ปั๊มไอออนทํางานอย่างไร

การจัดเรียงต่อไปนี้ใช้เพื่อสร้างไอออน: อาโนดทรงกระบอกสเตนเลสสตีลถูกจัดเรียงอย่างใกล้ชิดระหว่างแกนของมันตั้งฉากกับแคโทดขนานสองตัว ( ดูรูปที่ 2.61 ด้านล่าง) 

แคโธดมีศักย์ลบ (ไม่กี่กิโลโวลต์) เทียบกับแอโนด ระบบอิเล็กโทรดทั้งหมดจะได้รับการรักษาไว้ในสนามแม่เหล็กที่แข็งแรงและเป็นเนื้อเดียวกันที่มีความหนาแน่นของฟลักซ์ B = 0.1 T (T = Tesla = 10⁴ Gauss) ที่สร้างขึ้นโดยแม่เหล็กถาวรที่ติดอยู่ด้านนอกของตัวเรือนปั๊ม การปล่อยก๊าซที่เกิดจากแรงดันไฟฟ้าสูงประกอบด้วยอิเล็กตรอนและไอออน

ภายใต้อิทธิพลของสนามแม่เหล็ก อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ตามเส้นทางเกลียวยาวจนกระทบกระบอกแอโนดของเซลล์ที่เกี่ยวข้อง เส้นทางที่ยาวจะเพิ่มผลผลิตไอออน ซึ่งแม้แต่ที่ความหนาแน่นของก๊าซ (แรงดัน) ต่ําก็เพียงพอที่จะรักษาการปล่อยก๊าซด้วยตนเอง ไม่จําเป็นต้องมีการจ่ายอิเล็กตรอนจากแคโทดร้อน

เนื่องจากมีมวลมาก การเคลื่อนไหวของไอออนจะไม่ได้รับผลกระทบจากสนามแม่เหล็กในลําดับขนาดที่กําหนด ไอออนจะไหลออกไปตามเส้นทางที่สั้นที่สุดและทําลายแคโทด 

← ➢ ทิศทางการเคลื่อนที่ของโมเลกุลก๊าซที่เกิดไอออน
• → ทิศทางการเคลื่อนที่ของไทเทเนียมสปัตเตอร์
- - - - ร่องรอยแบบเกลียวของอิเล็กตรอน
เซลล์ Penning PZ

กระแสไฟฟ้าที่คายประจุ i มีสัดส่วนกับความหนาแน่นเชิงจํานวนของอนุภาคที่เป็นกลาง n0, ความหนาแน่นของอิเล็กตรอน n- และความยาว l ของเส้นทางการคายประจุทั้งหมด: 

ในปั๊มสปัตเตอร์ไอออนชนิดไดโอดที่มีการกําหนดค่าระบบอิเล็กโทรดดังแสดงในรูปที่ 2.62 ด้านล่าง ฟิล์มตัวรับถูกสร้างขึ้นบนพื้นผิวแอโนดและระหว่างบริเวณสปัตเตอร์ของแคโธดตรงข้าม ไอออนจะถูกฝังอยู่ในพื้นผิวแคโธด ในขณะที่การสปัตเตอร์แคโทดดําเนินต่อไป อนุภาคก๊าซที่ฝังอยู่จะถูกปล่อยออกมาอีกครั้ง ดังนั้น การปั๊มก๊าซที่มีค่าที่สามารถปั๊มได้โดยการฝังไอออนเท่านั้นจะหายไปหลังจากเวลาหนึ่งและจะเกิด "ผลจากหน่วยความจํา 

ไม่เหมือนกับปั๊มไดโอด ปั๊มสปัตเตอร์ไอออนไตรโอดแสดงความเสถียรที่ยอดเยี่ยมในความเร็วในการปั๊มก๊าซที่มีค่าเนื่องจากการสปัตเตอร์และพื้นผิวฟิล์มขึ้นรูปแยกกัน

รูปภาพ 2.63 แสดงการกําหนดค่าอิเล็กโทรดของปั๊มสปัตเตอร์ไอออนไตรโอด
ประสิทธิภาพที่สูงขึ้นในการปั๊มก๊าซที่มีค่าอธิบายไว้ดังนี้: รูปทรงเรขาคณิตของระบบมีแนวโน้มที่จะส่งผลกระทบต่อการเกิดไอออนบนแถบไทเทเนียมของกริดแคโทด ซึ่งอัตราการสปัตเตอร์จะสูงกว่าอย่างมากเมื่อเปรียบเทียบกับการเกิดในแนวตั้งฉาก ไทเทเนียมที่สปัตเตอร์จะเคลื่อนที่ในทิศทางเดียวกับไอออนที่เกิดขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ฟิล์มตัวรับจะเกิดขึ้นบนอิเล็กโทรดที่สาม แผ่นเป้าหมาย ซึ่งเป็นผนังจริงของตัวเรือนปั๊ม

มีผลผลิตที่เพิ่มขึ้นของอนุภาคไอออนไนซ์ที่เกิดขึ้นอย่างรวดเร็วบนกริดแคโทด ซึ่งจะทําให้เป็นกลางและสะท้อน และจากนั้นจะเดินทางไปยังจานเป้าหมายที่พลังงานที่ยังคงสูงกว่าพลังงานความร้อน 1/ 2 · k · T ของอนุภาคก๊าซอย่างมาก

อนุภาคที่เป็นกลางที่มีพลังงานสามารถแทรกซึมเข้าไปในชั้นพื้นผิวเป้าหมายได้ แต่ผลกระทบจากการสปัตเตอร์นั้นมีเพียงเล็กน้อยเท่านั้น อนุภาคที่ฝังหรือปลูกฝังเหล่านี้จะถูกปกคลุมด้วยชั้นไทเทเนียมใหม่ในขั้นสุดท้าย เนื่องจากเป้าหมายมีศักย์ไฟฟ้าที่เป็นบวก ไอออนที่เป็นบวกใดๆ ที่มาถึงจุดนั้นจะถูกผลักออกและไม่สามารถสปัตเตอร์ชั้นเป้าหมายได้ ดังนั้น อะตอมก๊าซมีค่าที่ฝังอยู่จึงไม่ปล่อยออกมาอีก 

ความเร็วในการปั๊มของปั๊มสปัตเตอร์ไอออนไตรโอดสําหรับก๊าซบริสุทธิ์จะไม่ลดลงในระหว่างการทํางานของปั๊ม

ความเร็วในการปั๊มของปั๊มสปัตเตอร์ไอออนขึ้นอยู่กับแรงดันและประเภทของก๊าซ วัดตามวิธีการที่ระบุใน DIN 28 429 และ PNEUROP 5615 เส้นโค้งความเร็วการปั๊ม S(p) มีค่าสูงสุด ความเร็วในการปั๊มที่กําหนด S_n ได้มาจากค่าสูงสุดของเส้นโค้งความเร็วในการปั๊มสําหรับอากาศ ซึ่งต้องระบุแรงดันที่สอดคล้องกัน 

สําหรับอากาศ ก๊าซไนโตรเจน คาร์บอนไดออกไซด์ และไอน้ํา ความเร็วในการปั๊มจะเท่ากัน เมื่อเปรียบเทียบกับความเร็วในการปั๊มสําหรับอากาศ ความเร็วในการปั๊มของปั๊มสปัตเตอร์ไอออนสําหรับก๊าซอื่นๆ จะอยู่ที่ประมาณ: 

• ไฮโดรเจน 150 ถึง 200%
• มีเทน 100% 
• ไฮโดรคาร์บอนเบาอื่น ๆ 80 ถึง 120% 
• ออกซิเจน 80% 
• อาร์กอน 30% 
• ฮีเลียม 28% 

ปั๊มสปัตเตอร์ไอออนประเภทไตรโอดจะมีความเสถียรของก๊าซบริสุทธิ์สูง ซึ่งแตกต่างจากปั๊มไดโอด อาร์กอนจะถูกปั๊มอย่างเสถียรแม้ที่แรงดันขาเข้า 1 · 10 ^-5 mbar ปั๊มสามารถสตาร์ทได้อย่างง่ายดายที่แรงดันสูงกว่า 1 · 10 ^-2 mbar และสามารถทํางานอย่างต่อเนื่องที่ทางเข้าอากาศที่สร้างแรงดันอากาศคงที่ที่ 5 · 10 ^-5 mbar การออกแบบอิเล็กโทรดแบบใหม่ช่วยยืดอายุการใช้งานของแคโทดได้ถึง 50% 

ความแรงของสนามแม่เหล็กสูงที่จําเป็นสําหรับการปั๊มจะทําให้เกิดสนามแม่เหล็กรบกวนในบริเวณใกล้เคียงกับแม่เหล็ก ด้วยเหตุนี้ กระบวนการในห้องสุญญากาศอาจถูกรบกวนในบางกรณี ดังนั้นจึงควรมีการจัดเตรียมการคัดกรองให้กับปั๊มสปัตเตอร์ไอออนที่เกี่ยวข้อง รูปแบบและประเภทของการจัดเรียงการคัดกรองดังกล่าวสามารถพิจารณาได้ว่าเหมาะสมที่สุดหากกระบวนการที่เกิดขึ้นในห้องสุญญากาศถูกรบกวนโดยสนามแม่เหล็กของโลกไม่มากกว่าสนามแม่เหล็กของโลกซึ่งมีอยู่ในทุกกรณี 

รูปภาพ 2.64 แสดงสนามแม่เหล็กรบกวนที่ระนาบของหน้าแปลนขาเข้าของปั๊มสปัตเตอร์ไอออน IZ 270 และที่ระนาบขนาน 150 มม. ด้านบน หากต้องการป้องกันไม่ให้ไอออนกระจายจากบริเวณการปล่อยเข้าสู่ห้องสุญญากาศ สามารถติดตั้งตะแกรงโลหะที่เหมาะสมที่ศักย์ไฟฟ้าตรงข้ามในช่องทางเข้าของปั๊มสปัตเตอร์ไอออน (ตัวกั้นไอออน) อย่างไรก็ตาม การดําเนินการนี้จะลดความเร็วในการปั๊มของปั๊มสปัตเตอร์ไอออน โดยขึ้นอยู่กับขนาดตาข่ายของตะแกรงโลหะที่เลือก 

ปั๊มตัวดูดที่ระเหยไม่ได้ทํางานด้วยวัสดุตัวดูดที่กะทัดรัดและไม่สามารถระเหยได้ ซึ่งมีโครงสร้างที่มีรูพรุนในระดับอะตอม ดังนั้นจึงสามารถดูดก๊าซปริมาณมากได้ โมเลกุลก๊าซที่ดูดซับบนพื้นผิวของวัสดุตัวรับจะแพร่กระจายอย่างรวดเร็วภายในวัสดุ ทําให้มีพื้นที่สําหรับโมเลกุลก๊าซเพิ่มเติมที่กระแทกบนพื้นผิว ปั๊มตัวดักจับแบบไม่ระเหยประกอบด้วยองค์ประกอบทําความร้อนที่ใช้ในการทําให้วัสดุตัวดักจับร้อนขึ้นจนถึงอุณหภูมิที่เหมาะสมที่สุด ขึ้นอยู่กับประเภทของก๊าซที่ต้องการปั๊ม ที่อุณหภูมิสูงขึ้น วัสดุตัวดักจับที่อิ่มตัวด้วยก๊าซจะถูกปรับสภาพ (เปิดใช้งาน) ในฐานะวัสดุตัวรับ ส่วนใหญ่จะใช้โลหะผสมเซอร์โคเนียม-อะลูมิเนียมในรูปแบบของแถบ คุณสมบัติพิเศษของปั๊ม NEG ได้แก่: 

• ความเร็วในการปั๊มคงที่ในช่วง HV และ UHV 
• ไม่มีข้อจํากัดแรงดันสูงสุดประมาณ 12 มิลลิบาร์ 
• ความเร็วในการปั๊มสูงเป็นพิเศษสําหรับไฮโดรเจนและไอโซโทป 
• หลังจากเปิดใช้งานแล้ว ปั๊มมักจะทํางานที่อุณหภูมิห้องและไม่จําเป็นต้องใช้พลังงานไฟฟ้า 
• ไม่มีการรบกวนจากสนามแม่เหล็ก 
• สุญญากาศที่ปราศจากไฮโดรคาร์บอน 
• ปราศจากการสั่นสะเทือน 
• น้ําหนักเบา 

ปั๊ม NEG ส่วนใหญ่จะใช้ร่วมกับปั๊ม UHV อื่น ๆ ( ปั๊มเทอร์โบโมเลกุลและปั๊มแบบเย็น ) การผสมผสานดังกล่าวมีประโยชน์อย่างยิ่งเมื่อต้องการลดแรงดันขั้นสุดท้ายของระบบ UHV เพิ่มเติม เนื่องจากไฮโดรเจนมีส่วนสําคัญในแรงดันขั้นสุดท้ายในระบบ UHV และปั๊ม NEG มีความเร็วในการปั๊มสูงเป็นพิเศษ ในขณะที่ผลการปั๊ม H₂ ของปั๊มอื่น ๆ ต่ํา

ตัวอย่างทั่วไปสําหรับการใช้งานที่ใช้ปั๊ม NEG ได้แก่ เครื่องเร่งอนุภาคและระบบการวิจัยที่คล้ายคลึงกัน เครื่องมือวิเคราะห์พื้นผิว คอลัมน์ SEM และระบบสปัตเตอร์

ปั๊ม NEG ผลิตขึ้นโดยมีความเร็วในการปั๊มตั้งแต่หลาย '/วินาที ถึงประมาณ 1000 ลิตร/วินาที ปั๊มแบบกําหนดเองมีความสามารถในการบรรลุความเร็วในการปั๊มไฮโดรเจนที่สูงขึ้นหลายลําดับ