Agilent Varian VacIon Plus 300 StarCell-Kombinationspumpe mit seitlich montiertem Kryopanel und Titan-Sublimationspumpe (TSP)
Agilent Varian Teilenummer 9192640. Diese Agilent Varian VacIon Plus 300 StarCell-Kombinationspumpen verfügen über ein seitlich montiertes Kryopanel mit Titan-Sublimationspumpenkartusche (TSP) und 120-V-Heizung, arbeiten mit negativem Spannungspotential, verfügen über einen 8-Zoll-Conflat-Ansaugflansch und haben eine Pumpgeschwindigkeit von 720 l/s Stickstoff. Die Titansublimation erzeugt extra hohe Getter-Gase, z. B. CO, CO2, H2, N2, O2, Pumpgeschwindigkeit, während der Ionenpumpmechanismus die nicht-getterbaren Gase wie Argon und Methan verarbeitet. Eine vollständige technische Daten- und Anwendungsbroschüre für die Agilent Varian VacIon Plus 300 StarCell-Kombinationspumpen im PDF-Format steht unten zum Download bereit. Diese Pumpen haben die Agilent Varian-Teilenummer 9192640.
| Vakuumpumpen arbeiten im Allgemeinen auf der Grundlage der Aufrechterhaltung einer geringeren Gasdichte in sich selbst als in der Umgebung, die sie pumpen. Dies führt aufgrund der zufälligen Bewegung der Moleküle unter molekularen Strömungsbedingungen zu einer Nettogasmigration in die Pumpe. Einmal in den Pumpen angekommen, entweichen nur wenige und werden je nach Pumpentyp entweder verdrängt oder aufgefangen. Anstatt eine Verdrängerpumpe zu sein, die tatsächlich Gasmoleküle durch sie in die Atmosphäre befördert, fängt die Ionenpumpe sie stattdessen ein und speichert sie. Daher muss die Pumpe irgendwann überholt oder ausgetauscht werden. Dies ist in der Regel erst nach langjähriger Nutzung erforderlich.
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Der generische Name Sputter-Ionenpumpe (oder Ionengetterpumpe) rührt von der Tatsache her, dass einige der Gasmoleküle einer Ionisierung unterliegen und ein Sputtern des Sputtermittels verursachen. Dieses Material reagiert chemisch mit den aktiven Gasen und bildet stabile Verbindungen, die sich an den Innenwänden der Pumpe ablagern. Der Getter, normalerweise Titan, wird durch eine Platte oder Elektrode aus diesem Material bereitgestellt, die wiederum durch Gasionen, die unter dem Einfluss der Hochspannung entstehen, zerstäubt und erodiert wird. Diese elektrischen Potenziale liegen üblicherweise im Bereich von 3.000 bis 7.000 VDC. Ein externer Permanentmagnetkreis erzeugt ein Magnetfeld, normalerweise im Bereich von 800 bis 2.000 G, parallel zur Achse der Anodenzelle. Die Funktion der Anodenzellenstruktur besteht darin, eine „Wolke“ hochenergetischer Elektronen aufzunehmen, die durch das Magnetfeld eingeschränkt werden. Die meisten Ionisationsgeräte funktionieren auf die gleiche Weise. Bei einer Kollision werden Gasmoleküle von hochenergetischen Elektronen bombardiert. Ein Molekül kann ein oder mehrere seiner eigenen Elektronen verlieren und bleibt dadurch als positiv geladenes Ion zurück. Unter dem Einfluss eines starken elektrischen Feldes wird das Ion in die Titankathode beschleunigt. Die Kraft dieser Kollision reicht aus, um Atome aus der Kathode herauszuschleudern und auf die angrenzenden Wände der Pumpe zu „zerstäuben“. Frisch gesputtertes Titan ist äußerst reaktiv und reagiert chemisch mit aktiven Gasen. Die dabei entstehenden Verbindungen sammeln sich an den Oberflächen der Pumpenelemente und Pumpenwände an. Aktive Gase sind solche wie Sauerstoff, Stickstoff, CO, CO 2 und Wasser, im Gegensatz zu Edelgasen wie Helium, Neon, Argon, Krypton und Xenon, die nicht reaktiv sind. Letztere werden durch „Ion Burial“ gepumpt (Ion Burial ist das „Überpflastern“ von Edelgasatomen durch die gesputterten Getteratome).
Die Möglichkeit, Drücke mit einer Ionenpumpe abzulesen, beruht auf der direkten Proportionalität zwischen Pumpenstrom und Betriebsdruck. Die Zuverlässigkeit von Druckmessungen bei sehr niedrigem Druck wird durch den Leckstrom begrenzt, und der Leckstrom durch Feldemission hängt stark von der an der Pumpe angelegten Spannung ab. Der Dual-Controller, der für die Verwendung mit jeder VacIon Plus-Pumpe entwickelt wurde, bietet die einzigartige Möglichkeit, die Spannung entsprechend dem Betriebsdruck anzupassen. Dadurch wird der Leckstrom bei niedrigem Druck minimiert und eine zuverlässige Druckmessung bis in den Bereich von 10–10 mbar ermöglicht.
Die VacIon Plus-Familie
Ionenpumpen werden aufgrund ihrer Sauberkeit, der Fähigkeit, verschiedene Gase zu pumpen, sowie ihres wartungs- und vibrationsfreien Betriebs häufig zur Erzeugung von Ultrahochvakuum (UHV) eingesetzt. Eine lange Lebensdauer und die Möglichkeit, den Druck abzulesen, sind weitere wichtige Merkmale von Ionenpumpen. Die VacIon Plus-Familie wurde entwickelt, um all diese Eigenschaften zu verbessern und bietet somit die fortschrittlichste und wertvollste Lösung für alle Ionenpumpanforderungen.
Im Allgemeinen können alle Ionenpumpen bis zu einem gewissen Grad alle Gase pumpen. Um die beste Leistung und den besten Grunddruck zu erzielen, wurden verschiedene Arten von Ionenpumpen mit optimierter Leistung in verschiedenen Druckbereichen und mit unterschiedlichen Gasen entwickelt. VacIon Plus von Agilent Varian ist eine komplette Produktfamilie, die die Wahl zwischen drei verschiedenen Elementen bietet: Diode, Edeldiode und StarCell. Was auch immer die Anwendung sein mag, es gibt eine VacIon Plus-Pumpe, die dafür konzipiert ist.
Dioden-VacIon Plus
Die Diodenversion der VacIon Plus-Pumpe hat die höchste Pumpgeschwindigkeit aller Ionenpumpen für Sauerstoff (O 2 ), Stickstoff (N 2 ), Kohlendioxid (CO 2 ), Kohlenmonoxid (CO) und jedes andere sammelbare Gas. Es bietet auch die höchste Pumpgeschwindigkeit und Kapazität für Wasserstoff (H 2 ). Sein einfacher mechanischer Aufbau ermöglicht eine zuverlässige Strom-/Druckmessung bis hin zu sehr niedrigen Drücken sowie einen absolut vibrationsfreien Betrieb. Seine geometrische und elektrische Konfiguration ermöglicht den Einsatz in der Nähe von Elektronendetektoren oder ähnlichen Geräten. Diode VacIon Plus-Pumpen werden daher häufig und erfolgreich in Allzweck-UHV-Systemen, zur Evakuierung von Elektronengeräten und in den empfindlichsten Elektronenmikroskopen eingesetzt. Für Anwendungen, bei denen Edelgase wie Argon (Ar), Helium (He) und Methan (CH 4 ) gepumpt werden sollen, werden Dioden jedoch nicht empfohlen.
Edler Dioden-VacIon Plus
Das Noble Diode VacIon Plus-Element ist eine Version des Diodenelements, bei dem eine Titankathode durch eine Tantalkathode ersetzt wird. Dieser Ersatz ermöglicht eine höhere Pumpgeschwindigkeit und Stabilität beim Pumpen von Edelgasen (hauptsächlich Argon und Helium). Ansonsten entspricht das Element dem Diode VacIon Plus. Noble Diode VacIon Plus-Pumpen werden in allen Anwendungen eingesetzt, bei denen das Pumpen von Edelgasen eine wichtige Eigenschaft ist. Wie bei der Diodenkonfiguration behält die Noble-Diode eine konstante Pumpgeschwindigkeit für alle Gase bei sehr niedrigen Drücken bei. Allerdings ist die Sauggeschwindigkeit für H 2 und sammelbare Gase geringer als bei den entsprechenden Diodenpumpen. Der Noble Diode VacIon Plus wird typischerweise in UHV-Anwendungen eingesetzt, bei denen eine Gasmischung gepumpt werden soll und der Druck ziemlich konstant ist (dh kein plötzlicher Gasstoß oder systematischer Hochdruckwechsel). Seine Eigenschaften einer konstanten Geschwindigkeit für fast jedes Gas, auch bei sehr niedrigen Drücken, machen es ideal, wenn die Ionenpumpe allein zur Erzielung von UHV-Drücken verwendet wird. Dies ist häufig bei Teilchenbeschleunigern oder Synchrotronringen sowie bei Anwendungen zur Oberflächenanalyse der Fall. Andere VacIon Plus-Versionen werden immer dann empfohlen, wenn die Anwendung höhere Drücke erfordert, große Mengen H 2 pumpt oder wenn die Ionenpumpe mit anderen UHV-Pumpen wie Titansublimationspumpen oder nicht verdampfbaren Gettern kombiniert wird.
StarCell VacIon Plus
Das StarCell VacIon Plus-Element ist die neueste Variante der Triode-Konfiguration. Aufgrund ihres patentierten Designs ist diese Ionenpumpe die einzige, die eine große Menge an Edelgasen (besser als die Edeldiode) und Wasserstoff (vergleichbar mit der Diode) verarbeiten kann. Darüber hinaus bietet diese Pumpe die höchste Geschwindigkeit und Kapazität für Methan, Argon und Helium. Seine hohe Gesamtkapazität für alle verschiedenen Gase sowie seine sehr gute Geschwindigkeitsleistung bei relativ höheren Drücken machen den StarCell VacIon Plus ideal für Anwendungen, die einen konstanten Betrieb bei 10 -8 mbar oder mehr erfordern. Dazu gehören typischerweise Elektronenmikroskope und Massenspektrometer.
Seine hohe Pumpgeschwindigkeit für Argon, Helium und Methan (die höchste aller Ionenpumpen bei jedem Druck) hat StarCell zum Standard für alle Anwendungen gemacht, bei denen die Ionenpumpe in Kombination mit Titansublimationspumpen (TSP) oder nicht verdampfbaren Gettern verwendet wird (NEG)-Pumpen, bei denen die Pumpleistung verbessert wird. Der niedrigste erreichbare Druck wurde dank der optimierten Eigenschaften dieser Kombinationen mit Kombinationen aus StarCell VacIon Plus- und TSP/NEG-Pumpen erreicht. Die meisten existierenden Teilchenbeschleuniger und Synchrotronquellen, Strahlleitungen, Transferleitungen und ähnlichen Geräte haben diese Kombinationen verwendet und nutzen sie erfolgreich, um die maximale Geschwindigkeit für alle Gasarten zu erreichen.
| Pumpgeschwindigkeit
Der am häufigsten verwendete Parameter, um die Fähigkeit einer Pumpe auszudrücken, Moleküle aus einem bestimmten Volumen zu entfernen, ist die Pumpgeschwindigkeit. Sie wird normalerweise in Litern pro Sekunde gemessen und drückt das pro Zeiteinheit entfernte Gasvolumen (bei einem bestimmten Druck) aus. Bei einer Ionenpumpe ergibt sich der Nettopumpeffekt aus der Summe verschiedener Phänomene: |
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• Die Pumpwirkung des Getterfilms, der durch das Sputtern von Kathodenmaterial durch Ionenbeschuss entsteht.
• Die Pumpwirkung aufgrund der Ionenimplantation und Diffusion in die Kathode.
• Gaseinbettung auf den Anoden und Pumpenwänden.
• Die erneute Gasemission aus der Kathode aufgrund von Kathodenerwärmung und Erosion.
Lebensdauer
Wenn eine Ionenpumpe neu ist oder beispielsweise durch Backen regeneriert wurde, ist die Oberflächenschicht der Kathode sauber und die erneute Gasemission von ihr ist vernachlässigbar. In diesem Zustand wird die Ionenpumpe als „ungesättigt“ bezeichnet und der Pumpeffekt beruht sowohl auf dem Gattering-Effekt als auch auf der Ionenimplantation und -diffusion. Mit zunehmender Anzahl der in die Kathode implantierten Gasmoleküle nimmt deren erneute Emission aufgrund des Ionenbeschusses zu. Infolgedessen nimmt die Nettopumpgeschwindigkeit ab, bis ein Gleichgewichtszustand zwischen Ionenimplantation und Gasreemission erreicht ist. In diesem Zustand ist die Ionenpumpe „gesättigt“ und die Nettopumpgeschwindigkeit, die allein auf die Getterwirkung des von der Kathode gesputterten Materials zurückzuführen ist, beträgt etwa die Hälfte der Pumpgeschwindigkeit der ungesättigten Pumpe. Da der Sättigungseffekt von der Menge der in die Kathode implantierten Gasmoleküle abhängt, ist die zur Sättigung einer Ionenpumpe erforderliche Zeit umgekehrt proportional zum Druck, bei dem die Pumpe betrieben wird. Je niedriger der Druck ist, desto länger dauert es, bis die Pumpe gesättigt ist.
In einem ionengepumpten UHV-System mit einem ordnungsgemäßen Ausheizverfahren (und anschließender Pumpenregeneration) ist ein Druck im Bereich von 10–11 mbar möglich. Bei diesem Druck arbeitet die Ionenpumpe einige Jahre lang mit den höheren (ungesättigten) Pumpgeschwindigkeitswerten, bevor sie gesättigt ist.
Aktive Gase (N 2 , 0 2 , CO, CO 2 ...)
Ein Merkmal dieser Gase ist ihre Fähigkeit, leicht mit den meisten Metallen unter Bildung stabiler Verbindungen zu reagieren. In einer Ionenpumpe reagieren diese aktiven Gasmoleküle mit dem frischen Titanfilm, der durch das Sputtern des Kathodenmaterials entsteht. Diese aktiven Gasmoleküle diffundieren nicht tief in die Kathode. Der Sättigungseffekt aufgrund der erneuten Emission dieser auf der Kathodenoberfläche eingefangenen Moleküle ist sehr stark. Dioden- und Edeldiodenelemente zeigen eine höhere Pumpgeschwindigkeit bei niedrigem Druck, während StarCell-Elemente bei höherem Druck eine bessere Leistung erbringen.
Wasserstoff
Wasserstoff ist ein aktives Gas, aber aufgrund seiner sehr geringen Masse ist die Sputterrate sehr gering. Trotz dieser Tatsache ist die Pumpgeschwindigkeit für H 2 sehr hoch, da es schnell und mit vernachlässigbarer Reemission in die Kathode diffundiert. Beim Pumpen von H 2 arbeitet die Ionenpumpe immer im ungesättigten Zustand. Dadurch ist die Nenngeschwindigkeit für H 2 etwa doppelt so hoch wie der entsprechende Wert für Stickstoff. Wenn darüber hinaus einige Spuren schwererer Gase vorhanden sind, führt die erhöhte Sputterrate zu einer noch höheren Pumpgeschwindigkeit des Wasserstoffs. Das Diodenelement zeigt eine höhere Pumpgeschwindigkeit als die Edeldiode, da die H 2 -Löslichkeit in der Tantalkathode geringer ist als in einer Titankathode. StarCell-Elemente kombinieren gute Leistung bei höheren Drücken mit einer erhöhten Kapazität für H 2 .
Edelgase (He, Ne, Ar, Kr und Xe)
Edelgase werden gepumpt, indem sie in Titan eingebettet werden. Edelgasionen können neutralisiert und von der Kathode gestreut werden, ohne ihre Energie zu verlieren. Diese neutralen Atome behalten genügend Energie bei, um sich an der Anode und an den Pumpenwänden zu implantieren oder daran festzuhalten, wo sie von gesputtertem Titan vergraben und somit dauerhaft gepumpt werden. In der Diodenkonfiguration ist die Neutralisierungs- und Rückstreuwahrscheinlichkeit sehr gering, sodass die Pumpgeschwindigkeit für Edelgase nur einen kleinen Prozentsatz der N 2 -Pumpgeschwindigkeit ausmacht. Darüber hinaus werden beim Betrieb bei einem relativ hohen Argonpartialdruck (dh höher als 10 –8 mbar) plötzliche Druckstöße aufgrund der erneuten Emission von vorübergehend implantiertem Argon in der Kathode beobachtet. Danach ist eine Diodenpumpe nicht in der Lage, weiteres Argon zu pumpen, bis ihre Quelle gestoppt wird. Dieses Phänomen ist als „Argon-Instabilität“ bekannt.
Beim Edeldiodenelement wird eine Titankathode durch eine Tantalkathode ersetzt. Die hohe Kernmasse von Tantal erhöht die Rückstreuwahrscheinlichkeit und damit die Pumpgeschwindigkeit für Edelgase. Die besten Ergebnisse hinsichtlich der Pumpgeschwindigkeit von Edelgasen werden mit der für StarCell-Elemente typischen offenen Kathodenstruktur erzielt. In diesen Konfigurationen wurde die flache Kathodenstruktur durch eine Struktur ersetzt, die streifende Kollisionen mit Ionen ermöglicht. Diese werden neutralisiert und dann mit einer viel höheren Wahrscheinlichkeit als im Fall der flachen Kathode vorwärts in Richtung der Pumpenwand oder der Anode gestreut. Das Ergebnis ist ein Saugvermögen für Edelgase von bis zu 60 % N 2 . Darüber hinaus ist die Lebensdauer einer StarCell-Pumpe aufgrund des einzigartigen Designs, das eine optimale Nutzung des gesamten verfügbaren Titans ermöglicht, etwa 50 % länger als bei allen anderen Pumpen.
Methan
Obwohl Methan kein Edelgas ist, reagiert es nicht mit Gettermaterialien. Es liegt in UHV-Systemen immer zu einem gewissen Grad als Reaktionsprodukt von Wasserstoff und Kohlenstoff vor, die in den Wänden des Vakuumsystems vorhanden sind. Ein besonderes Problem stellt Methan in Elektronenbeschleunigern dar, wo es die Hauptursache für den Strahlzerfall ist. Aufgrund der Penning-Entladung in Ionenpumpen wird das Methanmolekül (sowie andere Kohlenwasserstoffmoleküle) gecrackt und in kleinere „getterte“ Verbindungen (C, CH 3 , ... H) umgewandelt. Das Ergebnis ist, dass die Sauggeschwindigkeit für Methan und leichte Kohlenwasserstoffe immer höher ist als die Geschwindigkeit für N 2 .
- Agilent Varian Qualitätsfertigung
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| Sauberkeit
Um in einem System sehr niedrige Drücke (z. B. 10 -11 mbar) zu erreichen, müssen sowohl die Kammer- als auch die Pumpenausgasung minimiert werden. Bei unsachgemäßer Reinigung kann die Ionenpumpe selbst eine Gasquelle im UHV sein. Um die Sauberkeit zu gewährleisten, werden VacIon Plus-Pumpen werkseitig bei hohen Temperaturen im Reinstvakuum verarbeitet, um eine gründliche Entgasung des Gehäuses und aller internen Komponenten zu gewährleisten. Aufgrund des kontinuierlichen Kathodenbeschusses ist die Sauberkeit des Ionenpumpenelements noch wichtiger. Jegliches auf der Oberfläche oder in der Masse der Kathode eingeschlossene Gas wird schließlich freigesetzt. |
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Ausgasung der Ionenpumpe
Das Ausgasungssystem der Ionenpumpe ist ein thermischer Prozess des Pumpenkörpers, der vollständig computergesteuert ist und einen automatischen Endtest der erreichten Pumpenspezifikationen ermöglicht. Das Ausheizen der Pumpe erfolgt in einer stickstoffkontrollierten Atmosphäre, um den äußeren Pumpenkörper vor Oxidation zu schützen.
Das System basiert auf dem Prinzip der thermischen Ausgasung der Innenflächen der Ionenpumpe durch die Steuerung ihrer intrinsischen Ausgasung. Daher ist Druck und nicht Zeit der treibende Faktor des Gesamtprozesses. Die Ausheizzeit hängt von der inneren Reinigung der Pumpenkomponenten ab und alle Pumpen haben auf diese Weise die gleiche endgültige Ausgasungsrate und den gleichen Basisdruck.
Am Ende des thermischen Prozesses, sobald Raumtemperatur erreicht ist, wird eine RGA durchgeführt. Der am Vakuumsystem angebrachte Gasanalysator liefert das Spektrum der verschiedenen von der Pumpe entgasten Gase. Wenn H 2 und die anderen Peaks, die normalerweise in einem gut ausgeheizten Vakuumsystem vorhanden sind, die zulässigen Werte überschreiten, wird die Pumpe erneut ausgeheizt. Andernfalls wird es abgeklemmt und sein Grunddruck überwacht. Der Basisdruck wird anhand der Ionenstrommessung ermittelt. Der Stromabfall wird computerüberwacht und die Pumpe ist erst dann versandbereit, wenn der Basisstrom erreicht ist.
Lange Lebensdauer
Alle VacIon Plus-Pumpen haben eine Nennlebensdauer von mehr als vielen tausend Stunden bei einem Druck von 1x10 -6 mbar (50.000 Stunden für die Diodenpumpe und 80.000 Stunden für die StarCell). Bei vielen Ionenpumpen kann aufgrund der Metallisierung der Isolatoren oder der Verformung des Pumpelements eine Wartung schon lange vor Ablauf der Nennlebensdauer erforderlich sein. Alle VacIon Plus-Elemente sind darauf ausgelegt, die Kathodenverzerrung zu minimieren (auch nach wiederholtem Ausheizen und Starten bei hohem Druck), und die Isolatoren sind durch ein doppelt einspringendes Design und eine Kappenabschirmung vor gesputtertem Titan geschützt.
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