Come funzionano le pompe ioniche?
L'azione di pompaggio delle pompe ioniche sputter si basa sui processi di assorbimento che vengono avviati dalle particelle di gas ionizzati in una scarica di Penning (scarica a catodo freddo). Grazie alla "messa in parallelo di molte singole celle di Penning", la pompa ionica sputter raggiunge una velocità di pompaggio sufficientemente elevata per i singoli gas.
Principio di funzionamento delle pompe ioniche sputter
Gli ioni urtano il catodo del sistema di elettrodi a catodo freddo e vaporizzano (sputter) il materiale del catodo (titanio). Il titanio depositato in altri punti agisce come una pellicola assorbente (getter) e assorbe le particelle del gas reattivo (ad esempio, azoto, ossigeno, idrogeno). L'energia delle particelle di gas ionizzato non è solo sufficiente a vaporizzare il materiale del catodo, ma anche a far penetrare profondamente gli ioni incidenti nel materiale del catodo (impianto ionico). Questo processo di assorbimento "pompa" ioni di tutti i tipi, inclusi quelli di gas che non reagiscono chimicamente con la pellicola di titanio vaporizzata, cioè principalmente gas nobili.
Struttura della pompa ionica sputter
Per produrre gli ioni viene utilizzata la configurazione seguente: anodi cilindrici in acciaio inox vengono strettamente disposti in parallelo tra loro, con i relativi assi perpendicolari a due catodi paralleli (vedere la Fig. 2.61). I catodi hanno un potenziale negativo (pochi kilovolt) rispetto all'anodo. L'intero sistema di elettrodi viene mantenuto in un campo magnetico intenso e omogeneo con una densità del flusso B = 0,1 T (T = Tesla = 104 Gauss) prodotto da un magnete permanente fissato all'esterno del corpo della pompa. La scarica di gas prodotta dall'alta tensione contiene elettroni e ioni. Sotto l'influenza del campo magnetico, gli elettroni fluiscono lungo lunghi percorsi a spirale (vedere la Fig. 2.61) finché non urtano contro il cilindro dell'anodo della cella corrispondente. Il lungo percorso aumenta la resa ionica che, anche a basse densità di gas (pressioni), è sufficiente a mantenere una scarica di gas auto-sostenuta. Non è richiesta l'emissione di elettroni da un catodo caldo. A causa della loro grande massa, il movimento degli ioni non è influenzato da un campo magnetico dell'ordine di grandezza dato; essi fluiscono lungo il percorso più breve e bombardano il catodo.
Fig. 2.61 Principio di funzionamento di una pompa ionica sputter.
← ⊕ Direzione di movimento delle molecole di gas ionizzato
• → Direzione di movimento del titanio vaporizzato
- – – - Percorsi a spirale degli elettroni
Celle di Penning PZ
La corrente di scarica i è proporzionale alla densità delle particelle neutre n0, alla densità degli elettroni n- e alla lunghezza l del percorso di scarica totale: (2.25)
(2.25)
La sezione trasversale effettiva per le collisioni ionizzanti dipende dal tipo di gas. Secondo la (2.25), la corrente di scarica i è una funzione della densità delle particelle n0, come in Vacuometri Penning, e può essere utilizzata come una misura della pressione nell'intervallo compreso tra 10-4e 10-8 mbar. A pressioni inferiori, le misurazioni non sono riproducibili a causa delle interferenze derivanti dagli effetti di emissione di campo.
Pompe ioniche sputter del tipo a diodo
Nelle pompe ioniche sputter del tipo a diodo con la configurazione del sistema di elettrodi illustrata nella Fig. 2.62, sulle superfici dell'anodo e tra le regioni di vaporizzazione del catodo opposto si formano pellicole adsorbenti (getter). Gli ioni penetrano nelle superfici del catodo. All'atto della vaporizzazione del catodo, le particelle di gas assorbite vengono nuovamente liberate. Pertanto, l'azione di pompaggio per i gas nobili che possono essere pompati solo per penetrazione ionica svanirà dopo un certo periodo di tempo e si verificherà un "effetto memoria".
Fig. 2.62 Configurazione degli elettrodi in una pompa ionica sputter a diodo.
Pompe ioniche sputter a triodo
A differenza delle pompe del tipo a diodo, le pompe ioniche sputter a triodo mostrano un'eccellente stabilità della velocità di pompaggio per i gas nobili, poiché le superfici di vaporizzazione e formatura della pellicola sono separate. La Fig. 2.63 mostra la configurazione degli elettrodi di pompe ioniche sputter a triodo. La loro maggiore efficienza nel pompaggio di gas nobili si spiega così: la geometria del sistema favorisce l'incidenza radente degli ioni sulle barre di titanio della griglia del catodo, mentre il tasso di vaporizzazione è notevolmente superiore rispetto a quello che si ha con un'incidenza perpendicolare. Il titanio vaporizzato si muove all'incirca nella stessa direzione degli ioni incidenti. Le pellicole assorbenti si formano di preferenza sul terzo elettrodo, la piastra bersaglio, che rappresenta la parete effettiva del corpo della pompa. Si ha una maggiore produzione di particelle ionizzate che incidono in modo radente sulla griglia del catodo dove vengono neutralizzate e riflesse e da cui si dirigono verso la piastra bersaglio con un'energia ancora notevolmente superiore all'energia termica 1/2 · k · T delle particelle di gas. Le particelle neutre energetiche possono penetrare nello strato superficiale bersaglio, ma il loro effetto di vaporizzazione è trascurabile. Queste particelle penetrate o impiantate vengono infine ricoperte da nuovi strati di titanio. Poiché il bersaglio ha un potenziale positivo, tutti gli ioni positivi che arrivano in questa fase vengono respinti e non possono vaporizzare gli strati bersaglio. Pertanto, gli atomi di gas nobili sepolti non vengono liberati. La velocità di pompaggio delle pompe ioniche-sputter a triodo per gas nobili non diminuisce durante il funzionamento della pompa.
Fig. 2.63 Configurazione degli elettrodi in una pompa ionica sputter a triodo.
Velocità di pompaggio delle pompe ioniche
La velocità di pompaggio delle pompe ioniche sputter dipende dalla pressione e dal tipo di gas. Viene misurata secondo i metodi indicati nelle norme DIN 28 429 e PNEUROP 5615. La curva della velocità di pompaggio S(p) ha un valore massimo. La velocità di pompaggio nominale Sn è indicata dal valore massimo della curva della velocità di pompaggio per l'aria, per cui deve essere indicata la pressione corrispondente.
Per aria, azoto, anidride carbonica e vapore acqueo, la velocità di pompaggio è praticamente la stessa. Rispetto alla velocità di pompaggio per l'aria, le velocità di pompaggio delle pompe ioniche sputter per gli altri gas ha approssimativamente i valori seguenti:
Idrogeno: da 150 a 200%
Metano: 100%
Altri idrocarburi leggeri: da 80 a 120%
Ossigeno: 80%
Argon: 30%
Elio: 28%
Le pompe ioniche sputter del tipo a triodo eccellono rispetto a quelle del tipo a diodo per la stabilità nei confronti dei gas nobili. L'argon viene pompato stabilmente anche a una pressione di ingresso di 1 · 10-5 mbar. Le pompe possono essere avviate senza difficoltà a pressioni superiori a 1 · 10-2 mbar e possono funzionare in modo continuo con ingresso di aria producendo una pressione dell'aria costante di 5 · 10-5 mbar. Un nuovo design degli elettrodi prolunga la vita di esercizio dei catodi del 50%.
Influenza dei campi magnetici dispersi e degli ioni dispersi dalle pompe ioniche sputter
L'elevata intensità del campo magnetico necessaria per l'azione di pompaggio causa inevitabilmente la formazione di campi magnetici dispersi nelle vicinanze dei magneti. Di conseguenza, i processi nella camera a vuoto possono essere in alcuni casi disturbati, pertanto la pompa per vuoto deve essere dotata di un sistema di schermatura. Le forme e i tipi di tale schermatura possono essere considerati come ottimali se i processi che si svolgono nella camera a vuoto non sono disturbati se non dal campo magnetico terrestre, presente in ogni caso.
La Fig. 2.64 mostra il campo magnetico disperso sul piano della flangia di aspirazione di una pompa ionica sputter IZ 270 e su un piano parallelo 150 mm sopra. Se occorre evitare che gli ioni dispersi nella regione di scarica raggiungano la camera a vuoto, è possibile configurare un filtro idoneo mediante un setaccio metallico con potenziale opposto nella luce di ingresso della pompa ionica sputter (barriera ionica). Ciò, tuttavia, riduce la velocità di pompaggio della pompa ionica a seconda della dimensione della maglia del setaccio metallico selezionato.
Fig 2.64 Le curve del campo magnetico di una pompa ionica sputter in due punti paralleli alla flangia di ingresso (inserti) mostrano le linee di induzione magnetica costante B in Gauss. 1 Gauss = 1 ·10–4 Tesla
Pompe getter non evaporabili (pompe NEG)
La pompa getter non evaporabile funziona con un materiale assorbente (getter) compatto e non evaporabile, la cui struttura è porosa a livello atomico, in modo da poter estrarre grandi quantità di gas. Le molecole di gas assorbite sulla superficie del materiale getter si diffondono rapidamente all'interno del materiale, facendo così posto a ulteriori molecole di gas che incidono sulla superficie. La pompa getter non evaporabile contiene un elemento riscaldante utilizzato per riscaldare il materiale adsorbente a una temperatura ottimale in base al tipo di gas che si preferisce pompare. A temperature più elevate, il materiale getter saturo di gas viene rigenerato (attivato). Come materiale getter, si utilizza la maggior parte delle leghe di zirconio-alluminio sotto forma di nastri. Le proprietà peculiari delle pompe NEG sono:
- velocità di pompaggio costante negli intervalli HV e UHV
- nessuna limitazione di pressione fino a circa 12 mbar
- velocità di pompaggio particolarmente elevata per l'idrogeno e i relativi isotopi
- dopo l'attivazione, la pompa può spesso funzionare a temperatura ambiente e quindi non necessita di energia elettrica
- nessuna interferenza da campi magnetici
- vuoto privo di idrocarburi
- assenza di vibrazioni
- peso contenuto
Combinazione con altri tipi di pompe
Le pompe NEG vengono utilizzate principalmente in combinazione con altre pompe UHV (turbomolecolari e pompe criogeniche). Queste combinazioni sono particolarmente utili quando si desidera ridurre ulteriormente la pressione finale negli impianti UHV poiché, in un impianto UHV, è l'idrogeno a contribuire principalmente alla pressione finale e poiché le pompe NEG hanno una velocità di pompaggio particolarmente elevata, mentre l'effetto di pompaggio per H2 di altre pompe è ridotto. Alcuni esempi tipici per le applicazioni in cui vengono utilizzate le pompe NEG sono acceleratori di particelle e sistemi di ricerca simili, strumenti di analisi di superfici, colonne SEM e sistemi di vaporizzazione. Le pompe NEG sono prodotte per offrire velocità di pompaggio da alcuni l/s fino a circa 1.000 l/s. Pompe personalizzate sono in grado di raggiungere una velocità di pompaggio per l'idrogeno superiore di diversi ordini di grandezza.
Fondamenti della tecnologia del vuoto
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Riferimenti
- Simboli del vuoto
- Glossario delle unità
- Riferimenti e fonti
Simboli del vuoto
Glossario dei simboli comunemente utilizzati negli schemi della tecnologia del vuoto come rappresentazione visiva dei tipi di pompe e delle parti dei sistemi di pompaggio
Glossario delle unità
Panoramica delle unità di misura utilizzate nella tecnologia del vuoto e dell'importanza dei simboli, nonché degli equivalenti moderni delle unità storiche
Riferimenti e fonti
Riferimenti, fonti e ulteriori letture riguardanti la i fondamenti della tecnologia del vuoto
