Az iongyűjtő szivattyúk nagy mágneses mezőt igényelnek egy szigetelt kamrában, és nagyfeszültséget használnak az elektronok behúzására az egységbe. A szivattyúzás a getter anyagok cellák sorozatán belüli fröccsenésén, valamint a termelt ionok beültetésén vagy eltemetésén alapul.
A kémiai szorpció (gettered) és a fizikai szorpció (ionsorpció) által szivattyúzott gázmolekulák mostantól tartósan „kötésben” vannak, és nem képesek „hozzájárulni” a kamrán belüli nyomáshoz.
A folyamat meglehetősen kiterjedt és összetett, ezért ebben a blogban elmagyarázzuk, hogyan működnek az iongyűjtő szivattyúk, és hogyan használják őket.
Az iongyűjtő szivattyúk működési elve
Iongyűjtő szivattyúk esetén a kezdeti szivattyúzás (általában turbómolekuláris szivattyú kombinációval kezelve) az ömlesztett gáz eltávolítására szolgál, amíg a vákuum kb. 10-4 mbar-ra vagy annál alacsonyabbra nem csökken.
Az ömlesztett gáz eltávolítása után az elemszerelvényen keresztül nagyfeszültséget (4000 és 7000 volt között) alkalmaznak. Ez „behúzza” az elektronokat a hengeres anód-cső szerelvénybe. Az elektronokat a vákuumkamrán kívül elhelyezett állandó mágnes (0,12 Telsa-erősségű) szűk spirális útvonalakba köti, így plazmakisülés jön létre.
A keletkező ionok ezután bombázzák a titán katódlemezt. A molekulák/gázionok szivattyúzása ezután beültetéssel (fizioszorpció) történhet. A bombázás a katódrácsból titánatomok fröccsenését okozza. Ennek következtében lerakódások keletkeznek a fröccsöntött fólia környező felületein. Ez a film a gázmolekulák kémiai adszorpciója révén pumpál.
Az iongyűjtő szivattyúk működési elvei
Háromféle ionos kapu szivattyúelem létezik: a hagyományos dióda (CV), a differenciálion (DI vagy nemesdióda) és a trióda.
Mindegyik típusnak megvannak az előnyei és hátrányai:
1. CV/dióda szivattyú
A CV/dióda ionszivattyúelem a legmagasabb szivattyúzási sebességet biztosítja a reaktív gázokhoz, valamint kiváló vákuum- és elektromos stabilitást biztosít. Ugyanakkor nem biztosít hosszú távú stabilitást a nemesgázok szivattyúzásához.
2. DI/Noble dióda
A CV/Dióda ion szivattyúzási sebességénél kissé alacsonyabb sebességgel a DI/Noble Diode stabil nemesgáz-szivattyúzást biztosít; a CV szivattyúzási sebesség 80%-át megtartja. Ugyanakkor drágább anyagokat használ.
3. Triód szivattyú
A triód szivattyúelem „hálós” kialakítású. Stabil nemesgáz-szivattyúzást biztosít, fenntartja a CV szivattyúzási sebesség 80%-át, és nagyobb indítási nyomással rendelkezik. Ugyanakkor az ultramagas vákuum (UHV) szivattyúzási sebessége csökken, az elektromos instabilitás gyakori, és a gyártási költségek magasabbak.
Mi a különbség a hagyományos, a differenciál és a triód szivattyúk között?
A hagyományos, differenciál és triód szivattyúk közötti fő különbség az alkalmazott katódanyag.
- A CV/dióda szivattyú esetében a katód anyaga titán. A titán katód reakcióba lép a kémiai adszorpcióval szivattyúzható gázokkal (pl. N2, O2, H2, CO, CO2 vízgőz és könnyű szénhidrogének). A nem reaktív nemesgázok szivattyúzása elsősorban ionbeültetéssel történik, ezért a CV/dióda szivattyúk szivattyúzási sebessége jelentősen csökkent a nemesgázok esetében.
- A DI/Noble Diode szivattyúknál a katód anyaga titán helyett tantálból készül. A tantál rendkívül kemény, nagy atomtömegű anyag. Így a nemesgáz-ionokat semleges részecskékként tükrözi vissza, amelyek sokkal nagyobb energiával rendelkeznek, mint a titán. Ez sokkal nagyobb beültetési mélységet eredményez az elektródákban és fizioszorpciót (csapdázást).
- Végül a triód. A triód konfigurációja eltér a CV-től és a DI-től abban, hogy a gyűrűk ténylegesen földelve vannak, és negatív feszültségű titángyűrűket használ katódként.
A katód mögött az anódpotenciálon egy kollektorlemez található. Gyakran a szivattyúedény belső fala szolgál harmadik elektródaként (földelt potenciálon). Ennek eredményeként nagyobb a szivattyúzási sebesség és a stabilitás. Idővel azonban titánatomok halmozódnak fel ezeken a gyűrűkön, ami bizonyos morzsákat hoz létre, és csökkenti a gyűrűk és a vákuumfal közötti teret, ami elektromos instabilitást okoz.
A különböző szivattyúelemekkel kapcsolatos további részletekért tekintse meg ezt a videót:
UHV ionszivattyúk: alkalmazások és előnyök
A 10 -5 és 10 -12 mbar közötti tartományban működő iongyűjtő szivattyúkat gyakran használják általános UHV rendszerekben, például molekuláris sugárepitaxiában (MBE), felületelemzésben (például pásztázó alagútmikroszkópokban), egyéb felületelemző műszerekben és nagy energiájú fizikában, például ütközőkben és szinkrotronokban.
Az UHV nyomások létrehozása mellett az iongátló szivattyúk a következők:
- teljesen szénhidrogénmentes,
- magas hőmérsékleten is használható,
- rendkívül ellenálló a sugárzással/mágneses mezőkkel szemben,
- mozgó alkatrészek nélkül (és így rezgések nélkül).
Továbbá, mivel nincs szükség regenerálásra, kis karbantartásigényűek (katódcserével), és (sok vákuumszivattyútól eltérően) bemeneti leválasztószelepek nélkül is használhatók. Ezek az előnyök teszik az ionos kapilláris szivattyúkat kiválóan alkalmassá nagy pontosságú berendezésekhez. Sajnos ezek nemesgázok szivattyúzására gyenge teljesítményűek lehetnek, nagyfeszültséget és mágneses mezőt igényelnek, és turbómolekuláris vagy más másodlagos szivattyúra van szükségük az indítónyomás létrehozásához.
