Comment fonctionnent les pompes ioniques ?

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L'action de pompage des pompes ioniques à pulvérisation est basée sur des processus de sorption qui sont initiés par des particules de gaz ionisées dans une décharge de Penning (décharge à cathode froide). Grâce à la mise en parallèle de nombreuses cellules Penning individuelles, la pompe ionique à pulvérisation atteint une vitesse de pompage suffisamment élevée pour les différents gaz.

Principe de fonctionnement des pompes ioniques à pulvérisation

Les ions frappent la cathode du système d'électrodes de décharge à cathode froide et pulvérisent le matériau cathodique (titane). Le titane déposé à d'autres endroits agit comme un film de piégeage et adsorbe les particules de gaz réactives (par exemple, azote, oxygène, hydrogène). L'énergie des particules de gaz ionisées est non seulement suffisamment élevée pour pulvériser le matériau cathodique, mais également pour permettre aux ions de pénétrer profondément dans le matériau cathodique (implantation ionique). Ce procédé de sorption « pompe » tous les types d'ions, y compris les ions des gaz qui ne réagissent pas chimiquement avec le film de titane pulvérisé, c'est-à-dire principalement les gaz nobles.

Construction de la pompe ionique à pulvérisation

La disposition suivante est utilisée pour produire les ions : des anodes cylindriques en acier inoxydable sont disposées étroitement entre deux cathodes parallèles, leurs axes étant perpendiculaires à ces dernières (voir Fig. 2.61). Les cathodes ont un potentiel négatif (quelques kilovolts) par rapport à l'anode. L'ensemble du système d'électrodes est maintenu dans un champ magnétique fort et homogène d'une densité de flux de B = 0,1 T, (T = Tesla = 10⁴ Gauss) produit par un aimant permanent fixé à l'extérieur du carter de la pompe. La décharge de gaz produite par la haute tension contient des électrons et des ions. Sous l'influence du champ magnétique, les électrons se déplacent le long de longues pistes en spirale (voir Fig. 2.61) jusqu'à ce qu'ils heurtent le cylindre d'anode de la cellule correspondante. La longue piste augmente le rendement ionique qui, même à de faibles densités (pressions) de gaz, est suffisant pour maintenir une décharge de gaz autonome. Il n'est pas nécessaire de fournir des électrons à partir d'une cathode chaude. En raison de leur grande masse, le mouvement des ions n'est pas affecté par le champ magnétique de l'ordre de grandeur donné ; ils s'écoulent le long de la trajectoire la plus courte et bombardent la cathode.

Fig. 2.61 Principe de fonctionnement d'une pompe ionique à pulvérisation.

← ⊕ Sens de déplacement des molécules de gaz ionisé
• → Sens de déplacement du titane pulvérisé
- – – - Pistes en spirale des électrons
Cellules Penning PZ

Le courant de décharge i est proportionnel à la densité du nombre de particules neutres n0, à la densité d'électrons n- et à la longueur l de la trajectoire de décharge totale : (2.25)

(2.25)

La section transversale efficace s pour les collisions ionisantes dépend du type de gaz. Selon l'équation (2.25), le courant de décharge i est une fonction du nombre de particules de densité n0, comme dans une jauge Penning, et il peut être utilisé pour mesurer la pression dans la plage allant de 10^-4 à 10^-8 mbar. A des pressions inférieures, les mesures ne sont pas reproductibles en raison des interférences dues aux effets d'émission de champ.

Pompes ioniques à pulvérisation à diode

Dans les pompes ioniques à pulvérisation à diode dont la configuration du système d'électrodes est illustrée à la Fig. 2.62, les films de piégeage sont formés sur les surfaces de l'anode et entre les zones de pulvérisation de la cathode opposée. Les ions sont enfouis dans les surfaces de la cathode. Au fur et à mesure de la pulvérisation cathodique, les particules de gaz enfouies sont à nouveau libérées. Par conséquent, l'action de pompage des gaz nobles qui ne peuvent être pompés que par enfouissement des ions disparaît au bout d'un certain temps et un « effet mémoire » se produit.

Fig. 2.62 Configuration des électrodes dans une pompe ionique à pulvérisation à diode.

Pompes ioniques à pulvérisation à triode

Contrairement aux pompes à diode, les pompes ioniques à pulvérisation à triode présentent une vitesse de pompage extrêmement stable pour les gaz nobles, car les surfaces de pulvérisation et de formation de film sont séparées. La Fig. 2.63 montre la configuration des électrodes des pompes ioniques à pulvérisation à triode. Leur plus grande efficacité de pompage des gaz nobles s'explique comme suit : la géométrie du système favorise l'incidence rasante des ions sur les barres en titane de la grille cathodique, où le taux de pulvérisation est nettement plus élevé qu'avec une incidence perpendiculaire. Le titane pulvérisé se déplace à peu près dans la même direction que les ions incidents. Les films de piégeage se forment de préférence sur la troisième électrode, la plaque cible, qui est la paroi réelle du corps de pompe. Il y a un rendement croissant de particules ionisées qui sont incidentes sur la grille cathodique où elles sont neutralisées et réfléchies et d'où elles se déplacent vers la plaque cible à une énergie encore beaucoup plus élevée que l'énergie thermique 1/ 2 · k · T des particules de gaz. Les particules énergétiques neutres peuvent pénétrer dans la couche de surface cible, mais leur effet de pulvérisation n'est que négligeable. Ces particules enfouies ou implantées sont finalement recouvertes de couches de titane frais. Comme la cible a un potentiel positif, les ions positifs qui y arrivent sont repoussés et ne peuvent pas pulvériser les couches cibles. Par conséquent, les atomes de gaz nobles enfouis ne sont pas libérés. La vitesse de pompage des pompes ioniques à pulvérisation à triode pour les gaz nobles ne diminue pas pendant le fonctionnement de la pompe.

Fig. 2.63 Configuration des électrodes dans une pompe ionique à pulvérisation à triode.

Vitesse de pompage des pompes ioniques

La vitesse de pompage des pompes ioniques à pulvérisation dépend de la pression et du type de gaz. Elle est mesurée conformément aux méthodes indiquées dans les normes DIN 28 429 et PNEUROP 5615. La courbe de vitesse de pompage S(p) présente un maximum. La vitesse de pompage nominale S_n est donnée par la courbe de vitesse de pompage maximale pour l'air, où la pression correspondante doit être indiquée.

Pour l'air, l'azote, le dioxyde de carbone et la vapeur d'eau, la vitesse de pompage est pratiquement la même. Par rapport à la vitesse de pompage de l'air, les vitesses de pompage des pompes ioniques à pulvérisation des autres gaz s'élèvent à environ :

Hydrogène : 150 à 200 %
Méthane : 100 %
Autres hydrocarbures légers : 80 à 120 %
Oxygène : 80 %
Argon : 30 %
Hélium : 28 %

Les pompes ioniques à pulvérisation de type triode excellent, contrairement aux pompes de type diode, en matière de stabilité des gaz nobles. L'argon est pompé de manière stable, même à une pression d'entrée de 1 · 10^-5 mbar. Les pompes peuvent être démarrées sans difficulté à des pressions supérieures à 1 · 10^-2 mbar et peuvent fonctionner en continu à une entrée d'air produisant une pression d'air constante de 5 · 10^-5 mbar. Un nouveau type de conception des électrodes prolonge la durée de vie des cathodes de 50 %.

Influence des champs magnétiques parasites et des ions parasites provenant de la pompe ionique à pulvérisation

L'intensité élevée du champ magnétique nécessaire à l'action de pompage entraîne inévitablement des champs magnétiques parasites à proximité des aimants. Par conséquent, les procédés ayant lieu dans la chambre à vide peuvent être perturbés dans certains cas, de sorte que la pompe ionique à pulvérisation concernée doit être munie d'un dispositif de protection. Les formes et les types d'un tel dispositif de protection peuvent être considérés comme optimaux si les procédés se déroulant dans la chambre à vide ne sont perturbés que par le champ magnétique terrestre qui est présent dans tous les cas.

La Fig. 2.64 montre le champ magnétique parasite au niveau de la bride d'admission d'une pompe ionique à pulvérisation IZ 270 ainsi que sur un plan parallèle situé 150 mm au-dessus. Si l'on veut empêcher les ions parasites provenant de la zone de décharge d'atteindre la chambre à vide, un tamis métallique à potentiel opposé approprié peut être mis en place dans l'ouverture d'entrée de la pompe ionique à pulvérisation (barrière ionique). Cela réduit cependant la vitesse de pompage de la pompe ionique à pulvérisation en fonction de la taille des mailles du tamis métallique choisi.

Fig. 2.64 Champ magnétique parasite d'une pompe ionique à pulvérisation à deux endroits parallèles à la bride d'entrée (inserts). Les courbes indiquent les lignes d'induction magnétique constante B au niveau du point Gauss.1 Gauss = 1 · 10-4 Tesla

Pompes à piégeur non évaporable (pompes NEG)

La pompe à piégeur non évaporable fonctionne avec un matériau de piégeage compact non évaporable, dont la structure est poreuse au niveau atomique, ce qui lui permet d'adsorber de grandes quantités de gaz. Les molécules de gaz adsorbées à la surface du matériau de piégeage se diffusent rapidement à l'intérieur du matériau, laissant ainsi la place à d'autres molécules de gaz arrivant sur la surface. La pompe à piégeur non évaporable contient un élément chauffant qui est utilisé pour chauffer le matériau de piégeage à une température optimale en fonction du type de gaz qui doit être pompé. A une température plus élevée, le matériau de piégeage qui a été saturé par le gaz est régénéré (activé). En tant que matériau de piégeage, on utilise principalement des alliages de zirconium-aluminium sous forme de bandes. Les propriétés spéciales des pompes NEG sont les suivantes :

vitesse de pompage constante dans les plages de vide poussé et très poussé
aucune restriction de pression jusqu'à environ 12 mbar
vitesse de pompage particulièrement élevée pour l'hydrogène et ses isotopes
après l'activation, la pompe peut souvent fonctionner à température ambiante et ne nécessite alors aucune énergie électrique
aucune interférence due aux champs magnétiques
vide sans hydrocarbures
pas de vibrations
poids réduit

Combinaison avec d'autres types de pompes

Les pompes NEG sont principalement utilisées en combinaison avec d'autres pompes à vidé très poussé (pompes turbomoléculaires et pompes cryogéniques). De telles combinaisons sont particulièrement utiles pour réduire davantage la pression limite des systèmes de vide très poussé, car l'hydrogène contribue principalement à la pression limite dans un système de vide très poussé, et pour lequel les pompes NEG ont une vitesse de pompage particulièrement élevée, alors que l'effet de pompage du gaz H₂ des autres pompes est faible. Les accélérateurs de particules et les systèmes de recherche similaires, les instruments d'analyse de surface, les colonnes SEM et les systèmes de pulvérisation sont des exemples typiques d'applications dans lesquelles les pompes NEG sont utilisées. Les pompes NEG sont fabriquées pour offrir des vitesses de pompage allant de quelques l/s à environ 1 000 l/s. Les pompes sur mesure sont capables d'atteindre une vitesse de pompage supérieure de plusieurs ordres de grandeur pour l'hydrogène.

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