Ионный насос

Ионный насос (также называемый распылительным ионным насосом ) — это тип вакуумного насоса , который работает путем распыления металлического геттера . В идеальных условиях ионные насосы способны достигать давления до 10 ⁻¹¹ мбар. ^[1] Ионный насос сначала ионизирует газ внутри сосуда, к которому он прикреплен, и использует сильный электрический потенциал, обычно 3–7 кВ, который ускоряет ионы в твердый электрод. Небольшие кусочки электрода распыляются в камеру. Газы улавливаются в результате сочетания химических реакций с поверхностью высокореактивного распыляемого материала и физически задерживаются под этим материалом.

История

Первые свидетельства накачки электрическим разрядом были найдены в 1858 году Юлиусом Плюкером . ^[2]^[3] который провел первые эксперименты по электрическому разряду в электронных лампах. В 1937 году Франс Мишель Пеннинг заметил некоторые признаки накачки в работе своего датчика с холодным катодом . ^[4] Эти ранние эффекты проявлялись сравнительно медленно и поэтому не были коммерциализированы. Большой прогресс произошел в 1950-х годах, когда Varian Associates исследовала возможности улучшения характеристик электронных ламп , в частности улучшения вакуума внутри клистрона . В 1957 году Льюис Д. Холл, Джон С. Хелмер и Роберт Л. Джепсен подали заявку на патент. ^[5] за значительно улучшенный насос, один из первых насосов, которые могли создавать в вакуумной камере сверхвысокое вакуумное давление.

Принцип работы

Базовым элементом обычного ионного насоса является ловушка Пеннинга . ^[6] Вихревое облако электронов , созданное электрическим разрядом, временно сохраняется в анодной области ловушки Пеннинга. Эти электроны ионизируют поступающие атомы и молекулы газа. Образующиеся в результате закрученные ионы ускоряются и ударяются о химически активный катод (обычно титановый). ^[7] При ударе ускоренные ионы либо погружаются в катод, либо распыляют катодный материал на стенки насоса. Только что распыленный химически активный катодный материал действует как газопоглотитель , который затем откачивает газ путем как хемосорбции , так и физической адсорбции, что приводит к эффекту чистой откачки. Инертные и более легкие газы, такие как He и H _{2 ,} не распыляются и поглощаются путем физической адсорбции . Некоторая часть энергичных ионов газа (включая газ, который не является химически активным по отношению к материалу катода) может ударяться о катод и захватывать электрон с поверхности, нейтрализуя его при отскоке. Эти возвращающиеся энергичные нейтралы скрыты на открытых поверхностях насоса. ^[8]

Как скорость откачки, так и производительность таких методов улавливания зависят от конкретного вида собираемого газа и поглощающего его катодного материала. Некоторые вещества, такие как окись углерода, химически связываются с поверхностью катодного материала. Другие, такие как водород, будут диффундировать в металлическую структуру. В первом примере скорость накачки может снизиться по мере того, как материал катода покрывается покрытием. В последнем случае скорость остается фиксированной скоростью диффузии водорода.

Типы

Существует три основных типа ионных насосов: обычный или стандартный диодный насос, насос на благородном диоде и триодный насос . ^[9]

Стандартный диодный насос

Стандартный диодный насос — это тип ионного насоса, используемый в процессах высокого вакуума, который содержит только химически активные катоды, в отличие от насосов с благородными диодами. ^[9] Можно выделить два подтипа: распылительные ионные насосы и орбитронные ионные насосы.

Распылительный ионный насос

В ионных насосах распыления один или несколько полых анодов помещаются между двумя катодными пластинами с интенсивным магнитным полем, параллельным оси анодов, чтобы увеличить путь электронов в анодных ячейках. ^[5]

Ионный насос Орбитрон

В орбитронных вакуумных насосах электроны перемещаются по спиральным орбитам между центральным анодом, обычно имеющим форму цилиндрической проволоки или стержня, и внешним или граничным катодом, обычно имеющим форму цилиндрической стенки или клетки. Вращение электронов по орбитам достигается без использования магнитного поля, хотя можно использовать слабое аксиальное магнитное поле. ^[10]

Благородный диодный насос

Насос на благородном диоде — это тип ионного насоса, используемый в приложениях с высоким вакуумом , в котором используется как химически активный катод , такой как титан , так и дополнительный катод, состоящий из тантала . Танталовый катод служит высокоинерционной структурой кристаллической решетки для отражения и захоронения нейтралов, повышая эффективность откачки ионов инертного газа. ^[9] Перекачивать периодически большие количества водорода с помощью благородных диодов следует с большой осторожностью, так как водород может в течение нескольких месяцев повторно выделяться из тантала.

Приложения

Ионные насосы обычно используются в системах сверхвысокого вакуума (СВВ), поскольку они могут достигать предельного давления менее 10 ⁻¹¹ мбар . ^[1] В отличие от других распространенных насосов сверхвысокого давления, таких как турбомолекулярные насосы и диффузионные насосы , ионные насосы не имеют движущихся частей и не используют масло. Поэтому они чистые, не требуют особого ухода и не производят вибраций. Эти преимущества делают ионные насосы хорошо подходящими для использования в сканирующей зондовой микроскопии , молекулярно-лучевой эпитаксии и других высокоточных аппаратах.

Радикалы

Недавние исследования показали, что свободные радикалы, выходящие из ионных насосов, могут влиять на результаты некоторых экспериментов. ^[11]

См. также

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б «Ионные насосы» (PDF) . Аджилент . Архивировано из оригинала (PDF) 4 марта 2016 г. Проверено 17 сентября 2015 г.
^ Плюкер, Юлиус (1858). «III. Продолжение наблюдений за электрическим разрядом» (PDF) . Анналы физики и химии (на немецком языке). 181 (9): 67. doi : 10.1002/andp.18581810904 .
^ Холл, Л.Д. (8 августа 1958 г.). «Ионные вакуумные насосы: вместо удаления частиц газа некоторые новые насосы просто переводят их в твердую фазу». Наука . 128 (3319). Американская ассоциация развития науки (AAAS): 279–285. дои : 10.1126/science.128.3319.279 . ISSN 0036-8075 .
^ Пеннинг, Ф.М. (1937). «Новый манометр для низкого давления газа, особенно между 10 ⁻³ и 10 ⁻⁵ мм». Physica (на немецком языке). 4 (2). Elsevier BV: 71–75. doi : 10.1016/s0031-8914(37)80123-8 . ISSN 0031-8914 .
^ Jump up to: ^а ^б США 2993638 , выдан 25 июля 1961 г.
^ Камберс, А., «Современная физика вакуума», CRC Press (2005).
^ Вайслер, Г.Л. и Карлсон, Р.В., редакторы, «Методы экспериментальной физики»; Вакуумная физика и техника , Том. 14, Academic Press Inc., Лондон (1979).
^ Мур, Дж. Х.; Дэвис, CC; Коплан, Массачусетс; Грир, С. (2003). Создание научной аппаратуры . Вествью Пресс. ISBN 0-8133-4006-3 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Откачка гелия и водорода ионно-распылительными насосами. Часть II.
^ США 3371853
^ Ж. Зиковский; С.А. Догель; Эй Джей Дики; Дж. Л. Питтерс; Р.А. Волков (2009). «Реакция поверхности Si (100) с концевыми водородными группами в сверхвысоком вакууме с радикалами, генерируемыми ионным насосом». Журнал вакуумной науки и техники А. 27 (2): 248. дои : 10.1116/1.3071944 .

Источники

«Ионные насосы Agilent, ранняя история» (PDF) .
Хабланиан, Марсовое ложе. «Геттерирование и ионная накачка» . Высоковакуумная технология: Практическое руководство . ISBN 082478197X . Архивировано из оригинала 9 мая 2006 года.
«Ионные насосы для распыления» (PDF) . Институт Пола Шеррера .

Внешние ссылки

Введение в ионные насосы. Архивировано 21 марта 2011 г. в Wayback Machine.

[Varian-1] Jump up to: ^а ^б «Ионные насосы» (PDF) . Аджилент . Архивировано из оригинала (PDF) 4 марта 2016 г. Проверено 17 сентября 2015 г.

[2] Плюкер, Юлиус (1858). «III. Продолжение наблюдений за электрическим разрядом» (PDF) . Анналы физики и химии (на немецком языке). 181 (9): 67. doi : 10.1002/andp.18581810904 .

[3] Холл, Л.Д. (8 августа 1958 г.). «Ионные вакуумные насосы: вместо удаления частиц газа некоторые новые насосы просто переводят их в твердую фазу». Наука . 128 (3319). Американская ассоциация развития науки (AAAS): 279–285. дои : 10.1126/science.128.3319.279 . ISSN 0036-8075 .

[4] Пеннинг, Ф.М. (1937). «Новый манометр для низкого давления газа, особенно между 10 ⁻³ и 10 ⁻⁵ мм». Physica (на немецком языке). 4 (2). Elsevier BV: 71–75. doi : 10.1016/s0031-8914(37)80123-8 . ISSN 0031-8914 .

[Varian2-5] Jump up to: ^а ^б США 2993638 , выдан 25 июля 1961 г.

[6] Камберс, А., «Современная физика вакуума», CRC Press (2005).

[7] Вайслер, Г.Л. и Карлсон, Р.В., редакторы, «Методы экспериментальной физики»; Вакуумная физика и техника , Том. 14, Academic Press Inc., Лондон (1979).

[8] Мур, Дж. Х.; Дэвис, CC; Коплан, Массачусетс; Грир, С. (2003). Создание научной аппаратуры . Вествью Пресс. ISBN 0-8133-4006-3 .

[BNL-9] Jump up to: ^а ^б ^с Откачка гелия и водорода ионно-распылительными насосами. Часть II.

[10] США 3371853

[11] Ж. Зиковский; С.А. Догель; Эй Джей Дики; Дж. Л. Питтерс; Р.А. Волков (2009). «Реакция поверхности Si (100) с концевыми водородными группами в сверхвысоком вакууме с радикалами, генерируемыми ионным насосом». Журнал вакуумной науки и техники А. 27 (2): 248. дои : 10.1116/1.3071944 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]