Bơm ion hoạt động như thế nào

Sắp xếp sau đây được sử dụng để tạo ra các ion: các anốt hình trụ bằng thép không gỉ được sắp xếp chặt chẽ giữa, với trục vuông góc với, hai catot song song (xem Hình 2,61 dưới ). 

Các catot có điện thế âm (vài kilovolt) so với cực dương. Toàn bộ hệ thống điện cực được duy trì trong một từ trường mạnh, đồng nhất với mật độ thông lượng B = 0,1 T, (T = Tesla = 10⁴ Gauss) được tạo ra bởi một nam châm vĩnh cửu gắn vào bên ngoài vỏ bơm. Khí thải do điện áp cao tạo ra chứa các electron và ion.

Dưới ảnh hưởng của từ trường, các electron di chuyển dọc theo đường xoắn ốc dài cho đến khi va chạm với xi lanh anốt của pin tương ứng. Quãng đường dài làm tăng năng suất ion, mà ngay cả ở tỷ trọng khí (áp suất) thấp cũng đủ để duy trì xả khí tự duy trì. Không cần cung cấp electron từ catot nóng.

Do khối lượng lớn, chuyển động của các ion không bị ảnh hưởng bởi từ trường theo thứ tự cường độ nhất định; chúng chảy ra dọc theo đường ngắn nhất và ném bom catot. 

← ➢ Hướng di chuyển của các phân tử khí ion hóa
• → Hướng di chuyển của titan phún xạ
- - - - Các đường xoắn ốc của các electron
Tế bào Penning PZ

Dòng xả i tỷ lệ thuận với mật độ số của các hạt trung tính n0, mật độ electron n-, và chiều dài l của tổng đường xả: 

Trong bơm ion phún xạ kiểu điốt với cấu hình hệ thống điện cực như minh họa trong Hình 2,62 dưới đây, các màng getter được tạo thành trên bề mặt anot và giữa các vùng phún xạ của catot đối diện. Các ion được chôn trong bề mặt catot. Khi tiếp tục phún xạ catốt, các hạt khí chôn lấp được giải phóng lại. Do đó, hoạt động bơm khí quý chỉ có thể được bơm bằng cách chôn cất ion sẽ biến mất sau một thời gian và "hiệu ứng bộ nhớ" sẽ xảy ra. 

Không giống như bơm loại diode, bơm ion phún xạ triode thể hiện độ ổn định tuyệt vời trong tốc độ bơm khí quý vì bề mặt phún xạ và tạo màng được tách ra.

Hình 2,63 minh họa cấu hình điện cực của bơm ion phún xạ triode.
Hiệu quả cao hơn của chúng để bơm khí noble được giải thích như sau: hình dạng của hệ thống ủng hộ sự xuất hiện của các ion trên các thanh titan của lưới catốt, do đó tốc độ phún xạ cao hơn đáng kể so với sự xuất hiện vuông góc. Titan phún xạ di chuyển theo cùng hướng với các ion lọt vào. Các màng thu ưu tiên hình thành trên điện cực thứ ba, tấm đích, là thành thực tế của vỏ bơm.

Có năng suất ngày càng tăng của các hạt ion hóa xuất hiện nhanh chóng trên lưới catot, nơi chúng được trung hòa và phản xạ và từ đó chúng di chuyển đến tấm đích với năng lượng vẫn cao hơn đáng kể so với năng lượng nhiệt 1/ 2 · k · T của các hạt khí.

Các hạt trung tính năng lượng có thể xâm nhập vào lớp bề mặt mục tiêu, nhưng hiệu ứng phún xạ của chúng chỉ là không đáng kể. Cuối cùng, các hạt được chôn hoặc cấy ghép này được bao phủ bởi các lớp titan tươi. Vì mục tiêu có điện thế dương, bất kỳ ion dương nào đến đó đều bị đẩy ra ngoài và không thể phún xạ các lớp mục tiêu. Do đó, các nguyên tử khí quý được chôn cất không được giải phóng lại. 

Tốc độ bơm của bơm phún xạ ion triode cho khí noble không giảm trong quá trình vận hành bơm.

Tốc độ bơm của bơm phún xạ ion phụ thuộc vào áp suất và loại khí. Nó được đo theo các phương pháp nêu trong DIN 28.429 và PNEUROP 5615. Đường cong tốc độ bơm S(p) có tối đa. Tốc độ bơm danh định S_n được quy định bởi đường cong tốc độ bơm tối đa cho không khí, trong đó áp suất tương ứng phải được nêu. 

Đối với không khí, nitơ, cacbon dioxit và hơi nước, tốc độ bơm gần như giống nhau. So sánh với tốc độ bơm khí, tốc độ bơm của bơm ion phún xạ đối với các khí khác khoảng: 

• Hydro 150 đến 200%
• Metan 100% 
• Các hydrocacbon nhẹ khác 80 đến 120% 
• Oxy 80% 
• Argon 30% 
• Helium 28% 

Bơm ion phún xạ kiểu triode nổi trội so với bơm kiểu diode về độ ổn định khí cao. Argon được bơm ổn định ngay cả ở áp suất đầu vào 1 · 10 ^-5 mbar. Các bơm có thể được khởi động mà không gặp khó khăn ở áp suất cao hơn 1 · 10 ^-2 mbar và có thể hoạt động liên tục tại cổng nạp khí tạo ra áp suất khí không đổi là 5 · 10 ^-5 mbar. Một loại thiết kế mới cho các điện cực giúp kéo dài tuổi thọ của catốt lên đến 50%. 

Cường độ từ trường cao cần thiết cho hoạt động bơm chắc chắn sẽ dẫn đến từ trường lạc trong vùng lân cận của nam châm. Do đó, các quy trình trong buồng chân không có thể bị gián đoạn trong một số trường hợp, vì vậy bơm ion phún xạ liên quan nên được sắp xếp sàng lọc. Các dạng và loại sắp xếp sàng lọc như vậy có thể được coi là tối ưu nếu các quá trình diễn ra trong buồng chân không không bị nhiễu không quá từ trường của Trái đất hiện diện trong mọi trường hợp. 

Hình 2,64 minh họa trường rò rỉ từ trường ở mặt phẳng của mặt bích nạp của bơm ion phún xạ IZ 270 và cũng ở mặt phẳng song song 150mm phía trên. Nếu các ion lơ lửng từ khu vực xả phải được ngăn chặn khỏi tiếp cận buồng chân không, có thể thiết lập một màn hình phù hợp bằng một lưới kim loại ở điện thế ngược lại trong cổng nạp của bơm ion phún xạ (ngăn cản ion). Tuy nhiên, điều này làm giảm tốc độ bơm của bơm ion phún xạ tùy thuộc vào kích thước lưới của lưới kim loại được chọn. 

Bơm thu không bay hơi hoạt động với vật liệu thu không bay hơi, nhỏ gọn, có cấu trúc xốp ở mức nguyên tử để có thể hấp thụ lượng khí lớn. Các phân tử khí hấp thụ trên bề mặt của vật liệu thu được khuếch tán nhanh chóng bên trong vật liệu, do đó tạo chỗ cho các phân tử khí tiếp theo va chạm trên bề mặt. Bơm thu không bay hơi chứa một bộ phận làm nóng được sử dụng để làm nóng vật liệu thu đến nhiệt độ tối ưu tùy thuộc vào loại khí được bơm. Ở nhiệt độ cao hơn, vật liệu thu được bão hòa với khí sẽ được tái tạo (kích hoạt). Là vật liệu getter, hầu hết các hợp kim zirconium-nhôm được sử dụng dưới dạng dải. Các đặc tính đặc biệt của bơm NEG là: 

• tốc độ bơm không đổi trong phạm vi HV và UHV 
• không giới hạn áp suất lên đến khoảng 12 mbar 
• tốc độ bơm đặc biệt cao cho hydro và các đồng vị của nó 
• sau khi kích hoạt, bơm thường có thể hoạt động ở nhiệt độ phòng và sau đó sẽ không cần năng lượng điện 
• không bị nhiễu bởi từ trường 
• chân không không chứa hydrocarbon 
• Không bị rung 
• Trọng lượng nhẹ 

Bơm NEG chủ yếu được sử dụng kết hợp với các bơm UHV khác (bơm turbo phân tử và bơm lạnh). Các kết hợp như vậy đặc biệt hữu ích khi muốn giảm thêm áp suất cuối của hệ thống UHV, vì hydro góp phần chủ yếu vào áp suất cuối trong hệ thống UHV, và trong đó bơm NEG có tốc độ bơm đặc biệt cao, trong khi hiệu quả bơm cho H₂ của các bơm khác thấp.

Một số ví dụ điển hình cho các ứng dụng sử dụng bơm NEG là máy tăng tốc hạt và các hệ thống nghiên cứu tương tự, thiết bị phân tích bề mặt, cột SEM và hệ thống phún xạ.

Bơm NEG được sản xuất với tốc độ bơm từ vài '/giây đến khoảng 1000 l/giây. Bơm tùy chỉnh có khả năng đạt được tốc độ bơm hydro cao hơn một vài đơn vị.