Wie funktionieren Ionenpumpen?

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Die Pumpwirkung von Ionenzerstäuberpumpen basiert auf Adsorptionsprozessen, die durch ionisierte Gasteilchen in einer Penning-Entladung (Kaltkathodenentladung) ausgelöst werden. Durch paralleles Anordnen vieler einzelner Penning-Zellen erreicht die Ionenzerstäuberpumpe ein ausreichend hohes Saugvermögen für die einzelnen Gase.

Funktionsprinzip von Ionenzerstäuberpumpen

Die Ionen treffen auf die Kathode des Kaltkathoden-Entladungssystems und zerstäuben das Kathodenmaterial (Titan). Das an anderen Stellen abgelagerte Titan wirkt als Getterfilm und adsorbiert reaktive Gaspartikel (z. B. Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff). Die Energie der ionisierten Gaspartikel ist nicht nur hoch genug, um das Kathodenmaterial zu zerstäuben, sondern auch, damit die eintreffenden Ionen tief in das Kathodenmaterial eindringen können (Ionenimplantation). Bei diesem Adsorptionsverfahren werden Ionen aller Art „abgepumpt“, einschließlich der Ionen von Gasen, die nicht chemisch mit dem zerstäubten Titanfilm reagieren, also hauptsächlich Edelgase.

Aufbau einer Ionenzerstäuberpumpe

Die Ionen werden in folgender Anordnung erzeugt: Zylindrische Anoden aus Edelstahl sind eng beieinander angeordnet, wobei ihre Achsen senkrecht zu zwei parallelen Kathoden liegen (siehe Abb. 2.61). Die Kathoden befinden sich auf negativem Potential (einige Kilovolt) gegenüber der Anode. Das gesamte Elektrodensystem wird in einem starken, homogenen Magnetfeld mit einer Flussdichte von B = 0,1 T (T = Tesla = 10⁴ Gauß) gehalten, das von einem Permanentmagneten erzeugt wird, der an der Außenseite des Pumpengehäuses angebracht ist. Die durch die Hochspannung erzeugte Gasentladung enthält Elektronen und Ionen. Unter dem Einfluss des Magnetfeldes bewegen sich die Elektronen entlang langer spiralförmiger Bahnen (siehe Abb. 2.61), bis sie auf den Anodenzylinder der entsprechenden Zelle auftreffen. Die lange Bahn erhöht die Ionenausbeute, die selbst bei niedrigen Gasdichten (Drücken) ausreicht, um eine sich selbst erhaltende Gasentladung aufrechtzuerhalten. Eine Zufuhr von Elektronen aus einer Heißkathode ist nicht erforderlich. Aufgrund ihrer großen Masse wird die Bewegung der Ionen durch das Magnetfeld der gegebenen Größenordnung nicht beeinträchtigt; sie fließen auf dem kürzesten Weg ab und beschießen die Kathode.

Abb. 2.61 Funktionsprinzip einer Ionenzerstäuberpumpe.

← ⊕ Bewegungsrichtung der ionisierten Gasmoleküle
• → Bewegungsrichtung des zerstäubten Titans
- – – - Spiralbahnen der Elektronen
PZ Penning-Zellen

Der Entladestrom i ist proportional zur Anzahl der neutralen Partikel n0, der Elektronendichte n- und der Länge l des gesamten Entladungswegs: (2.25)

(2.25)

Die effektiven Querschnitte für ionisierende Kollisionen hängen von der Art des Gases ab. Gemäß (2.25) ist der Entladestrom i abhängig von der Partikeldichte n0, wie bei einem Penning-Messgerät, und kann als Druckmesswert im Bereich von 10-⁴ bis 10^-8 mbar verwendet werden. Bei niedrigeren Drücken sind die Messungen aufgrund von Störungen durch Feldemissionseffekte nicht reproduzierbar.

Ionenzerstäuberpumpen (Diodentyp)

In Ionenzerstäuberpumpen vom Diodentyp mit einem Elektrodensystem, wie in Abb. 2.62 dargestellt, bilden sich die Getterfilme auf den Anodenoberflächen und zwischen den Zerstäuberbereichen der gegenüberliegenden Kathode. Die Ionen sind in den Kathodenoberflächen eingegraben. Mit fortschreitender Kathodenzerstäubung werden die vergrabenen Gasteilchen wieder freigesetzt. Daher verschwindet die Pumpwirkung für Edelgase, die nur durch Ioneneinlagerung abgepumpt werden können, nach einiger Zeit und es tritt ein „Memory-Effekt“ auf.

Abb. 2.62 Elektrodenkonfiguration in einer Ionenzerstäuberpumpe vom Diodentyp.

Ionenzerstäuberpumpen (Triodentyp)

Im Gegensatz zu Diodenpumpen weisen Ionenzerstäuberpumpen vom Triodentyp eine ausgezeichnete Stabilität bei ihrem Saugvermögen für Edelgase auf, da Zerstäuber- und filmbildende Oberflächen getrennt sind. Abb. 2.63 zeigt die Elektrodenkonfiguration von Ionenzerstäuberpumpen vom Triodentyp. Ihre höhere Effizienz beim Abpumpen von Edelgasen lässt sich wie folgt erklären: Der Systemaufbau begünstigt den streifenden Einfall der Ionen auf die Titanstäbe des Kathodengitters, wodurch die Zerstäubungsrate deutlich höher ist als bei senkrechtem Einfall. Das zerstäubte Titan bewegt sich in etwa in die gleiche Richtung wie die einfallenden Ionen. Die Getterfilme bilden sich bevorzugt auf der dritten Elektrode, der Targetplatte, die die eigentliche Wand des Pumpengehäuses ist. Es gibt eine zunehmende Ausbeute an ionisierten Teilchen, die streifend auf das Kathodengitter auftreffen, wo sie neutralisiert und reflektiert werden und von wo aus sie sich mit einer Energie, die immer noch deutlich über der thermischen Energie 1/ 2 · k · T der Gasteilchen liegt, zur Targetplatte bewegen. Die energiereichen neutralen Teilchen können in die Oberflächenschicht der Targets eindringen, aber ihre Zerstäuberwirkung ist vernachlässigbar. Diese vergrabenen oder implantierten Teilchen werden schließlich von frischen Titanschichten bedeckt. Da sich das Target auf positivem Potential befindet, werden alle dort ankommenden positiven Ionen abgestoßen und können die Targetschichten nicht zerstäuben. Daher werden die vergrabenen Edelgasatome nicht wieder freigesetzt. Das Saugvermögen von Ionenzerstäuberpumpen vom Triodentyp für Edelgase nimmt beim Betrieb der Pumpe nicht ab.

Abb. 2.63 Elektrodenkonfiguration in einer Ionenzerstäuberpumpe vom Triodentyp.

Saugvermögen von Ionenpumpen

Das Saugvermögen von Ionenzerstäuberpumpen hängt vom Druck und von der Art des Gases ab. Es wird nach den in DIN 28 429 und PNEUROP 5615 angegebenen Methoden gemessen. Die Kurve des Saugvermögens S(p) hat ein Maximum. Das Nennsaugvermögen S_n ist durch das Maximum der Kurve des Saugvermögens für Luft gegeben, wobei der entsprechende Druck angegeben werden muss.

Bei Luft, Stickstoff, Kohlendioxid und Wasserdampf ist das Saugvermögen praktisch gleich. Verglichen mit dem Saugvermögen für Luft betragen die Saugvermögen von Ionenzerstäuberpumpen für andere Gase ungefähr:

Wasserstoff 150 bis 200 %
Methan 100 %
Andere leichte Kohlenwasserstoffe 80 bis 120 %
Sauerstoff 80 %
Argon 30 %
Helium 28 %

Ionenzerstäuberpumpen vom Triodentyp zeichnen sich im Gegensatz zu Diodenpumpen durch ihre Edelgasstabilität aus. Argon wird auch bei einem Eingangsdruck von 1 · 10^-5 mbar stabil abgepumpt. Die Pumpen lassen sich problemlos bei Drücken von mehr als 1 · 10^-2 mbar starten und arbeiten am Lufteinlass kontinuierlich mit einem konstanten Luftdruck von 5 · 10^-5 mbar. Eine modernes Elektrodendesign verlängert die Lebensdauer der Kathoden um 50 %.

Beeinflussung durch magnetische Streufelder und Streuionen von der Ionenzerstäuberpumpe

Die für den Pumpvorgang erforderliche hohe Magnetfeldstärke führt unweigerlich zu Streumagnetfeldern in der Nähe der Magnete. Dadurch können die Prozesse in der Vakuumkammer in einigen Fällen gestört werden, sodass die betroffene Ionenzerstäuberpumpe mit einer Siebanordnung versehen werden sollte. Die Formen und Arten einer solchen Siebanordnung können als optimal angesehen werden, wenn die Prozesse in der Vakuumkammer nicht mehr als durch das in jedem Fall vorhandene Erdmagnetfeld gestört werden.

Abb. 2.64 zeigt das magnetische Streufeld auf der Ebene des Einlassflansches einer Ionenzerstäuberpumpe IZ 270 sowie auf einer parallelen Ebene 150 mm darüber. Soll verhindert werden, dass Streuionen aus dem Auslassbereich in die Vakuumkammer gelangen, kann durch ein Metallsieb an entgegengesetztem Ende der Einlassöffnung der Ionenzerstäuberpumpe (Ionensperre) eine geeignete Abschirmung eingebaut werden. Dadurch wird jedoch das Saugvermögen der Ionenzerstäuberpumpe je nach Maschengröße des gewählten Metallsiebs verringert.

Abb. 2.64 Streumagnetfeld einer Ionenzerstäuberpumpe an zwei Stellen parallel zu den Einlassflanschkurven (Einsätzen) mit Linien mit konstanter magnetischer Induktion B in Gauß.1 Gauß = 1 ·10–4 Tesla

Non-Evaporable Getterpumpen (NEG-Pumpen)

Eine NEG-Pumpe arbeitet mit einem nicht verdampfbaren, kompakten Gettermaterial, dessen Struktur auf atomarer Ebene porös ist, so dass es große Mengen an Gas aufnehmen kann. Die an der Oberfläche des Gettermaterials adsorbierten Gasmoleküle diffundieren schnell in das Material und schaffen so Platz für weitere Gasmoleküle, die auf die Oberfläche auftreffen. Die NEG-Pumpe enthält ein Heizelement, das dazu dient, das Gettermaterial auf eine optimale Temperatur zu erhitzen, die von der Art des Gases abhängt, das vorzugsweise abgepumpt werden soll. Bei einer höheren Temperatur wird das Gettermaterial, das mit dem Gas gesättigt ist, regeneriert (aktiviert). Als Gettermaterial werden meist Zirkonium-Aluminium-Legierungen in Form von Streifen verwendet. Die besonderen Eigenschaften von NEG-Pumpen sind:

Konstantes Saugvermögen im HV- und UHV-Bereich
Keine Druckbegrenzungen bis ca. 12 mbar
Besonders hohes Saugvermögen für Wasserstoff und seine Isotope
Nach der Aktivierung kann die Pumpe oft bei Raumtemperatur betrieben werden und benötigt dann keine elektrische Energie
Keine Störung durch Magnetfelder
Kohlenwasserstofffreies Vakuum
Vibrationsfrei
Geringes Gewicht

Kombination mit anderen Pumpentypen

NEG-Pumpen werden meist in Kombination mit anderen UHV-Pumpen wie Turbomolekularpumpen und Kryopumpen verwendet. Solche Kombinationen sind besonders sinnvoll, wenn Sie den Enddruck von UHV-Systemen weiter reduzieren möchten, da Wasserstoff am meisten zum Enddruck in einem UHV-System beiträgt und für den NEG-Pumpen ein besonders hohes Saugvermögen haben, während der Pumpeffekt für H₂ bei anderen Pumpen gering ist. Einige typische Beispiele für Anwendungen, in denen NEG-Pumpen eingesetzt werden, sind Teilchenbeschleuniger und ähnliche Forschungssysteme, Instrumente zur Oberflächenanalyse, REM-Säulen und Zerstäubersysteme. NEG-Pumpen werden mit einem Saugvermögen von einigen `/s bis etwa 1000 l/s hergestellt. Kundenspezifische Pumpen sind in der Lage, ein Saugvermögen für Wasserstoff zu erreichen, das um mehrere Größenordnungen höher liegt.

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