Ионный насос (также называемый распылительным ионным насосом ) — это тип вакуумного насоса , который работает путем распыления металлического геттера . В идеальных условиях ионные насосы способны достигать давления до 10−11 мбар . [1] Ионный насос сначала ионизирует газ внутри сосуда, к которому он прикреплен, и использует сильный электрический потенциал, обычно 3–7 кВ, который ускоряет ионы в твердый электрод. Небольшие кусочки электрода распыляются в камеру. Газы улавливаются комбинацией химических реакций с поверхностью высокореактивного распыленного материала и физически улавливаются под этим материалом.
Первое доказательство накачки из электрического разряда было обнаружено в 1858 году Юлиусом Плюккером [2] [3], который проводил ранние эксперименты по электрическому разряду в вакуумных лампах. В 1937 году Франс Мишель Пеннинг наблюдал некоторые доказательства накачки в работе своего вакуумметра с холодным катодом [4] . Эти ранние эффекты были сравнительно медленными для накачки и поэтому не были коммерциализированы. Крупный прогресс произошел в 1950-х годах, когда Varian Associates исследовали усовершенствования для производительности вакуумных ламп , в частности, для улучшения вакуума внутри клистрона . В 1957 году Льюис Д. Холл, Джон К. Хелмер и Роберт Л. Джепсен подали патент [5] на значительно улучшенный насос, один из самых ранних насосов, который мог довести вакуумную камеру до сверхвысоких вакуумных давлений.
Основным элементом обычного ионного насоса является ловушка Пеннинга . [6] Вихревое облако электронов , созданное электрическим разрядом, временно хранится в анодной области ловушки Пеннинга. Эти электроны ионизируют входящие атомы и молекулы газа. Полученные в результате вихревые ионы ускоряются, чтобы ударить по химически активному катоду (обычно титану). [7] При ударе ускоренные ионы либо оказываются зарытыми внутри катода, либо распыляют материал катода на стенки насоса. Свежераспыленный химически активный материал катода действует как геттер , который затем откачивает газ как путем хемосорбции , так и путем физической адсорбции, что приводит к чистому насосному действию. Инертные и более легкие газы, такие как He и H2, как правило, не распыляются и поглощаются путем физической адсорбции . Некоторая часть энергичных ионов газа (включая газ, который химически не активен с материалом катода) может ударять по катоду и получать электрон с поверхности, нейтрализуя его при отскоке. Эти отскакивающие энергетические нейтралы скрыты в открытых поверхностях насоса. [8]
Как скорость откачки, так и производительность таких методов захвата зависят от конкретного вида собираемого газа и материала катода, поглощающего его. Некоторые виды, такие как оксид углерода, будут химически связываться с поверхностью материала катода. Другие, такие как водород, будут диффундировать в металлическую структуру. В первом примере скорость откачки может падать по мере покрытия материала катода. Во втором случае скорость остается фиксированной скоростью, с которой диффундирует водород.
Существует три основных типа ионных насосов: обычный или стандартный диодный насос, благородный диодный насос и триодный насос. [9]
Стандартный диодный насос — это тип ионного насоса, применяемого в процессах высокого вакуума, который содержит только химически активные катоды, в отличие от благородных диодных насосов. [9] Можно выделить два подтипа: распылительные ионные насосы и орбитронные ионные насосы.
В насосах с распылением ионов один или несколько полых анодов размещаются между двумя катодными пластинами с интенсивным магнитным полем, параллельным оси анодов, чтобы увеличить путь электронов в анодных ячейках. [5]
В вакуумных насосах орбитрона электроны заставляют двигаться по спиральным орбитам между центральным анодом, обычно в форме цилиндрической проволоки или стержня, и внешним или граничным катодом, обычно в форме цилиндрической стенки или клетки. Орбитальное движение электронов достигается без использования магнитного поля, хотя может использоваться слабое аксиальное магнитное поле. [10]
Насос на благородных диодах — это тип ионного насоса, используемого в высоковакуумных приложениях , который использует как химически реактивный катод , такой как титан , так и дополнительный катод, состоящий из тантала . Танталовый катод служит в качестве высокоинерционной кристаллической решетчатой структуры для отражения и захоронения нейтралов, увеличивая эффективность откачки ионов инертного газа. [9] Откачку периодически больших количеств водорода с помощью благородных диодов следует выполнять с большой осторожностью, так как водород может в течение месяцев повторно выделяться из тантала.
Ионные насосы обычно используются в системах сверхвысокого вакуума (СВВ), поскольку они могут достигать предельных давлений менее 10−11 мбар . [ 1] В отличие от других распространенных насосов сверхвысокого вакуума, таких как турбомолекулярные насосы и диффузионные насосы , ионные насосы не имеют движущихся частей и не используют масло. Поэтому они чистые, требуют минимального обслуживания и не производят вибраций. Эти преимущества делают ионные насосы хорошо подходящими для использования в сканирующей зондовой микроскопии , молекулярно-лучевой эпитаксии и других высокоточных аппаратах.
Недавние исследования показали, что свободные радикалы, высвобождающиеся из ионных насосов, могут влиять на результаты некоторых экспериментов. [11]