Ионный насос (физика) - Ion pump (physics)

«Ионный насос» перенаправляется сюда. Для белка, который перемещает ионы через плазматическую мембрану, см. Ионный транспортер. Ионный насос не следует путать с поршневой насос для ионной жидкости или ионный жидкое кольцо вакуумный насос.

An ионный насос (также называемый ионный насос для распыления) является разновидностью вакуумный насос который действует распыление металл добытчик. В идеальных условиях ионные насосы способны достигать давления до 10−11 мбар.[1] Сначала ионный насос 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 разбрызгиваются в камеру. Газы улавливаются комбинацией химических реакций с поверхностью высокореакционного распыленного материала и физически задерживаются под этим материалом.

История

Первое свидетельство накачки от электрического разряда было найдено в 1858 г. Юлиус Плюкер,[2][3] кто провел первые эксперименты по электрическому разряду в электронных лампах. В 1937 г. Франс Мишель Пеннинг наблюдал некоторые свидетельства перекачки в работе его датчик с холодным катодом.[4] Эти ранние эффекты были сравнительно медленными для прокачки и поэтому не были коммерциализированы. Главный прорыв произошел в 1950-х годах, когда Varian Associates изучали улучшения производительности вакуумные трубки, особенно об улучшении вакуума внутри клистрон. В 1957 году Льюис Д. Холл, Джон С. Хелмер и Роберт Л. Джепсен подали заявку на патент.[5] для значительно улучшенного насоса, одного из первых насосов, которые могли использовать вакуумную камеру для сверхвысокий вакуум давления.

Принцип работы

Базовым элементом обычного ионного насоса является Ловушка Пеннинга.[6] Закрученное облако электроны образующийся в результате электрического разряда временно сохраняется в анодной области ловушки Пеннинга. Эти электроны ионизируют поступающие атомы и молекулы газа. Возникающие в результате закрученные ионы ускоряются и ударяются о химически активный катод (обычно титан).[7] При ударе ускоренные ионы либо оказываются захороненными внутри катода, либо брызгать катодный материал на стенках насоса. Свежераспыленный химически активный катодный материал действует как добытчик который затем откачивает газ обоими хемосорбция и физическая адсорбция что приводит к чистому откачивающему действию. Инертные и более легкие газы, такие как He и H2 не разбрызгиваются и поглощаются физическая адсорбция. Некоторая часть энергичных ионов газа (включая газ, который не является химически активным по отношению к материалу катода) может ударить по катоду и захватить электрон с поверхности, нейтрализуя его при отскоке. Эти отскакивающие энергичные нейтралы погребены на открытых поверхностях насоса.[8]

Как скорость откачки, так и производительность таких методов улавливания зависят от конкретных собираемых газов и материала катода, поглощающего их. Некоторые вещества, такие как окись углерода, химически связываются с поверхностью катодного материала. Другие, например водород, диффундируют в металлическую структуру. В первом примере скорость накачки может падать по мере того, как катодный материал покрывается. В последнем случае скорость остается фиксированной скоростью диффузии водорода.

Типы

Существует три основных типа ионных насосов: обычный или стандартный диодный насос, благородный диодный насос и триодный насос.[9]

Стандартный диодный насос

А стандартный диодный насос представляет собой тип ионного насоса, применяемого в процессах с высоким вакуумом, который содержит только химически активные катоды, в отличие от благородных диодных насосов.[9]Можно выделить два подтипа: ионные насосы для распыления и орбитронные ионные насосы.

Распылительный ионный насос

В насосах с распылительными ионами один или несколько полых анодов помещаются между двумя катодными пластинами с интенсивным магнитным полем, параллельным оси анодов, чтобы увеличить путь электронов в анодных ячейках.[5]

Орбитронный ионный насос

В вакуумных насосах орбитрона электроны перемещаются 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. Вращение электронов по орбите достигается без использования магнитного поля, даже если можно использовать слабое осевое магнитное поле.[10]

Благородный диодный насос

А благородный диодный насос это тип ионного насоса, используемый ввакуум приложения, которые используют как химически реактивные катод, Такие как титан, и дополнительный катод состоит из тантал. Катод из тантала служит высокоинерционной кристаллической решеткой для отражения и захоронения нейтралов, повышая эффективность накачки ионов инертного газа.[9] Перекачивание периодически больших количеств водорода с помощью благородных диодов должно производиться с большой осторожностью, так как водород может в течение нескольких месяцев повторно выделиться из тантала.

Приложения

Ионные насосы обычно используются в сверхвысокий вакуум (UHV) системы, так как они могут достигать предельного давления менее 10−11 мбар.[1] В отличие от других распространенных сверхвысококачественных насосов, таких как турбомолекулярные насосы и диффузионные насосы, ионные насосы не имеют движущихся частей и не используют масло. Поэтому они чистые, не требуют особого ухода и не производят вибрации. Эти преимущества делают ионные насосы хорошо подходящими для использования в сканирующая зондовая микроскопия и другие высокоточные аппараты.

Радикалы

Недавняя работа предполагает, что свободные радикалы выход из ионных насосов может повлиять на результаты некоторых экспериментов.[11]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б «Ионные насосы» (PDF). Agilent. Архивировано из оригинал (PDF) на 2016-03-04. Получено 2015-09-17.
  2. ^ Плюкер, Юлиус (1858). "III. Fortgesetzte Beobachtungen über die elektrische Entladung" (PDF). Annalen der Physik und Chemie (на немецком). 181 (9): 67. Дои:10.1002 / andp.18581810904.
  3. ^ Холл, Л. Д. (8 августа 1958 г.). «Ионно-вакуумные насосы: вместо удаления частиц газа некоторые новые насосы просто переводят их в твердую фазу». Наука. Американская ассоциация развития науки (AAAS). 128 (3319): 279–285. Дои:10.1126 / science.128.3319.279. ISSN  0036-8075.
  4. ^ Пеннинг, Ф. (1937). "Ein neues manometer für niedrige gasdrucke, insbesondere zwischen l0−3 и 10−5 мм ". Physica (на немецком). Elsevier BV. 4 (2): 71–75. Дои:10.1016 / с0031-8914 (37) 80123-8. ISSN  0031-8914.
  5. ^ а б США 2993638, выдано 25 июля 1961 г. 
  6. ^ Камберс, А., "Современная физика вакуума", CRC Press (2005)
  7. ^ Вайслер, Г.Л. и Карлсон, Р.В., редакторы, Методы экспериментальной физики; Физика и технология вакуума, Vol. 14, Academic Press Inc., Лондон (1979)
  8. ^ Moore, J.H .; Davis, C.C .; Coplan, M.A .; Грир, С. (2003). Строительный научный аппарат. Westview Press. ISBN  0-8133-4006-3.
  9. ^ а б c Прокачка гелия и водорода распылительно-ионными насосами часть II.
  10. ^ США 3371853 
  11. ^ Я. Зиковский; С. А. Догель; А. Дж. Дики; Дж. Л. Питтерс; Р. А. Волков (2009). «Реакция поверхности Si (100) с концевым водородом в сверхвысоком вакууме с радикалами, генерируемыми ионным насосом». Журнал вакуумной науки и техники A. 27 (2): 248. Дои:10.1116/1.3071944.

Источники

внешняя ссылка