Hoe werken ionenpompen?

De volgende opstelling wordt gebruikt om de ionen te produceren: roestvrijstalen, cilindrische anoden zijn dicht tussen twee parallelle kathoden geplaatst, met hun assen loodrecht op elkaar (zie Afb. 2,61 hieronder). 

De kathoden hebben een negatief potentiaal (enkele kilovolts) tegen de anode. Het gehele elektrodesysteem wordt gehandhaafd in een sterk, homogeen magnetisch veld met een fluxdichtheid van B = 0,1 T, (T = Tesla = 10⁴ Gauss) geproduceerd door een permanente magneet die aan de buitenkant van de pompbehuizing is bevestigd. De gasontlading die door de hoge spanning ontstaat, bevat elektronen en ionen.

Onder invloed van het magnetische veld bewegen de elektronen zich langs lange spiraalbanen totdat ze de anodecilinder van de betreffende cel raken. Het lange traject verhoogt de ionenopbrengst, die zelfs bij lage gasdichtheden (drukken) voldoende is om een zelfhoudende gasontlading te behouden. Een toevoer van elektronen vanuit een hete kathode is niet nodig.

Vanwege hun grote massa wordt de beweging van de ionen niet beïnvloed door het magnetische veld van de gegeven grootteorde; ze stromen langs het kortste pad af en bombarderen de kathode. 

← ο Bewegingsrichting van de geïoniseerde gasmoleculen
• → Bewegingsrichting van het gespoten titanium
- - - - Spiraalvormige sporen van de elektronen
PZ Penning cellen

De ontladingsstroom i is evenredig met het aantal dichtheden van neutrale deeltjes n0, de elektronendichtheid n- en de lengte l van het totale ontladingspad: 

In diode-type sputterionpompen met een elektrodesysteemconfiguratie zoals weergegeven in Afb. 2,62 hieronder zijn de getterfilms gevormd op de anodeoppervlakken en tussen de sputtergebieden van de tegenoverliggende kathode. De ionen zijn ingebed in de kathodeoppervlakken. Naarmate het kathodesputteren vordert, komen de ingesloten gasdeeltjes weer vrij. Daarom verdwijnt de pompwerking voor edelgassen die alleen door ionenbegraving kunnen worden verpompt na enige tijd en treedt er een 'geheugeneffect' op. 

In tegenstelling tot pompen van het diodetype vertonen triode-sputter-ionpompen een uitstekende stabiliteit in hun pompsnelheid voor edelgassen, omdat de sputter- en filmvormende oppervlakken gescheiden zijn.

Afbeelding 2,63 toont de elektrodeconfiguratie van triode-sputterionpompen.
Hun hogere efficiëntie voor het verpompen van edelgassen wordt als volgt verklaard: de geometrie van het systeem bevordert een begrazende incidence van de ionen op de titaniumstaven van het kathoderaster, waarbij de sputtersnelheid aanzienlijk hoger is dan bij een loodrechte incidence. Het gesputterde titanium beweegt ongeveer in dezelfde richting als de incidentie-ionen. De getterfilms vormen zich bij voorkeur op de derde elektrode, de doelplaat, die de eigenlijke wand van de pompbehuizing is.

Er is een toenemende opbrengst van geïoniseerde deeltjes die grazend op het kathoderaster voorkomen, waar ze worden geneutraliseerd en gereflecteerd en van waaruit ze naar de doelplaat reizen met een energie die nog steeds aanzienlijk hoger is dan de thermische energie 1/ 2 · k · T van de gasdeeltjes.

De energetische neutrale deeltjes kunnen in de doeloppervlaktelaag dringen, maar hun sputtereffect is slechts verwaarloosbaar. Deze ingegraven of geïmplanteerde deeltjes worden uiteindelijk bedekt met verse titaniumlagen. Omdat het doel een positief potentiaal heeft, worden alle positieve ionen die daar aankomen afgestoten en kunnen ze de doellagen niet sputteren. Daardoor komen de ondergrondse edelgasatomen niet weer vrij. 

De pompsnelheid van triode-sputterionpompen voor edelgassen neemt niet af tijdens de werking van de pomp.

De pompsnelheid van sputterionpompen is afhankelijk van de druk en het type gas. Het wordt gemeten volgens de methoden vermeld in DIN 28.429 en PNEUROP 5615. De pompsnelheidscurve S(p) heeft een maximum. De nominale pompsnelheid S_n wordt gegeven door het maximum van de pompsnelheidscurve voor lucht waarbij de overeenkomstige druk moet worden aangegeven. 

Voor lucht, stikstof, kooldioxide en waterdamp is de pompsnelheid vrijwel gelijk. Vergeleken met de pompsnelheid voor lucht bedragen de pompsnelheden van sputterionpompen voor andere gassen ongeveer: 

• Waterstof 150 tot 200%
• Methaan 100% 
• Andere lichte koolwaterstoffen 80 tot 120% 
• Zuurstof 80% 
• Argon 30% 
• Helium 28% 

Sputterionpompen van het triodetype blinken in tegenstelling tot de diodepompen uit in hoge stabiliteit van edelgassen. Argon wordt stabiel verpompt, zelfs bij een inlaatdruk van 1 · 10 ^-5 mbar. De pompen kunnen zonder problemen worden gestart bij drukwaarden hoger dan 1 · 10 ^-2 mbar en kunnen continu werken bij een luchtinlaat die een constante luchtdruk van 5 · 10 ^-5 mbar produceert. Een nieuw ontwerp van de elektroden verlengt de levensduur van de kathoden met 50%. 

De voor de pompwerking vereiste hoge magnetische veldsterkte leidt onvermijdelijk tot verspreide magnetische velden in de buurt van de magneten. Hierdoor kunnen processen in de vacuümkamer in sommige gevallen worden verstoord, zodat de betreffende sputterionpomp moet worden voorzien van een zeefinrichting. De vormen en soorten van een dergelijke afscherming kunnen als optimaal worden beschouwd als de processen die in de vacuümkamer plaatsvinden, niet meer worden verstoord dan door het magnetische veld van de aarde dat in elk geval aanwezig is. 

Afbeelding 2,64 toont het magnetische strooiveld op het vlak van de inlaatflens van een sputterionpomp IZ 270 en ook op een parallel vlak 150 mm erboven. Als het binnendringen van verspreide ionen uit het afvoergebied in de vacuümkamer moet worden voorkomen, kan een geschikte zeef met een metalen zeef op tegenovergesteld potentiaal in de inlaatopening van de sputterionenpomp (ionenbarrière) worden geplaatst. Dit vermindert echter de pompsnelheid van de sputterionpomp afhankelijk van de maasgrootte van de geselecteerde metalen zeef. 

De niet-verdampbare getterpomp werkt met een niet-verdampbaar, compact gettermateriaal, waarvan de structuur op atomair niveau poreus is zodat het grote hoeveelheden gas kan opnemen. De gasmoleculen die op het oppervlak van het gettermateriaal worden geadsorbeerd, diffunderen snel in het materiaal, waardoor er plaats wordt gemaakt voor verdere gasmoleculen die op het oppervlak inwerken. De niet-verdampbare getterpomp bevat een verwarmingselement dat wordt gebruikt om het gettermateriaal tot een optimale temperatuur te verwarmen, afhankelijk van het type gas dat bij voorkeur moet worden verpompt. Bij een hogere temperatuur wordt het gettermateriaal dat verzadigd is met het gas geregenereerd (geactiveerd). Als gettermateriaal worden meestal zirkonium-aluminiumlegeringen in de vorm van strips gebruikt. De speciale eigenschappen van NEG-pompen zijn: 

• constante pompsnelheid in het HV- en UHV-bereik 
• geen drukbeperkingen tot ca. 12 mbar 
• bijzonder hoge pompsnelheid voor waterstof en zijn isotopen 
• na activering kan de pomp vaak op kamertemperatuur werken en heeft hij dan geen elektrische energie nodig 
• geen interferentie door magnetische velden 
• koolwaterstofvrij vacuüm 
• vrij van trillingen 
• Lichtgewicht ontwerp 

NEG-pompen worden meestal gebruikt in combinatie met andere UHV-pompen (turbomoleculaire en cryopompen). Dergelijke combinaties zijn vooral nuttig wanneer u de einddruk van UHV-systemen verder wilt verlagen, aangezien waterstof voornamelijk bijdraagt aan de einddruk in een UHV-systeem en waarvoor NEG-pompen een bijzonder hoge pompsnelheid hebben, terwijl het pompeffect voor H₂ van andere pompen laag is.

Enkele typische voorbeelden van toepassingen waarin NEG-pompen worden gebruikt, zijn deeltjesversnellers en soortgelijke onderzoekssystemen, oppervlakte-analyse-instrumenten, SEM-kolommen en sputtersystemen.

NEG-pompen worden geproduceerd met pompsnelheden van enkele '/s tot ongeveer 1000 l/s. Aangepaste pompen zijn in staat om een pompsnelheid voor waterstof te bereiken die meerdere ordes van grootte hoger is.