego, zachowuje 80% prędkości pompowania CV i ma wyższe ciśnienie początkowe. Z drugiej strony, prędkość pompowania w ultra-wysokiej próżni (UHV) jest mniejsza, niestabilność elektryczna jest powszechna, a koszty produkcji są wyższe.

Jakie są różnice między pompami?

Główną różnicą między pompami konwencjonalnymi, różnicowymi i triodowymi jest zastosowany materiał katody.

W przypadku pompy CV/Diode materiał katody jest wykonany z tytanu. Katoda tytanowa będzie reagować z gazami getterowalnymi, które mogą być pompowane przez chemisorpcję (np. N2, O2, H2, CO, CO2, para wodna i lekkie węglowodory). Niereaktywne gazy szlachetne są pompowane głównie przez implantację jonów, dlatego pompy CV/Diode mają znacznie zmniejszoną prędkość pompowania gazów szlachetnych.

W pompach DI/Noble Diode zamiast tytanu materiał katody jest wykonany z tantalu. Tantal jest niezwykle twardym materiałem o wysokiej masie atomowej. Jako taki, odbija jony gazów szlachetnych jako neutralne cząstki o znacznie wyższej energii niż tytan. Daje to znacznie większą głębokość implantacji w elektrodach i fizyisorpcję (pułapkowanie).

Na koniec trioda. Konfiguracja triody różni się od CV i DI tym, że pierścienie są w rzeczywistości uziemione, i wykorzystuje pierścienie tytanowe o ujemnym napięciu jako katodę.

Płytka kolektora przy potencjale anodowym jest umieszczona za katodą. Często wewnętrzna ściana zbiornika pompy służy jako trzecia elektroda (o potencjale uziemienia). W rezultacie, szybkość i stabilność pompowania są wyższe. Jednak z czasem atomy tytanu odkładają się na tych pierścieniach, tworząc wiskery i zmniejszając przestrzeń między pierścieniami a ścianą próżni, wprowadzając niestabilność elektryczną.

Aby uzyskać więcej szczegółów na temat różnych elementów pompujących, obejrzyj poniższy film:

Zastosowania i zalety

Pompy z getterem jonowym, które działają w zakresie od 10-5 do 10-12 mbar, są często stosowane w ogólnych systemach UHV, takich jak epitaksja z wiązki molekularnej (MBE), analiza powierzchni (np. skaningowe mikroskopy tunelowe), innych przyrządach do analizy powierzchni i w fizyce wysokich energii, takich jak zderzaczach i synchrotronach.

As well as producing UHV pressures, ion getter pumps are:

• absolutely hydrocarbon free,
• operable at high temperatures,
• highly resistant to radiation/magnetic fields,
• without moving parts (and thus no vibrations).

Ponadto, ponieważ nie jest wymagana regeneracja, są one mało wymagające w utrzymaniu (z wymianą katody) i (w przeciwieństwie do wielu pomp próżniowych) mogą być używane bez wlotowych zaworów izolacyjnych. Te zalety sprawiają, że pompy pobierające jony dobrze nadają się do aparatury o wysokiej precyzji. Niestety, mogą one być słabe w pompowaniu gazów szlachetnych, wymagają wysokiego napięcia i pola magnetycznego oraz potrzebują pompy turbomolekularnej lub innej pompy wtórnej do wytworzenia ciśnienia początkowego.

.