Pompa combinata Agilent Varian VacIon Plus 150 StarCell con criopannello laterale e pompa a sublimazione in titanio (TSP)
Numero parte Agilent Varian 9192540. Queste pompe combinate Agilent Varian VacIon Plus 150 StarCell hanno un criopanel montato lateralmente con cartuccia per pompa a sublimazione in titanio (TSP) e riscaldatore da 120 V, funzionano con potenziale di tensione negativo, hanno una flangia di aspirazione Conflat da 6 pollici e hanno una velocità di pompaggio di 610 l/s di azoto. La sublimazione del titanio crea gas ad altissima velocità di pompaggio, ad es. CO, CO2, H2, N2, O2, mentre i meccanismi di pompaggio degli ioni gestiscono i gas non addizionabili come l'argon e il metano. Di seguito è possibile scaricare la brochure completa dei dati tecnici e dell'applicazione per le pompe combinate Agilent Varian VacIon Plus 150 StarCell in formato PDF. Queste pompe hanno il numero di parte Agilent Varian 9192540.
- Funzionamento delle pompe ioniche
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| Le pompe per vuoto in generale funzionano sulla base del mantenimento di una densità di gas inferiore al proprio interno rispetto a quella esistente nell'ambiente che stanno pompando. Ciò si traduce in una migrazione netta di gas nella pompa a causa del movimento casuale delle molecole in condizioni di flusso molecolare. Una volta nelle pompe, pochi scappano e vengono spostati o catturati, a seconda del tipo di pompa. Piuttosto che essere una pompa volumetrica che sposta effettivamente le molecole di gas attraverso di essa nell'atmosfera, la pompa ionica invece le cattura e le immagazzina. Di conseguenza, a un certo punto la pompa deve essere ricondizionata o sostituita. Questo è generalmente richiesto solo dopo molti anni di utilizzo.
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Il nome generico Sputter Ion Pump (o Ion Getter Pump) deriva dal fatto che alcune delle molecole di gas subiscono la ionizzazione e provocano lo sputtering dell'agente sputtering. Questo materiale reagisce chimicamente con i gas attivi formando composti stabili che si depositano sulle pareti interne della pompa. Il getter, solitamente titanio, è fornito da una piastra o elettrodo di quel materiale, che a sua volta viene spruzzato ed eroso da ioni gas formati sotto l'influenza dell'alta tensione. Questi potenziali elettrici sono generalmente compresi tra 3.000 e 7.000 V CC. Un circuito magnetico permanente esterno genera un campo magnetico, solitamente compreso tra 800 e 2.000 G, parallelo all'asse della cella anodica. La funzione della struttura della cella anodica è quella di contenere una "nuvola" di elettroni ad alta energia che sono vincolati dal campo magnetico. La maggior parte dei dispositivi di ionizzazione funziona allo stesso modo. Le molecole di gas vengono bombardate da elettroni ad alta energia quando si verifica una collisione. Una molecola può perdere uno o più dei propri elettroni e quindi rimanere come uno ione caricato positivamente. Sotto l'influenza di un forte campo elettrico, lo ione viene accelerato nel catodo di titanio. La forza di questa collisione è sufficiente a far sì che gli atomi vengano espulsi dal catodo e "sputterati" sulle pareti adiacenti della pompa. Il titanio appena polverizzato è estremamente reattivo e reagirà chimicamente con i gas attivi. I composti risultanti si accumulano sulle superfici degli elementi della pompa e sulle pareti della pompa. I gas attivi sono quelli come ossigeno, azoto, CO, CO 2 e acqua, al contrario dei gas nobili come elio, neon, argon, krypton e xeno, che non sono reattivi. Questi ultimi sono pompati mediante "sepoltura ionica" (la sepoltura ionica è il "rivestimento" degli atomi di gas inerte da parte degli atomi getter spruzzati).
La capacità di leggere le pressioni utilizzando una pompa ionica è dovuta alla proporzionalità diretta tra la corrente della pompa e la pressione di esercizio. L'affidabilità delle letture della pressione a pressioni molto basse è limitata dalla corrente di dispersione e la corrente di dispersione dall'emissione di campo dipende fortemente dalla tensione applicata alla pompa. Il controller doppio, progettato per l'uso con qualsiasi pompa VacIon Plus, offre l'esclusiva capacità di regolare la tensione in base alla pressione di esercizio. In questo modo, la corrente di dispersione viene ridotta al minimo a bassa pressione, fornendo una lettura affidabile della pressione fino all'intervallo 10-10 mbar.
La famiglia VacIon Plus
Le pompe ioniche sono comunemente utilizzate per creare l'Ultra Alto Vuoto (UHV), grazie alla loro pulizia, alla capacità di pompare diversi gas, insieme al funzionamento senza manutenzione e senza vibrazioni. La lunga durata operativa e la capacità di leggere la pressione sono altre caratteristiche importanti delle pompe ioniche. La famiglia VacIon Plus è stata progettata per migliorare tutte queste caratteristiche e offre quindi la soluzione più avanzata e preziosa per qualsiasi esigenza di pompaggio di ioni.
In generale, tutte le pompe ioniche possono pompare tutti i gas in una certa misura. Per ottenere le migliori prestazioni e pressione di base, sono stati sviluppati diversi tipi di pompe ioniche con prestazioni ottimizzate in diversi intervalli di pressione e con diversi gas. VacIon Plus di Agilent Varian è una famiglia di prodotti completa che offre la scelta tra tre diversi elementi: diodo, diodo nobile e StarCell. Qualunque sia l'applicazione, c'è una pompa VacIon Plus progettata per questo.
Diodo VacIon Plus
La versione a diodi della pompa VacIon Plus ha la più alta velocità di pompaggio tra tutte le pompe ioniche per ossigeno (O 2 ), azoto (N 2 ), anidride carbonica (CO 2 ), monossido di carbonio (CO) e qualsiasi altro gas accumulabile. Fornisce la velocità e la capacità di pompaggio più elevate anche per l'idrogeno (H 2 ). La sua semplice struttura meccanica consente una lettura affidabile della corrente/pressione fino a pressioni molto basse, nonché un funzionamento assolutamente privo di vibrazioni. La sua configurazione geometrica ed elettrica ne consente l'utilizzo in prossimità di rivelatori di elettroni o dispositivi simili. Le pompe Diode VacIon Plus sono quindi ampiamente utilizzate con successo nei sistemi UHV generici, per l'evacuazione di dispositivi elettronici e nei microscopi elettronici più sensibili. Tuttavia, i diodi non sono consigliati per applicazioni in cui devono essere pompati gas nobili come argon (Ar), elio (He) e metano (CH 4 ).
Diodo nobile VacIon Plus
L'elemento Noble Diode VacIon Plus è una versione dell'elemento diodo, in cui un catodo di tantalio viene sostituito al posto di un catodo di titanio. Questa sostituzione consente una maggiore velocità di pompaggio e stabilità per il pompaggio di gas nobili (principalmente argon ed elio). L'elemento è altrimenti equivalente al Diode VacIon Plus. Le pompe Noble Diode VacIon Plus sono utilizzate in qualsiasi applicazione in cui il pompaggio di gas nobili è una caratteristica importante. Come per la configurazione a diodo, il Noble Diode mantiene una velocità di pompaggio costante per tutti i gas a pressioni molto basse. Tuttavia, la velocità di pompaggio per l'H 2 ei gas raccolti è inferiore a quella delle corrispondenti pompe a diodi. Il Noble Diode VacIon Plus viene tipicamente utilizzato nelle applicazioni UHV in cui deve essere pompata una miscela di gas e dove la pressione è abbastanza costante (ovvero, nessuna esplosione improvvisa di gas o cicli sistematici ad alta pressione). Le sue caratteristiche di velocità costante per quasi tutti i gas anche a pressioni molto basse lo rendono ideale ogni volta che si utilizza la sola pompa ionica per ottenere pressioni UHV. Questa è spesso la situazione negli acceleratori di particelle o negli anelli di sincrotrone, così come nelle applicazioni di analisi delle superfici. Altre versioni di VacIon Plus sono consigliate ogni volta che l'applicazione richiede cicli a pressioni più elevate, pompaggio di grandi quantità di H 2 , o quando la pompa ionica è combinata con altre pompe UHV come pompe a sublimazione di titanio o getter non evaporabili.
StarCell VacIon Plus
L'elemento StarCell VacIon Plus è l'ultima variante della configurazione Triode. Il suo design brevettato rende questa pompa ionica l'unica in grado di gestire un'elevata quantità di gas nobili (meglio del Noble Diode) e idrogeno (paragonabile al Diodo). Inoltre, questa pompa fornisce la massima velocità e capacità per metano, argon ed elio. La sua elevata capacità totale per tutti i diversi gas, unita alle ottime prestazioni di velocità a pressioni relativamente più elevate, rende lo StarCell VacIon Plus ideale per applicazioni che richiedono un funzionamento costante a 10-8 mbar o superiore. Ciò include in genere microscopi elettronici e spettrometri di massa.
La sua elevata velocità di pompaggio per argon, elio e metano (la più alta di qualsiasi pompa ionica a qualsiasi pressione) ha reso StarCell lo standard per qualsiasi applicazione in cui la pompa ionica viene utilizzata in combinazione con pompe a sublimazione di titanio (TSP) o getter non evaporabili (NEG), dove le sue prestazioni di pompaggio sono migliorate. La pressione più bassa raggiungibile è stata ottenuta con combinazioni di pompe StarCell VacIon Plus e TSP/NEG, grazie alle caratteristiche ottimizzate di queste combinazioni. La maggior parte degli acceleratori di particelle esistenti e delle sorgenti di sincrotrone, linee di fascio, linee di trasferimento e dispositivi simili hanno utilizzato e stanno utilizzando con successo queste combinazioni per ottenere la velocità massima per tutte le specie di gas.
- Panoramica di VacIon Plus
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| Velocità di pompaggio
Il parametro più comune utilizzato per esprimere la capacità di una pompa di rimuovere le molecole da un dato volume è la velocità di pompaggio. Solitamente si misura in litri al secondo ed esprime il volume di gas (a una data pressione) rimosso per unità di tempo. In una pompa ionica l'effetto di pompaggio netto risulta dalla somma di diversi fenomeni: |
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• L'azione di pompaggio del film getter prodotto dallo sputtering di materiale catodico mediante bombardamento ionico.
• L'azione di pompaggio dovuta all'impianto e diffusione di ioni nel catodo.
• Interramento di gas sugli anodi e sulle pareti della pompa.
• La riemissione di gas dal catodo a causa del riscaldamento e dell'erosione del catodo.
Tutta la vita
Quando una pompa ionica è nuova o è stata rigenerata, ad esempio mediante cottura, lo strato superficiale del catodo è pulito e la riemissione di gas da esso è trascurabile. In questa condizione la pompa ionica è detta “insatura” e l'effetto di pompaggio è dovuto sia all'effetto di gattering che all'impianto e diffusione ionica. All'aumentare del numero di molecole di gas impiantate nel catodo, aumenta la loro riemissione dovuta al bombardamento ionico. Di conseguenza, la velocità netta di pompaggio diminuisce fino al raggiungimento di una condizione di equilibrio tra impiantazione ionica e riemissione di gas. In questa condizione la pompa ionica è “satura” e la velocità netta di pompaggio, dovuta alla sola azione gettering del materiale spruzzato dal catodo, è circa la metà della velocità di pompaggio della pompa insatura. Poiché l'effetto di saturazione dipende dalla quantità di molecole di gas impiantate nel catodo, il tempo necessario per saturare una pompa ionica è inversamente proporzionale alla pressione alla quale la pompa viene azionata. Pertanto, minore è la pressione, maggiore è il tempo prima che si verifichi la saturazione della pompa.
In un sistema UHV pompato a ioni con una corretta procedura di preriscaldamento (e conseguente rigenerazione della pompa), è possibile una pressione nell'intervallo 10-11 mbar. A questa pressione, la pompa ionica lavorerà ai valori di velocità di pompaggio più elevati (insaturi) per alcuni anni prima di essere saturata.
Gas attivi (N 2 , 0 2 , CO, CO 2 ...)
Una caratteristica di questi gas è la loro capacità di reagire facilmente con la maggior parte dei metalli formando composti stabili. In una pompa ionica, queste molecole di gas attivo reagiscono con il film di titanio fresco prodotto dallo sputtering del materiale del catodo. Queste molecole di gas attive non si diffondono in profondità nel catodo. L'effetto di saturazione, dovuto alla riemissione di queste molecole intrappolate sulla superficie del catodo, è molto forte. Gli elementi Diode e Noble Diode mostrano una maggiore velocità di pompaggio a bassa pressione, mentre gli elementi StarCell funzionano meglio a pressioni più elevate.
Idrogeno
L'idrogeno è un gas attivo ma, a causa della sua massa molto piccola, il tasso di sputtering è molto basso. Nonostante ciò, la velocità di pompaggio dell'H 2 è molto elevata perché diffonde rapidamente nel catodo con riemissione trascurabile. Quando si pompa H 2 , la pompa ionica funziona sempre in condizioni insature. Di conseguenza, la velocità nominale per l'H 2 è circa il doppio del valore corrispondente per l'azoto. Inoltre, se sono presenti tracce di gas più pesanti, l'aumento della velocità di sputtering produce una velocità di pompaggio dell'idrogeno ancora più elevata. L'elemento diodo mostra una velocità di pompaggio maggiore rispetto al diodo nobile poiché la solubilità di H 2 nel catodo di tantalio è inferiore a quella di un catodo di titanio. Gli elementi StarCell combinano buone prestazioni a pressioni più elevate con una maggiore capacità per H 2 .
Gas nobili (He, Ne, Ar, Kr e Xe)
I gas nobili vengono pompati venendo seppelliti dal titanio. Gli ioni di gas nobili possono essere neutralizzati e dispersi dal catodo senza perdere la loro energia. Questi atomi neutri mantengono un'energia sufficiente per impiantarsi o attaccarsi all'anodo e alle pareti della pompa dove saranno sepolti dal titanio polverizzato e quindi pompati in modo permanente. Nella configurazione a diodi, la probabilità di neutralizzazione e retrodiffusione è molto piccola, quindi la velocità di pompaggio per i gas nobili è solo una piccola percentuale della velocità di pompaggio dell'azoto . Inoltre, operando ad una pressione parziale di argon relativamente elevata (cioè superiore a 10-8 mbar), si osservano improvvisi picchi di pressione dovuti alla riemissione di argon temporaneamente impiantato nel catodo. Dopo che ciò si verifica, una pompa a diodi non è in grado di pompare più argon fino a quando la sua sorgente non viene arrestata. Questo fenomeno è noto come "instabilità dell'argon".
Nell'elemento Noble Diode, un catodo di titanio viene sostituito con un catodo di tantalio. L'elevata massa nucleare del tantalio aumenta la probabilità di retrodiffusione e di conseguenza la velocità di pompaggio per i gas nobili. I migliori risultati in termini di velocità di pompaggio dei gas nobili si ottengono utilizzando la struttura a catodo aperto tipica degli elementi StarCell. In queste configurazioni, la struttura del catodo piatto è stata sostituita con una struttura che consente collisioni di striscio con gli ioni. Questi vengono neutralizzati e quindi dispersi in avanti verso la parete della pompa o l'anodo con una probabilità molto maggiore rispetto al caso del catodo piatto. Il risultato è una velocità di pompaggio per gas nobili fino al 60% di N 2 . Inoltre, grazie al design unico che consente un utilizzo ottimale di tutto il titanio disponibile, la vita operativa di una pompa StarCell è circa il 50% più lunga rispetto a tutte le altre pompe.
Metano
Sebbene il metano non sia un gas nobile, non reagisce con alcun materiale getter. È sempre presente in una certa misura nei sistemi UHV come prodotto di reazione di idrogeno e carbonio presenti nelle pareti del sistema a vuoto. Il metano è un problema particolare negli acceleratori di elettroni dove è la causa principale del decadimento del fascio. A causa della scarica di Penning nelle pompe ioniche, la molecola di metano (così come altre molecole di idrocarburi) viene spezzata e trasformata in composti "getterizzati" più piccoli (C, CH 3 , ... H). Il risultato è che la velocità di pompaggio del metano e degli idrocarburi leggeri è sempre superiore a quella dell'N 2 .
- Produzione di qualità Agilent Varian
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| Pulizia
Per raggiungere pressioni molto basse (es. 10 -11 mbar) in qualsiasi sistema, è necessario ridurre al minimo il degassamento sia della camera che della pompa. Se non viene pulita correttamente, la stessa pompa ionica può essere una fonte di gas a UHV. Al fine di garantire la pulizia, le pompe VacIon Plus vengono lavorate in fabbrica ad alta temperatura in un vuoto ultrapulito per un completo degassamento del corpo e di tutti i componenti interni. La pulizia dell'elemento della pompa ionica è ancora più critica, a causa del continuo bombardamento catodico. Eventuali gas intrappolati sulla superficie o nella maggior parte del catodo verranno infine rilasciati. |
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Degassamento della pompa ionica
Il sistema di degassamento della pompa ionica è un processo termico del corpo pompa, completamente controllato da computer e in grado di fornire un test finale automatico delle specifiche della pompa raggiunte. Il riscaldamento della pompa avviene in atmosfera controllata di azoto per proteggere dall'ossidazione il corpo esterno della pompa.
Il sistema si basa sul principio del degasaggio termico delle superfici interne della pompa ionica attraverso il controllo del loro degassamento intrinseco. Pertanto la pressione, non il tempo, è il fattore trainante dell'intero processo. Il tempo di cottura dipende dalla pulizia interna dei componenti della pompa e tutte le pompe avranno, in questo modo, la stessa velocità di degassamento finale e pressione base.
Al termine del processo termico, una volta raggiunta la temperatura ambiente, viene eseguito un RGA. L'analizzatore di gas, posto sul sistema del vuoto, fornisce lo spettro dei diversi gas degasati dalla pompa. Se H 2 e gli altri picchi normalmente presenti in un sistema sottovuoto ben cotto superano i livelli di accettazione, la pompa viene nuovamente cotta. In caso contrario, viene pizzicato e la sua pressione di base viene monitorata. La pressione di base viene valutata attraverso la lettura della corrente ionica. La diminuzione della corrente è monitorata dal computer e la pompa è pronta per essere spedita solo dopo aver raggiunto la corrente di base.
Lunga vita operativa
Tutte le pompe VacIon Plus hanno una durata nominale superiore a molte migliaia di ore a una pressione di 1x10 -6 mbar (50.000 ore per la pompa Diode e 80.000 ore per StarCell). Con molte pompe ioniche, la manutenzione può essere richiesta molto prima della durata nominale, a causa della metallizzazione degli isolanti o della distorsione dell'elemento pompante. Tutti gli elementi VacIon Plus sono progettati per ridurre al minimo la distorsione del catodo (anche dopo ripetuti riscaldi e avviamenti ad alta pressione) e gli isolatori sono protetti dal titanio polverizzato utilizzando un design a doppio rientro e uno schermo del cappuccio.
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