Ion getterpumpar (även kallade sputterjonpumpar eller helt enkelt jonpumpar) producerar ultrahögt vakuum (UHV) utan hjälp av rörliga delar eller ventiler. Detta gör dem mycket effektiva, tysta och underhållsfria.
Ion getterpumpar kräver ett stort magnetfält i en isolerad kammare och använder höga spänningar för att dra in elektroner i aggregatet. Pumpningen bygger på sputtering av gettermaterial inuti en serie celler och genom implantation eller nedgrävning av de producerade jonerna.
Gasmolekylerna som pumpas genom kemisorption (getter) och fysisorption (joner) är nu permanent ”bundna” och kan inte ”bidra” till trycket inne i kammaren.
Processen är ganska omfattande och komplicerad, så i den här bloggen kommer vi att förklara hur jon getterpumpar fungerar och hur de används.
ARBETSPRINCIPER
Med jon getterpumpar används inledande pumpning (vanligtvis hanterad av en turbomolekylär pumpkombination) för att avlägsna bulkgasen tills vakuumet sjunker till cirka 10-4 mbar eller lägre.
När bulkgasen har avlägsnats appliceras sedan en högspänning (på mellan 4 000 och 7 000 volt) genom elementaggregatet. Detta ”drar” elektroner in i det cylindriska anodröret. Elektronerna binds i snäva spiralbanor av en permanentmagnet (med en fältstyrka på 0,12 Telsa) som är placerad utanför vakuumkammaren och bildar på så sätt en plasmaurladdning.
De joner som skapas bombarderar sedan titankatodplattan. Pumpning av molekylära/gasjoner kan sedan ske genom implantation (fysisorption). Bombardemanget orsakar sprutning av titanatomer från katodgitteret. Detta resulterar i avlagringar på de omgivande ytorna av den sprutade filmen. Denna film producerar pumpning via gettering dvs. kemisorption av gasmolekyler.
fUNKTIONELLA PRINCIPER
Det finns tre typer av jon getter-pumpelement: konventionell diod (CV), differentiell jon (DI eller ädeldiod) och triod. Varje typ har sina för- och nackdelar som anges nedan:
1. CV/Diode-pump
CV/Diode-jonpumpelementet ger den högsta pumphastigheten för reaktiva gaser och överlägsen vakuum- och elektrisk stabilitet. Det ger dock inte långtidsstabilitet för pumpning av ädelgaser.
2. DI/Noble Diode
Med något lägre pumphastigheter än CV/Diode-jonpumpelementet säkerställer DI/Noble Diode en stabil ädelgaspumpning; behåller 80 % av CV-pumphastigheten. Med detta sagt använder den material till högre pris.
3. Triodpump
Triodpumpelementet är en ”mesh”-konfiguration. Den ger stabil ädelgaspumpning, behåller 80 % av CV-pumphastigheten och har ett högre starttryck. På nedsidan är ultrahögt vakuum (UHV) pumphastighet reducerad, elektrisk instabilitet är vanlig och tillverkningskostnaderna är högre.
Vad är skillnaderna mellan pumparna?
Den största skillnaden mellan konventionella, differentiella och triodpumpar är det katodmaterial som används.
I fallet med CV- och diodpumpen är katodmaterialet tillverkat av titan. Titankatoden reagerar med getterbara gaser som kan pumpas genom kemisorption (t.ex. N2, O2, H2, CO, CO2 vattenånga och lätta kolväten). Icke-reaktiva ädelgaser pumpas huvudsakligen genom jonimplantation, vilket är anledningen till att CV/Diode-pumparna har en betydligt lägre pumphastighet för ädelgaser.
För DI/Noble Diode-pumparna är katodmaterialet i stället för titan tillverkat av tantal. Tantal är ett extremt hårt material med hög atomvikt. Som sådant reflekterar det ädelgasjoner som neutrala partiklar med mycket högre energi än titan. Detta ger ett mycket större implanteringsdjup i elektroderna och fysisorption (fångst).
Till sist trioden. Triodens konfiguration skiljer sig från CV och DI genom att ringarna faktiskt är jordade, och den använder titanringar med negativ spänning som katod.
En kollektorplatta på anodpotential är placerad bakom katoden. Ofta fungerar pumpkärlets innervägg som den tredje elektroden (på jordad potential). Som ett resultat av detta blir pumphastigheten och stabiliteten högre. Men med tiden kommer titanatomer att byggas upp på dessa ringar, vilket skapar vissa whiskers och minskar utrymmet mellan ringarna och vakuumväggen, vilket introducerar elektrisk instabilitet.
För mer information om de olika pumpelementen kan du titta på videon nedan:
Användningar och fördelar
Ion getter-pumpar, som arbetar i intervallet 10-5 till 10-12 mbar, används ofta i allmänna UHV-system, t.ex. vid molekylärstråleepitaxi (MBE), ytanalys (t.ex. skanningstunnelmikroskop), andra instrument för ytanalys och inom högenergifysik, t.ex. kolliderare och synkrotroner.
Samt att producera UHV-tryck är jon getter-pumparna:
- absolut fria från kolväten,
- fungerande vid höga temperaturer,
- högresistenta mot strålning/magnetiska fält,
- utan rörliga delar (och därmed utan vibrationer).
Och eftersom det inte krävs någon regenerering är de dessutom lätta att underhålla (med katodbyte) och (till skillnad från många vakuumpumpar) kan de användas utan inloppsisoleringsventiler. Dessa fördelar gör jon getterpumpar väl lämpade för apparater med hög precision. Tyvärr kan de vara dåliga på att pumpa ädelgaser, kräver hög spänning och magnetfält och behöver en turbomolekylär eller annan sekundär pump för att skapa starttrycket.