Jonpump (fysik)

"Ion pump" omdirigerar hit. För ett protein som flyttar joner över ett plasmamembran, se jontransportör . En jonpump ska inte förväxlas med en jonisk vätskekolvpump eller en jonisk vätskeringvakuumpump .

En jonpump (även kallad en sputterjonpump ) är en typ av vakuumpump som fungerar genom att sputtera en metallgetter . Under idealiska förhållanden kan jonpumpar uppnå tryck så låga som 10–11 ^mbar . En jonpump joniserar först gas i kärlet den är fäst vid och använder en stark elektrisk potential, vanligtvis 3–7 kV, som accelererar jonerna till en fast elektrod. Små bitar av elektroden sputteras in i kammaren. Gaser fångas av en kombination av kemiska reaktioner med ytan av det mycket reaktiva förstoftade materialet och fysiskt fångade under det materialet.

Historia

Det första beviset för pumpning från elektrisk urladdning hittades 1858 av Julius Plücker , som gjorde tidiga experiment på elektrisk urladdning i vakuumrör. 1937 Frans Michel Penning några bevis för att pumpa i driften av sin kallkatodmätare . Dessa tidiga effekter var jämförelsevis långsamma att pumpa och var därför inte kommersialiserade. Ett stort framsteg kom på 1950-talet, när Varian Associates undersökte förbättringar för prestandan hos vakuumrör, särskilt för att förbättra vakuumet inuti klystronen . 1957 lämnade Lewis D Hall, John C Helmer och Robert L Jepsen patent på en avsevärt förbättrad pump, en av de tidigaste pumparna som kunde få en vakuumkammare till ultrahöga vakuumtryck .

Arbetsprincip

Grundelementet i den vanliga jonpumpen är en Penning-fälla . Ett virvlande moln av elektroner som produceras av en elektrisk urladdning lagras tillfälligt i anodområdet i en Penning-fälla. Dessa elektroner joniserar inkommande gasatomer och molekyler. De resulterande virvlande jonerna accelereras för att träffa en kemiskt aktiv katod (vanligtvis titan). Vid kollisionen kommer de accelererade jonerna antingen att begravas i katoden eller förstofta katodmaterialet på pumpens väggar. Det nyförstoftade kemiskt aktiva katodmaterialet fungerar som en getter som sedan evakuerar gasen genom både kemisorption och fysisorption vilket resulterar i en nettopumpande verkan. Inerta och lättare gaser, såsom He och H ₂ , tenderar inte att sputtera och absorberas av fysisorption . En del av de energiska gasjonerna (inklusive gas som inte är kemiskt aktiv med katodmaterialet) kan träffa katoden och ta emot en elektron från ytan och neutralisera den när den studsar tillbaka. Dessa studsande energiska neutraler är begravda i exponerade pumpytor.

Både pumphastigheten och kapaciteten för sådana infångningsmetoder är beroende av den specifika gasart som samlas in och katodmaterialet som absorberar den. Vissa arter, såsom kolmonoxid, kommer kemiskt att binda till ytan av ett katodmaterial. Andra, såsom väte, kommer att diffundera in i den metalliska strukturen. I det förra exemplet kan pumphastigheten sjunka när katodmaterialet blir belagt. I den senare förblir hastigheten fixerad av den hastighet med vilken vätet diffunderar.

Typer

Det finns tre huvudtyper av jonpumpar: den konventionella eller vanliga diodpumpen, den ädla diodpumpen och triodpumpen.

Standard diodpump

En standard diodpump är en typ av jonpump som används i högvakuumprocesser som endast innehåller kemiskt aktiva katoder, till skillnad från ädla diodpumpar. Två undertyper kan särskiljas: sputterjonpumparna och orbitronjonpumparna.

Sputterjonpump

I sputterjonpumparna placeras en eller flera ihåliga anoder mellan två katodplattor, med ett intensivt magnetfält parallellt med anodernas axel för att förstärka elektronernas väg i anodcellerna.

Orbitron jonpump

I orbitronvakuumpumparna får elektroner att färdas i spiralbanor mellan en central anod, normalt i form av en cylindrisk tråd eller stav, och en yttre katod eller gränskatod, vanligtvis i form av en cylindrisk vägg eller bur. Elektronernas kretslopp uppnås utan användning av ett magnetfält, även om ett svagt axiellt magnetfält kan användas.

Nobel diodpump

En ädeldiodpump är en typ av jonpump som används i högvakuumapplikationer som använder både en kemiskt reaktiv katod , såsom titan , och en extra katod som består av tantal . Tantalkatoden fungerar som en kristallgitterstruktur med hög tröghet för reflektion och begravning av neutrala ämnen, vilket ökar pumpningseffektiviteten för inerta gasjoner. Att pumpa intermittent höga mängder väte med ädla dioder bör göras med stor försiktighet, eftersom väte under månader kan återutsändas ur tantal.

Ansökningar

Jonpumpar används vanligtvis i system med ultrahögt vakuum (UHV), eftersom de kan uppnå ett sluttryck på mindre än ^10–11 mbar . I motsats till andra vanliga UHV-pumpar, såsom turbomolekylära pumpar och diffusionspumpar , har jonpumpar inga rörliga delar och använder ingen olja. De är därför rena, kräver lite underhåll och ger inga vibrationer. Dessa fördelar gör jonpumpar väl lämpade för användning i scanningsprobmikroskopi och andra högprecisionsapparater.

Radikaler

Nyligen arbete har föreslagit att fria radikaler som flyr från jonpumpar kan påverka resultaten av vissa experiment.

Se även

• Elektroosmotiskt flöde
• Marklund konvektion

Källor

• "Agilenta jonpumpar, tidig historia" (PDF) .
•   Hablanian, Marsbed. "Gettering och jonpumpning" . Högvakuumteknik: En praktisk guide . ISBN 082478197X . Arkiverad från originalet den 9 maj 2006.
• "Sputterjonpumpar" (PDF) . Paul Scherrer-institutet .

externa länkar

• En introduktion till jonpumpar arkiverad 2011-03-21 på Wayback Machine