Agilent Varian VacIon 150 StarCell イオン ポンプ、120 VAC ヒーター搭載、125 l/s ポンピング速度、マグネット、6 インチ CF 吸気口付き。
Agilent Varian 部品番号 9191541。 Agilent Varian VacIon Plus シリーズのイオンポンプは、超高真空 (UHV) を作り出す高性能、清潔さ、さまざまなガスをポンプできる能力、長い動作寿命、真空圧の読み取り能力、メンテナンスフリーで振動のない動作により、最高級の製品です。ここでは、Agilent が取り付けた 6 インチのコンフラット吸気フランジと 120 VAC ヒーターを備えた Agilent Varian VacIon Plus 150 StarCell イオンポンプをご紹介します。VacIon Plus 150 StarCell の到達圧力は 10 -11 Torr 未満、最大ベーキング温度は 350 度 C まで、ポンピング速度は 125 l/s です。Agilent Varian VacIon Plus 150 StarCell 高真空イオンポンプの完全な技術データとアプリケーション パンフレットは、以下の PDF 形式でダウンロードできます。磁石と 120 VAC ヒーターが取り付けられたこの Agilent Varian VacIon Plus 150 StarCell イオン ポンプの Agilent Varian 部品番号は 9191541 です。
| 真空ポンプは一般に、ポンプ内部のガス密度を、ポンプがポンプする環境に存在するガス密度よりも低く維持することを基本として動作します。この結果、分子流条件下での分子のランダムな動きにより、ポンプへの正味のガス移行が発生します。ポンプ内に入ると、逃げ出すガスはほとんどなく、ポンプの種類に応じて、移動または捕捉されます。イオンポンプは、ガス分子を実際に大気中へ移動させる置換ポンプではなく、代わりにガス分子を捕捉して保存します。その結果、ある時点でポンプを修理または交換する必要があります。これは通常、長年使用した後にのみ必要になります。
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スパッタイオンポンプ（またはイオンゲッタポンプ）という一般名は、ガス分子の一部がイオン化してスパッタリング剤のスパッタリングを引き起こすという事実に由来しています。この材料は活性ガスと化学反応を起こし、ポンプの内壁に堆積する安定した化合物を形成します。ゲッタ（通常はチタン）は、その材料のプレートまたは電極によって提供され、高電圧の影響下で形成されたガスイオンによってスパッタリングされ、侵食されます。これらの電位は通常、3,000～7,000 VDC の範囲です。外部の永久磁気回路は、通常 800～2,000 G の範囲の磁場を陽極セル軸と平行に生成します。陽極セル構造の機能は、磁場によって制限される高エネルギー電子の「雲」を封じ込めることです。ほとんどのイオン化装置は同じように動作します。衝突が発生すると、ガス分子は高エネルギー電子によって衝撃を受けます。分子は自身の電子を 1 つ以上失い、正に帯電したイオンとして残ることがあります。強い電界の影響により、イオンはチタン陰極に向かって加速されます。この衝突の力は、原子を陰極から放出し、ポンプの隣接する壁に「スパッタリング」させるのに十分です。スパッタリングされたばかりのチタンは極めて反応性が高く、活性ガスと化学反応を起こします。結果として生じる化合物は、ポンプ要素の表面とポンプ壁に蓄積します。活性ガスとは、酸素、窒素、CO、CO 2 、水などのガスであり、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンなどの非反応性の希ガスとは対照的です。後者は「イオン埋没」によってポンプされます (イオン埋没とは、スパッタリングされたゲッター原子によって不活性ガス原子を「塗りつぶす」ことです)。
イオン ポンプを使用して圧力を読み取ることができるのは、ポンプ電流と動作圧力が正比例しているためです。非常に低い圧力での圧力読み取りの信頼性は漏れ電流によって制限され、電界放出による漏れ電流はポンプに印加される電圧に大きく依存します。VacIon Plus ポンプで使用するために設計されたデュアル コントローラは、動作圧力に応じて電圧を調整する独自の機能を備えています。これにより、低圧での漏れ電流が最小限に抑えられ、10 -10 mbar の範囲まで信頼性の高い圧力読み取りが可能になります。
VacIon Plusファミリー
イオン ポンプは、その清浄性、さまざまなガスのポンピング能力、メンテナンス フリー、振動フリーの動作により、超高真空 (UHV) の作成によく使用されます。長い動作寿命と圧力読み取り能力も、イオン ポンプの重要な機能です。VacIon Plus ファミリーは、これらすべての特性を強化するように設計されており、あらゆるイオン ポンピング要件に対応する最も先進的で価値のあるソリューションを提供します。
一般的に、すべてのイオン ポンプは、ある程度すべてのガスをポンプできます。最高のパフォーマンスとベース圧力を得るために、さまざまな圧力範囲とさまざまなガスで最適化されたパフォーマンスを備えたさまざまなタイプのイオン ポンプが開発されています。Agilent Varian の VacIon Plus は、ダイオード、ノーブル ダイオード、StarCell の 3 つの異なる要素から選択できる完全な製品ファミリです。どのようなアプリケーションでも、それに合わせて設計された VacIon Plus ポンプがあります。
ダイオードVacIonプラス
VacIon Plus ポンプのダイオード バージョンは、酸素 (O 2 )、窒素 (N 2 )、二酸化炭素 (CO 2 )、一酸化炭素 (CO)、およびその他の収集可能なガス用のすべてのイオン ポンプの中で最も速いポンピング速度を備えています。また、水素 (H 2 ) に対しても最高のポンピング速度と容量を提供します。機械構造がシンプルなため、非常に低い圧力まで信頼性の高い電流/圧力の読み取りが可能で、完全に振動のない動作が可能です。形状と電気構成が優れているため、電子検出器や同様のデバイスの近くでも使用できます。そのため、ダイオード VacIon Plus ポンプは、汎用 UHV システム、電子デバイスの排気、最も感度の高い電子顕微鏡などで幅広く使用されています。ただし、ダイオードは、アルゴン (Ar)、ヘリウム (He)、メタン (CH 4 ) などの希ガスをポンピングする用途には推奨されません。
ノーブルダイオードVacIon Plus
ノーブル ダイオード VacIon Plus エレメントはダイオード エレメントの一種で、チタン カソードの代わりにタンタル カソードが使用されています。この置換により、希ガス (主にアルゴンとヘリウム) のポンピングのポンピング速度と安定性が向上します。その他の点では、このエレメントはダイオード VacIon Plus と同等です。ノーブル ダイオード VacIon Plus ポンプは、希ガスのポンピングが重要な特性であるあらゆるアプリケーションで使用されます。ダイオード構成と同様に、ノーブル ダイオードは、非常に低い圧力ですべてのガスに対して一貫したポンピング速度を維持します。ただし、H 2および収集可能なガスのポンピング速度は、対応するダイオード ポンプよりも低くなります。ノーブル ダイオード VacIon Plus は、通常、ガスの混合物をポンピングする UHV アプリケーションで使用され、圧力は非常に一定です (つまり、突然のガスの破裂や体系的な高圧サイクルはありません)。非常に低い圧力でもほぼすべてのガスに対して一定の速度で動作できるという特性により、イオンポンプのみを使用して UHV 圧力を得る場合に最適です。これは、粒子加速器やシンクロトロン リング、表面分析アプリケーションでよく見られます。アプリケーションで高圧へのサイクル、大量の H 2のポンピングが必要な場合、またはイオンポンプをチタン昇華ポンプや非蒸発性ゲッターなどの他の UHV ポンプと組み合わせる場合は、他の VacIon Plus バージョンが推奨されます。
スターセル バケーション プラス
StarCell VacIon Plus エレメントは、三極管構成の最新バリエーションです。特許取得済みの設計により、このイオン ポンプは、大量の希ガス (希ガス ダイオードよりも優れています) と水素 (ダイオードと同等) を処理できる唯一のポンプです。さらに、このポンプは、メタン、アルゴン、ヘリウムに対して最高の速度と容量を提供します。さまざまなガスに対する高い総容量と、比較的高い圧力での非常に優れた速度性能により、StarCell VacIon Plus は、10 -8 mbar 以上で常時動作する必要があるアプリケーションに最適です。これには通常、電子顕微鏡や質量分析計が含まれます。
StarCell は、アルゴン、ヘリウム、メタンに対する高いポンピング速度 (あらゆる圧力におけるあらゆるイオンポンプの中で最高) により、イオンポンプをチタン昇華ポンプ (TSP) または非蒸発ゲッター (NEG) ポンプと組み合わせて使用するあらゆるアプリケーションの標準となり、ポンピング性能が向上します。StarCell VacIon Plus と TSP/NEG ポンプの組み合わせにより、これらの組み合わせの最適化された特性のおかげで、達成可能な最低圧力が得られました。ほとんどの既存の粒子加速器とシンクロトロン源、ビームライン、転送ライン、および同様のデバイスは、すべてのガス種に対して最大速度を得るためにこれらの組み合わせを使用しており、現在も使用中です。
| ポンピング速度
ポンプが特定の体積から分子を除去する能力を表す最も一般的なパラメータは、ポンピング速度です。ポンピング速度は通常、リットル/秒で測定され、時間単位あたりに除去されるガス量（特定の圧力で）を表します。イオン ポンプでは、正味のポンピング効果はさまざまな現象の合計から生じます。 |
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• イオン衝撃によるカソード材料のスパッタリングによって生成されるゲッター膜のポンピング作用。
• イオン注入とカソードへの拡散によるポンピング作用。
• 陽極とポンプの壁面へのガスの埋没。
• カソードの加熱と侵食によるカソードからのガスの再放出。
一生
イオンポンプが新しいか、またはベーキングなどにより再生されている場合、陰極の表面層はきれいで、そこからのガスの再放出はごくわずかです。この状態では、イオンポンプは「不飽和」と呼ばれ、ポンピング効果はゲッタリング効果とイオン注入および拡散の両方によるものです。陰極に注入されるガス分子の数が増えると、イオン衝撃によるそれらの再放出が増加します。その結果、イオン注入とガスの再放出の間の平衡状態に達するまで、正味のポンピング速度は低下します。この状態では、イオンポンプは「飽和」しており、陰極からスパッタされた材料のゲッタリング作用のみによる正味のポンピング速度は、不飽和ポンプのポンピング速度の約半分です。飽和効果は陰極に注入されたガス分子の量に依存するため、イオンポンプの飽和に必要な時間はポンプが動作する圧力に反比例します。したがって、圧力が低いほど、ポンプの飽和が発生するまでの時間が長くなります。
適切なベークアウト手順（およびそれに伴うポンプの再生）を備えたイオンポンプ式 UHV システムでは、10 -11 mbar の範囲の圧力が可能です。この圧力では、イオンポンプは飽和するまで数年間、より高い（飽和していない）ポンピング速度値で動作します。
活性ガス（N 2 、O 2 、CO、CO 2 ...）
これらのガスの特性は、ほとんどの金属と容易に反応して安定した化合物を形成することです。イオン ポンプでは、これらの活性ガス分子が、カソード材料のスパッタリングによって生成された新鮮なチタン フィルムと反応します。これらの活性ガス分子は、カソード内に深く拡散しません。カソード表面に捕捉されたこれらの分子の再放出による飽和効果は非常に強力です。ダイオードおよびノーブル ダイオード エレメントは低圧でより高いポンピング速度を示しますが、StarCell エレメントは高圧でより優れた性能を発揮します。
水素
水素は活性ガスですが、質量が非常に小さいため、スパッタリング率は非常に低くなります。それにもかかわらず、水素は再放出がほとんどなく、急速にカソードに拡散するため、H 2のポンピング速度は非常に高速です。H 2をポンピングする場合、イオンポンプは常に不飽和状態で動作します。その結果、H 2の公称速度は窒素の対応する値の約2倍になります。さらに、より重いガスが微量に存在する場合、スパッタリング率の増加により、さらに高い水素ポンピング速度が生成されます。タンタルカソードのH 2溶解度はチタンカソードよりも低いため、ダイオードエレメントはノーブルダイオードよりも高いポンピング速度を示します。StarCellエレメントは、高圧での優れた性能とH 2の強化された容量を兼ね備えています。
希ガス (He、Ne、Ar、Kr、Xe)
希ガスはチタンに埋め込まれることで排気されます。希ガスイオンはエネルギーを失うことなく中和され、カソードから散乱されます。これらの中性原子は十分なエネルギーを維持しているため、アノードやポンプ壁に埋め込まれたり付着したりし、そこでスパッタされたチタンに埋め込まれて永久に排気されます。ダイオード構成では、中和と後方散乱の確率が非常に小さいため、希ガスの排気速度は N 2の排気速度のわずかな割合にすぎません。さらに、比較的高いアルゴン分圧 (10 -8 mbar 以上) で動作している場合、一時的にカソードに埋め込まれたアルゴンの再放出による突然の圧力バーストが観察されます。これが発生すると、ダイオードポンプはアルゴン源が停止されるまでそれ以上アルゴンを排気できなくなります。この現象は「アルゴン不安定性」として知られています。
ノーブルダイオードエレメントでは、1 つのチタンカソードが 1 つのタンタルカソードに置き換えられています。タンタルの核質量が大きいため、後方散乱の確率が高まり、その結果、希ガスのポンピング速度が上がります。希ガスのポンピング速度に関して最良の結果は、StarCell エレメントの典型的なオープンカソード構造を使用することで得られます。これらの構成では、フラットカソード構造が、イオンとの斜入射を可能にする構造に置き換えられています。イオンは中和され、その後、フラットカソードの場合よりもはるかに高い確率でポンプ壁またはアノードに向かって前方散乱します。その結果、希ガスのポンピング速度は N 2の最大 60% になります。さらに、利用可能なチタンをすべて最適に使用できる独自の設計により、StarCell ポンプの動作寿命は他のすべてのポンプよりも約 50% 長くなります。
メタン
メタンは希ガスではありませんが、ゲッター物質と反応しません。UHV システムでは、真空システムの壁に存在する水素と炭素の反応生成物として、常にある程度存在します。メタンは電子加速器で特に問題となり、ビーム減衰の主な原因となります。イオン ポンプのペニング放電により、メタン分子 (およびその他の炭化水素分子) は分解され、より小さな「ゲッター」化合物 (C、CH 3 、... H) に変換されます。その結果、メタンと軽質炭化水素のポンピング速度は常に N 2の速度よりも速くなります。
| 清潔さ
どのようなシステムでも、非常に低い圧力 (つまり 10 -11 mbar) に達するには、チャンバーとポンプの両方のガス放出を最小限に抑える必要があります。適切に洗浄しないと、イオン ポンプ自体が UHV でガスの発生源になる可能性があります。清潔さを保証するために、VacIon Plus ポンプは、本体とすべての内部コンポーネントから徹底的にガスを放出するために、工場で超クリーン真空の高温で処理されます。イオン ポンプ要素の清潔さは、継続的なカソード衝撃のため、さらに重要です。カソードの表面または大部分に閉じ込められたガスは、最終的に放出されます。 |
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イオンポンプのガス放出
イオン ポンプのガス抜きシステムは、ポンプ本体の熱処理プロセスであり、完全にコンピュータ制御されており、達成されたポンプ仕様の最終テストを自動的に実行できます。ポンプのベークアウトは、外部ポンプ本体を酸化から保護するために、窒素制御雰囲気で行われます。
このシステムは、イオンポンプの内部表面の固有のガス放出を制御して熱ガス放出するという原理に基づいています。したがって、時間ではなく圧力がプロセス全体の駆動要因となります。ベークアウト時間はポンプ部品の内部洗浄によって決まり、すべてのポンプの最終的なガス放出率とベース圧力は同じになります。
熱処理の最後に室温に達すると、RGA が実行されます。真空システムに設置されたガス分析装置が、ポンプによって脱ガスされたさまざまなガスのスペクトルを提供します。十分にベークされた真空システムに通常存在する H 2およびその他のピークが許容レベルを超える場合、ポンプは再度ベークされます。それ以外の場合は、ポンプがピンチオフされ、ベース圧力が監視されます。ベース圧力は、イオン電流の読み取り値によって評価されます。電流の減少はコンピューターで監視され、ベース電流に達した場合にのみポンプは出荷可能になります。
長い動作寿命
すべての VacIon Plus ポンプの定格寿命は、1x10 -6 mbar の圧力で数千時間を超えます (ダイオード ポンプの場合は 50,000 時間、StarCell の場合は 80,000 時間)。多くのイオン ポンプでは、絶縁体の金属化やポンプ要素の歪みにより、定格寿命よりかなり前にメンテナンスが必要になる場合があります。すべての VacIon Plus 要素は、カソードの歪みを最小限に抑えるように設計されており (繰り返しベークアウトを行った後や高圧で起動した後でも)、絶縁体は二重凹角設計とキャップ シールドを使用してスパッタされたチタンから保護されています。
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