Bagaimana cara kerja pompa ion
Tindakan pemompaan pompa sputter-ion didasarkan pada proses sorpsi yang dimulai oleh partikel gas terionisasi dalam pelepasan Penning (pelepasan katoda dingin). Dengan "menghubungkan banyak sel Penning individu secara paralel", pompa ion sputter mencapai kecepatan pemompaan yang cukup tinggi untuk setiap gas.
Prinsip pengoperasian pompa ion sputter
Ion membentur katoda sistem elektroda pelepasan katoda dingin dan memercik bahan katoda (titanium). Titanium yang disimpan di lokasi lain bertindak sebagai lapisan pengumpul dan menyerap partikel gas reaktif (misalnya, nitrogen, oksigen, hidrogen).
Energi partikel gas terionisasi tidak hanya cukup tinggi untuk memercik bahan katoda, tetapi juga membiarkan ion yang menabrak menembus dalam ke dalam bahan katoda (implantasi ion).
Proses sorpsi ini "memompa" ion dari semua jenis, termasuk ion gas yang tidak bereaksi secara kimia dengan film titanium sputtering, yaitu terutama gas mulia.
Konstruksi pompa ion sputter
Pengaturan berikut ini digunakan untuk menghasilkan ion: anoda silinder stainless steel disusun erat di antara, dengan sumbunya tegak lurus dengan, dua katode paralel ( lihat Gbr. 2,61 di bawah ).
Katoda memiliki potensi negatif (beberapa kilovolt) terhadap anoda. Seluruh sistem elektroda dipertahankan dalam medan magnet yang kuat dan homogen dengan kepadatan fluks B = 0,1 T, (T = Tesla = 104 Gauss) yang dihasilkan oleh magnet permanen yang terpasang di luar casing pompa. Pelepasan gas yang dihasilkan oleh tegangan tinggi mengandung elektron dan ion.
Di bawah pengaruh medan magnet, elektron bergerak di sepanjang jalur spiral panjang hingga berbenturan dengan silinder anoda sel yang sesuai. Jalur panjang meningkatkan hasil ion, yang bahkan pada densitas gas rendah (tekanan) cukup untuk mempertahankan pelepasan gas mandiri. Pasokan elektron dari katoda panas tidak diperlukan.
Karena massanya yang besar, pergerakan ion tidak terpengaruh oleh medan magnet dengan urutan magnitudo tertentu; ion mengalir keluar di sepanjang jalur terpendek dan membombardir katoda.
Gambar 2,61 Prinsip pengoperasian pompa ion sputter.
← ⊕ Arah gerakan molekul gas terionisasi
• → Arah gerakan titanium terspatter
- - - - Jalur spiral elektron
Sel Penning PZ
Arus pelepasan i proporsional terhadap densitas jumlah partikel netral n0, densitas elektron n-, dan panjang l jalur pelepasan total:
(2,25)
Penampang yang efektif untuk tabrakan ionisasi tergantung pada jenis gas.
Menurut perhitungan yang ditampilkan di atas: arus pelepasan i adalah fungsi dari jumlah densitas partikel n0, seperti pada pengukur Penning, dan dapat digunakan sebagai pengukur tekanan dalam kisaran dari 10-4 hingga 10-8 mbar. Pada tekanan yang lebih rendah, pengukuran tidak dapat direproduksi karena gangguan dari efek emisi medan.
Pompa ion sputter tipe dioda
Pada pompa ion sputter tipe dioda dengan konfigurasi sistem elektroda seperti ditunjukkan pada Gambar 2,62 di bawah ini, film getter terbentuk pada permukaan anoda dan di antara wilayah sputtering dari katoda yang berlawanan. Ion tertanam di permukaan katoda. Saat sputtering katoda berlangsung, partikel gas terkubur dilepaskan kembali. Oleh karena itu, tindakan pemompaan untuk gas mulia yang hanya dapat dipompa dengan penguburan ion akan hilang setelah beberapa saat dan "efek memori" akan terjadi.
Gambar 2,62 Konfigurasi elektroda pada pompa ion sputter dioda.
Pompa sputter-ion triode
Tidak seperti pompa tipe dioda, pompa sputter-ion triode menunjukkan stabilitas yang sangat baik dalam kecepatan pemompaannya untuk gas mulia karena permukaan sputtering dan pembentukan film terpisah.
Gambar 2,63 menunjukkan konfigurasi elektroda pompa sputter-ion triode.
Efisiensinya yang lebih besar untuk memompa gas mulia dijelaskan sebagai berikut: geometri sistem menguntungkan kejadian ion yang mengalir pada batang titanium kisi-kisi katode, di mana laju sputtering jauh lebih tinggi daripada dengan kejadian tegak lurus. Titanium yang terspatter bergerak ke arah yang sama dengan ion yang masuk. Film getter terbentuk secara preferensial pada elektroda ketiga, pelat target, yang merupakan dinding aktual rumahan pompa.
Terdapat peningkatan hasil partikel terionisasi yang secara sengit terjadi pada kisi-kisi katoda di mana mereka dinetralkan dan dipantulkan dan dari mana mereka bergerak ke pelat target pada energi yang masih jauh lebih tinggi daripada energi termal 1/ 2 · k · T partikel gas.
Partikel netral energik dapat menembus lapisan permukaan target, tetapi efek sputteringnya hanya dapat diabaikan. Partikel-partikel yang terkubur atau ditanam ini pada akhirnya ditutupi oleh lapisan titanium segar. Karena target berada pada potensi positif, setiap ion positif yang tiba di sana akan ditolak dan tidak dapat memercik lapisan target. Oleh karena itu, atom gas mulia yang terkubur tidak dilepaskan lagi.
Kecepatan pemompaan pompa sputter-ion triode untuk gas mulia tidak berkurang selama pengoperasian pompa.
Gambar 2,63 Konfigurasi elektroda pada pompa sputter-ion triode.
Kecepatan pemompaan pompa ion
Kecepatan pemompaan pompa ion sputter tergantung pada tekanan dan jenis gas. Ukurannya diukur menurut metode yang disebutkan dalam DIN 28 429 dan PNEUROP 5615. Kurva kecepatan pemompaan S(p) memiliki maksimum. Kecepatan pompa nominal Sn ditentukan oleh maksimum kurva kecepatan pompa untuk udara di mana tekanan yang sesuai harus dinyatakan.
Untuk udara, nitrogen, karbon dioksida, dan uap air, kecepatan pemompaan hampir sama. Dibandingkan dengan kecepatan pemompaan udara, kecepatan pemompaan pompa ion sputter untuk gas lain adalah sekitar:
- Hidrogen 150 hingga 200%
- Metana 100%
- Hidrokarbon ringan lainnya 80 hingga 120%
- Oksigen 80%
- Argon 30%
- Helium 28%
Pompa ion sputter tipe triode unggul dibandingkan pompa tipe dioda dalam stabilitas gas mulia tinggi. Argon dipompa secara stabil bahkan pada tekanan masuk 1 · 10 -5 mbar. Pompa dapat dinyalakan tanpa kesulitan pada tekanan lebih tinggi dari 1 · 10 -2 mbar dan dapat beroperasi secara terus-menerus pada saluran masuk udara yang menghasilkan tekanan udara konstan sebesar 5 · 10 -5 mbar. Desain baru untuk elektrode memperpanjang masa pakai katode sebesar 50%.
Pengaruh medan magnetik yang tersebar dan ion yang tersebar dari pompa ion sputter
Kekuatan medan magnetik yang tinggi yang diperlukan untuk tindakan pemompaan tidak dapat dihindari menyebabkan medan magnet yang menyimpang di sekitar magnet. Akibatnya, proses di ruang vakum dapat terganggu dalam beberapa kasus, sehingga pompa ion sputter yang bersangkutan harus disediakan dengan pengaturan penyaringan. Bentuk dan jenis pengaturan penyaringan tersebut dapat dianggap optimal jika proses yang terjadi di ruang vakum tidak terganggu lebih dari medan magnet bumi yang ada dalam kasus apa pun.
Gambar 2,64 menunjukkan medan bias magnetis pada bidang flensa masuk pompa sputter-ion IZ 270 dan juga pada bidang paralel 150mm di atas. Jika ion yang tersebar dari area pelepasan harus dicegah mencapai ruang vakum, saringan yang sesuai dapat dipasang dengan saringan logam pada potensi berlawanan di lubang masuk pompa ion sputter (penghalang ion). Namun, hal ini mengurangi kecepatan pemompaan pompa ion sputter tergantung pada ukuran mesh saringan logam yang dipilih.
Gambar 2,64 Medan magnet sebar dari pompa ion sputter di dua tempat paralel dengan kurva flensa inlet (sisipan) menunjukkan garis induksi magnet konstan B dalam Gauss.1 Gauss = 1 ·10-4 Tesla
Pompa getter yang tidak dapat menguap (Pompa NEG)
Pompa getter yang tidak dapat menguap beroperasi dengan bahan getter yang tidak dapat menguap dan ringkas, yang strukturnya berpori pada tingkat atom sehingga dapat mengambil sejumlah besar gas. Molekul gas yang diserap di permukaan material getter menyebar dengan cepat di dalam material sehingga menciptakan ruang untuk molekul gas lainnya yang menabrak permukaan. Pompa getter non-uap berisi elemen pemanas yang digunakan untuk memanaskan bahan getter ke suhu optimal tergantung pada jenis gas yang lebih disukai untuk dipompa. Pada suhu yang lebih tinggi, material getter yang telah jenuh dengan gas diregenerasi (diaktifkan). Sebagai material getter, sebagian besar campuran zirkonium-aluminium digunakan dalam bentuk strip. Properti khusus pompa NEG adalah:
- kecepatan pemompaan konstan dalam kisaran HV dan UHV
- tidak ada pembatasan tekanan hingga sekitar 12 mbar
- kecepatan pemompaan yang sangat tinggi untuk hidrogen dan isotopnya
- setelah diaktifkan, pompa sering dapat beroperasi pada suhu ruangan dan tidak memerlukan energi listrik
- tidak ada gangguan dari medan magnet
- vakum bebas hidrokarbon
- bebas getaran
- Bobot rendah
Kombinasi dengan jenis pompa lainnya
Pompa NEG sebagian besar digunakan dalam kombinasi dengan pompa UHV lainnya (pompa turbomolekuler dan kriopompa). Kombinasi tersebut sangat berguna ketika ingin mengurangi tekanan tertinggi sistem UHV lebih lanjut, karena hidrogen sebagian besar berkontribusi pada tekanan tertinggi dalam sistem UHV, dan untuk pompa NEG memiliki kecepatan pemompaan yang sangat tinggi, sedangkan efek pemompaan untuk H2 dari pompa lain rendah.
Beberapa contoh umum aplikasi yang menggunakan pompa NEG adalah akselerator partikel dan sistem penelitian serupa, instrumen analisis permukaan, kolom SEM, dan sistem sputtering.
Pompa NEG diproduksi dengan kecepatan pemompaan beberapa '/s hingga sekitar 1000 l/s. Pompa khusus mampu mencapai kecepatan pemompaan hidrogen yang beberapa urutan lebih tinggi.
High, Ultra-high & Extreme High Vacuum: dasar-dasarnya
Unduh eBook kami untuk memahami tantangan yang terkait dengan pencapaian dan bekerja dengan vakum tinggi, ultra-tinggi, atau ekstrem tinggi, serta apa yang perlu dipertimbangkan.
- Produk kami
- Blog terkait
