Pompe combinée Agilent Varian VacIon Plus 300 StarCell avec Cryopanel monté sur le côté et pompe à sublimation en titane (TSP)
Référence Agilent Varian 9192640. Ces pompes combinées Agilent Varian VacIon Plus 300 StarCell ont un Cryopanel monté sur le côté avec une cartouche de pompe à sublimation en titane (TSP) et un réchauffeur de 120 V, fonctionnent sur un potentiel de tension négative, ont une bride d'admission Conflat de 8 pouces et ont une vitesse de pompage de 720 l/s de azote. La sublimation du titane crée des gaz extra-captables, par exemple CO, CO2, H2, N2, O2, vitesse de pompage tandis que les mécanismes de pompage ionique traitent les gaz non capturables tels que l'argon et le méthane. Une fiche technique complète et une brochure d'application pour les pompes combinées Agilent Varian VacIon Plus 300 StarCell au format PDF sont disponibles en téléchargement ci-dessous. Ces pompes portent la référence Agilent Varian 9192640.
- Fonctionnement des pompes ioniques
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| Les pompes à vide fonctionnent en général sur la base du maintien d'une densité de gaz inférieure à celle qui existe dans l'environnement qu'elles pompent. Il en résulte une migration nette de gaz dans la pompe en raison du mouvement aléatoire des molécules dans des conditions d'écoulement moléculaire. Une fois dans les pompes, peu s'échappent et elles sont soit déplacées soit capturées, selon le type de pompe. Plutôt que d'être une pompe volumétrique qui déplace réellement des molécules de gaz à travers elle vers l'atmosphère, la pompe ionique les capture et les stocke. Par conséquent, à un moment donné, la pompe doit être reconditionnée ou remplacée. Ceci n'est généralement nécessaire qu'après de nombreuses années d'utilisation.
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Le nom générique Sputter Ion Pump (ou Ion Getter Pump) vient du fait que certaines des molécules de gaz subissent une ionisation et provoquent la pulvérisation de l'agent de pulvérisation. Ce matériau réagit chimiquement avec les gaz actifs pour former des composés stables qui se déposent sur les parois internes de la pompe. Le getter, généralement en titane, est fourni par une plaque ou électrode de ce matériau, qui est à son tour pulvérisée et érodée par les ions de gaz formés sous l'influence de la haute tension. Ces potentiels électriques sont généralement de l'ordre de 3 000 à 7 000 VDC. Un circuit magnétique permanent externe génère un champ magnétique, généralement compris entre 800 et 2 000 G, parallèle à l'axe de la cellule anodique. La fonction de la structure de la cellule anodique est de contenir un "nuage" d'électrons de haute énergie qui sont contraints par le champ magnétique. La plupart des dispositifs d'ionisation fonctionnent de la même manière. Les molécules de gaz sont bombardées par des électrons de haute énergie lorsqu'une collision se produit. Une molécule peut perdre un ou plusieurs de ses propres électrons et se retrouve ainsi sous la forme d'un ion chargé positivement. Sous l'influence d'un fort champ électrique, l'ion est accéléré dans la cathode en titane. La force de cette collision est suffisante pour provoquer l'éjection des atomes de la cathode et leur "pulvérisation" sur les parois adjacentes de la pompe. Le titane fraîchement pulvérisé est extrêmement réactif et réagira chimiquement avec les gaz actifs. Les composés résultants s'accumulent sur les surfaces des éléments de la pompe et sur les parois de la pompe. Les gaz actifs sont ceux tels que l'oxygène, l'azote, le CO, le CO 2 et l'eau, par opposition aux gaz rares comme l'hélium, le néon, l'argon, le krypton et le xénon, qui ne sont pas réactifs. Ces derniers sont pompés par « enfouissement ionique » (l'enfouissement ionique est le « plâtrage » d'atomes de gaz inerte par les atomes getters pulvérisés).
La possibilité de lire les pressions à l'aide d'une pompe ionique est due à la proportionnalité directe entre le courant de la pompe et la pression de fonctionnement. La fiabilité des lectures de pression à très basse pression est limitée par le courant de fuite, et le courant de fuite provenant de l'émission de champ dépend fortement de la tension appliquée à la pompe. Le contrôleur Dual, conçu pour être utilisé avec n'importe quelle pompe VacIon Plus, offre la capacité unique d'ajuster la tension en fonction de la pression de fonctionnement. Ce faisant, le courant de fuite est minimisé à basse pression, fournissant une lecture de pression fiable jusqu'à la plage de 10 -10 mbar.
La famille VacIon Plus
Les pompes ioniques sont couramment utilisées pour créer un vide ultra poussé (UHV), en raison de leur propreté, de leur capacité à pomper différents gaz, ainsi que de leur fonctionnement sans entretien et sans vibrations. La longue durée de vie et la capacité à lire la pression sont d'autres caractéristiques importantes des pompes ioniques. La famille VacIon Plus a été conçue pour améliorer toutes ces caractéristiques et offre ainsi la solution la plus avancée et la plus précieuse à toute exigence de pompage ionique.
En général, toutes les pompes ioniques peuvent pomper tous les gaz dans une certaine mesure. Pour obtenir les meilleures performances et la meilleure pression de base, différents types de pompes ioniques ont été développés avec des performances optimisées dans différentes plages de pression et avec différents gaz. VacIon Plus d'Agilent Varian est une famille de produits complète qui offre le choix entre trois éléments différents : Diode, Noble Diode et StarCell. Quelle que soit l'application, il existe une pompe VacIon Plus conçue pour cela.
Diode Vacances Plus
La version à diode de la pompe VacIon Plus a la vitesse de pompage la plus élevée parmi toutes les pompes ioniques pour l'oxygène (O 2 ), l'azote (N 2 ), le dioxyde de carbone (CO 2 ), le monoxyde de carbone (CO) et tout autre gaz récupérable. Il offre également la vitesse et la capacité de pompage les plus élevées pour l'hydrogène (H 2 ). Sa structure mécanique simple permet une lecture fiable du courant/pression jusqu'à de très basses pressions, ainsi qu'un fonctionnement absolument sans vibration. Sa configuration géométrique et électrique lui permet d'être utilisé à proximité de détecteurs d'électrons ou d'appareils similaires. Les pompes Diode VacIon Plus sont donc largement et avec succès utilisées dans les systèmes UHV à usage général, pour évacuer les dispositifs électroniques et dans les microscopes électroniques les plus sensibles. Cependant, les diodes ne sont pas recommandées pour les applications où des gaz nobles tels que l'argon (Ar), l'hélium (He) et le méthane (CH 4 ) doivent être pompés.
Noble Diode VacIon Plus
L'élément Noble Diode VacIon Plus est une version de l'élément à diode, dans laquelle une cathode en tantale remplace une cathode en titane. Cette substitution permet une vitesse de pompage et une stabilité plus élevées pour le pompage des gaz nobles (principalement l'argon et l'hélium). L'élément est par ailleurs équivalent au Diode VacIon Plus. Les pompes Noble Diode VacIon Plus sont utilisées dans toutes les applications où le pompage de gaz nobles est une caractéristique importante. Comme pour la configuration de la diode, la Noble Diode conserve une vitesse de pompage constante pour tous les gaz à très basse pression. Cependant, la vitesse de pompage pour le H2 et les gaz récupérables est inférieure à celle des pompes à diodes correspondantes. Le Noble Diode VacIon Plus est généralement utilisé dans les applications UHV où un mélange de gaz doit être pompé et où la pression est assez constante (c'est-à-dire, pas d'éclatement soudain de gaz ou de cycle haute pression systématique). Ses caractéristiques de vitesse constante pour presque tous les gaz, même à très basse pression, le rendent idéal chaque fois que la pompe ionique seule est utilisée pour obtenir des pressions UHV. C'est souvent le cas dans les accélérateurs de particules ou les anneaux synchrotron, ainsi que dans les applications d'analyse de surface. D'autres versions VacIon Plus sont suggérées chaque fois que l'application nécessite un cycle à des pressions plus élevées, le pompage de grandes quantités de H 2 , ou lorsque la pompe ionique est combinée avec d'autres pompes UHV telles que les pompes à sublimation en titane ou les getters non évaporables.
StarCell Vacances Plus
L'élément StarCell VacIon Plus est la dernière variante de la configuration Triode. Sa conception brevetée fait de cette pompe ionique la seule capable de gérer une grande quantité de gaz nobles (meilleur que Noble Diode) et d'hydrogène (comparable à Diode). De plus, cette pompe offre la vitesse et la capacité les plus élevées pour le méthane, l'argon et l'hélium. Sa capacité totale élevée pour tous les différents gaz, associée à ses très bonnes performances de vitesse à des pressions relativement plus élevées, rend le StarCell VacIon Plus idéal pour les applications nécessitant un fonctionnement constant à 10 -8 mbar ou plus. Cela inclut généralement les microscopes électroniques et les spectromètres de masse.
Sa vitesse de pompage élevée pour l'argon, l'hélium et le méthane (la plus élevée de toutes les pompes ioniques à n'importe quelle pression) a fait de StarCell la norme pour toute application où la pompe ionique est utilisée en combinaison avec des pompes à sublimation en titane (TSP) ou des getters non évaporables. (NEG), où ses performances de pompage sont améliorées. La pression la plus basse atteignable a été obtenue avec des combinaisons de pompes StarCell VacIon Plus et TSP/NEG, grâce aux caractéristiques optimisées de ces combinaisons. La plupart des accélérateurs de particules et sources synchrotron, lignes de faisceau, lignes de transfert et dispositifs similaires existants ont utilisé et utilisent avec succès ces combinaisons pour obtenir la vitesse maximale pour toutes les espèces de gaz.
- Présentation de VacIon Plus
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| Vitesse de pompage
Le paramètre le plus couramment utilisé pour exprimer la capacité d'une pompe à éliminer les molécules d'un volume donné est la vitesse de pompage. Elle est généralement mesurée en litres par seconde et exprime le volume de gaz (à une pression donnée) évacué par unité de temps. Dans une pompe ionique, l'effet de pompage net résulte de la somme de différents phénomènes : |
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• L'action de pompage du film getter produit par la pulvérisation cathodique du matériau cathodique par bombardement ionique.
• L'action de pompage due à l'implantation et à la diffusion des ions dans la cathode.
• Enfouissement de gaz sur les anodes et les parois de la pompe.
• La réémission de gaz de la cathode due au chauffage et à l'érosion de la cathode.
Durée de vie
Lorsqu'une pompe ionique est neuve ou a été régénérée, par exemple par cuisson, la couche superficielle de la cathode est propre et sa réémission de gaz est négligeable. Dans cette condition, la pompe à ions est dite "insaturée" et l'effet de pompage est dû à la fois à l'effet de gattering ainsi qu'à l'implantation et à la diffusion des ions. Plus le nombre de molécules de gaz implantées dans la cathode augmente, plus leur réémission due au bombardement ionique augmente. En conséquence, la vitesse de pompage nette diminue jusqu'à ce qu'une condition d'équilibre entre l'implantation d'ions et la réémission de gaz soit atteinte. Dans cette condition, la pompe ionique est "saturée" et la vitesse de pompage nette, due uniquement à l'action de dégazage du matériau pulvérisé depuis la cathode, est d'environ la moitié de la vitesse de pompage de la pompe non saturée. Comme l'effet de saturation dépend de la quantité de molécules de gaz implantées dans la cathode, le temps nécessaire pour saturer une pompe ionique est inversement proportionnel à la pression à laquelle la pompe est actionnée. Ainsi, plus la pression est faible, plus le temps avant la saturation de la pompe est long.
Dans un système UHV à pompe ionique avec une procédure d'étuvage appropriée (et une régénération de pompe conséquente), une pression dans la plage de 10 -11 mbar est possible. À cette pression, la pompe ionique fonctionnera aux valeurs de vitesse de pompage supérieures (non saturées) pendant quelques années avant d'être saturée.
Gaz actifs (N 2 , 0 2 , CO, CO 2 ...)
Une caractéristique de ces gaz est leur capacité à réagir facilement avec la plupart des métaux en formant des composés stables. Dans une pompe à ions, ces molécules de gaz actif réagissent avec le film de titane frais produit par la pulvérisation cathodique du matériau de la cathode. Ces molécules actives de gaz ne diffusent pas profondément dans la cathode. L'effet de saturation, dû à la réémission de ces molécules piégées à la surface de la cathode, est très fort. Les éléments Diode et Noble Diode affichent une vitesse de pompage plus élevée à basse pression tandis que les éléments StarCell fonctionnent mieux à haute pression.
Hydrogène
L'hydrogène est un gaz actif mais, du fait de sa très petite masse, la vitesse de pulvérisation est très faible. Malgré cela, la vitesse de pompage de l'H 2 est très élevée car il diffuse rapidement dans la cathode avec une réémission négligeable. Lors du pompage de H2 , la pompe ionique fonctionne toujours à l'état non saturé. En conséquence, la vitesse nominale pour H 2 est environ le double de la valeur correspondante pour l'azote. De plus, si des traces de gaz plus lourds sont présentes, la vitesse de pulvérisation accrue produit une vitesse de pompage d'hydrogène encore plus élevée. L'élément Diode montre une vitesse de pompage plus élevée que la Diode Noble car la solubilité de H 2 dans la cathode en tantale est inférieure à celle d'une cathode en titane. Les éléments StarCell combinent de bonnes performances à des pressions plus élevées avec une capacité améliorée pour H 2 .
Gaz nobles (He, Ne, Ar, Kr et Xe)
Les gaz nobles sont pompés en étant enterrés par du titane. Les ions de gaz nobles peuvent être neutralisés et diffusés depuis la cathode sans perdre leur énergie. Ces atomes neutres conservent suffisamment d'énergie pour s'implanter ou se coller sur l'anode et sur les parois de la pompe où ils seront enfouis par le titane pulvérisé et ainsi pompés en permanence. Dans la configuration Diode, la probabilité de neutralisation et de rétrodiffusion est très faible, ainsi la vitesse de pompage des gaz nobles n'est qu'un petit pourcentage de la vitesse de pompage du N2 . De plus, lorsqu'on opère à une pression partielle d'argon relativement élevée (c'est-à-dire supérieure à 10 -8 mbar), on observe des surpressions brutales dues à la réémission d'argon temporairement implanté dans la cathode. Après cela, une pompe à diode n'est plus en mesure de pomper plus d'argon tant que sa source n'est pas arrêtée. Ce phénomène est appelé « instabilité de l'argon ».
Dans l'élément Noble Diode, une cathode en titane est remplacée par une cathode en tantale. La masse nucléaire élevée du tantale augmente la probabilité de rétrodiffusion et par conséquent la vitesse de pompage des gaz nobles. Les meilleurs résultats en termes de vitesse de pompage des gaz nobles sont obtenus en utilisant la structure de cathode ouverte typique des éléments StarCell. Dans ces configurations, la structure de cathode plate a été remplacée par une structure qui permet des collisions rasantes avec des ions. Ceux-ci sont neutralisés puis diffusés vers la paroi de la pompe ou l'anode avec une probabilité beaucoup plus élevée que dans le cas de la cathode plate. Le résultat est une vitesse de pompage pour les gaz nobles allant jusqu'à 60 % de N 2 . De plus, grâce à sa conception unique qui permet une utilisation optimale de tout le titane disponible, la durée de vie d'une pompe StarCell est environ 50 % plus longue que toutes les autres pompes.
Méthane
Bien que le méthane ne soit pas un gaz rare, il ne réagit avec aucun matériau getter. Il est toujours présent à un certain degré dans les systèmes UHV en tant que produit de réaction de l'hydrogène et du carbone présents dans les parois du système sous vide. Le méthane est un problème particulier dans les accélérateurs d'électrons où il est la principale cause de la désintégration du faisceau. En raison de la décharge de Penning dans les pompes ioniques, la molécule de méthane (ainsi que d'autres molécules d'hydrocarbures) est craquée et transformée en composés "getter" plus petits (C, CH 3 , ... H). Il en résulte que la vitesse de pompage du méthane et des hydrocarbures légers est toujours supérieure à la vitesse du N 2 .
- Fabrication de qualité Agilent Varian
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| Propreté
Pour atteindre des pressions très basses (c'est-à-dire 10 -11 mbar) dans n'importe quel système, le dégazage de la chambre et de la pompe doit être minimisé. Si elle n'est pas nettoyée correctement, la pompe ionique elle-même peut être une source de gaz à UHV. Afin d'assurer la propreté, les pompes VacIon Plus sont traitées en usine à haute température dans un vide ultrapropre pour un dégazage complet du corps et de tous les composants internes. La propreté de l'élément de pompe à ions est encore plus critique, en raison du bombardement continu de la cathode. Tout gaz piégé à la surface ou dans la masse de la cathode finira par être libéré. |
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Dégazage de la pompe ionique
Le système de dégazage de la pompe ionique est un processus thermique du corps de la pompe, entièrement contrôlé par ordinateur et capable de fournir un test final automatique des spécifications de la pompe atteintes. L'étuvage de la pompe se fait dans une atmosphère contrôlée en azote pour protéger le corps externe de la pompe de l'oxydation.
Le système est basé sur le principe du dégazage thermique des surfaces internes de la pompe ionique par le contrôle de leur dégazage intrinsèque. Par conséquent, la pression, et non le temps, est le facteur déterminant du processus global. Le temps d'étuvage dépend du nettoyage interne des composants de la pompe et toutes les pompes auront, de cette manière, le même taux de dégazage final et la même pression de base.
A la fin du processus thermique, une fois la température ambiante atteinte, un RGA est effectué. L'analyseur de gaz, placé sur le système de vide, fournit le spectre des différents gaz dégazés par la pompe. Si H2 et les autres pics normalement présents dans un système de vide bien cuit dépassent les niveaux d'acceptation, la pompe est de nouveau cuite. Sinon, il est pincé et sa pression de base surveillée. La pression de base est évaluée par la lecture du courant ionique. La diminution du courant est contrôlée par ordinateur et la pompe n'est prête à être expédiée qu'une fois le courant de base atteint.
Longue durée de vie
Toutes les pompes VacIon Plus ont une durée de vie nominale supérieure à plusieurs milliers d'heures à une pression de 1x10 -6 mbar (50 000 heures pour la pompe Diode et 80 000 heures pour la StarCell). Avec de nombreuses pompes ioniques, une maintenance peut être nécessaire bien avant la durée de vie nominale, en raison de la métallisation des isolateurs ou de la distorsion des éléments de pompage. Tous les éléments VacIon Plus sont conçus pour minimiser la distorsion de la cathode (même après des étuvages répétitifs et des démarrages à haute pression), et les isolateurs sont protégés du titane pulvérisé en utilisant une conception à double rentrant et un capuchon de protection.
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