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イオンポンプ（スパッタイオンポンプとも呼ばれる）は、金属ゲッターをスパッタリングすることで動作する真空ポンプの一種です。理想的な条件下では、イオンポンプは10 −11 mbarという低い圧力に達することができます。 [1]イオンポンプは、まず取り付けられた容器内のガスをイオン化し、通常3～7 kVの強い電位を使用してイオンを固体電極に加速します。電極の小さな破片がチャンバー内にスパッタされます。ガスは、反応性の高いスパッタされた材料の表面との化学反応と、その材料の下に物理的に捕捉されることの組み合わせによって捕捉されます。
歴史
放電によるポンピングの最初の証拠は、真空管での放電に関する初期の実験を行ったユリウス・プルッカーによって1858年に発見されました。[2] [3] 1937年、フランス・ミシェル・ペニングは冷陰極真空計の動作でポンピングの証拠を観察しました。[4]これらの初期の効果はポンピングが比較的遅かったため、商品化されませんでした。大きな進歩は1950年代にバリアン・アソシエイツが真空管の性能、特にクライストロン内の真空の改善を研究していたときに起こりました。1957年、ルイス・D・ホール、ジョン・C・ヘルマー、ロバート・L・ジェプセンは、大幅に改良されたポンプの特許を申請しました[5] 。これは真空チャンバーを超高真空圧にすることができる最も初期のポンプの1つでした。
動作原理
一般的なイオンポンプの基本要素はペニングトラップです。[6]放電によって生成された電子の渦巻く雲は、ペニングトラップの陽極領域に一時的に保存されます。これらの電子は、入ってくるガス原子と分子をイオン化します。結果として生じる渦巻くイオンは加速され、化学的に活性な陰極（通常はチタン）に衝突します。 [7]衝突すると、加速されたイオンは陰極内に埋め込まれるか、陰極材料をポンプの壁にスパッタします。スパッタされたばかりの化学的に活性な陰極材料はゲッターとして機能し、化学吸着と物理吸着の両方によってガスを排出し、結果として正味のポンプ作用をもたらします。HeやH 2などの不活性で軽いガスはスパッタリングされにくく、物理吸着によって吸収されます。エネルギーの高いガスイオン（陰極材料と化学的に活性でないガスを含む）の一部は陰極に衝突し、表面から電子を獲得し、跳ね返る際に電子を中和することができます。これらの跳ね返るエネルギー中性粒子は露出したポンプ表面に埋もれている。[8]
このような捕捉方法のポンピング速度と容量は、収集される特定のガス種とそれを吸収するカソード材料に依存します。一酸化炭素などの一部の種は、カソード材料の表面に化学的に結合します。水素などの他の種は、金属構造に拡散します。前者の例では、カソード材料がコーティングされると、ポンピング速度が低下する可能性があります。後者の場合、速度は水素の拡散速度によって固定されます。
種類
イオンポンプには、従来型または標準ダイオードポンプ、貴ダイオードポンプ、および三極管ポンプの3つの主なタイプがあります。[9]
標準ダイオードポンプ
標準ダイオードポンプは、高真空プロセスで使用されるイオンポンプの一種で、貴ダイオードポンプとは対照的に、化学的に活性なカソードのみを備えています。[9] スパッタイオンポンプとオービトロンイオンポンプの2つのサブタイプに区別できます。
スパッタイオンポンプ
スパッタイオンポンプでは、2枚のカソードプレートの間に1つまたは複数の中空アノードが配置され、アノードセル内の電子の経路を増強するために、アノードの軸に平行な強力な磁場がかけられます。[5]
オービトロンイオンポンプ
オービトロン真空ポンプでは、電子は、通常は円筒形のワイヤまたはロッドの形をした中央の陽極と、通常は円筒形の壁またはケージの形をした外側または境界陰極の間を螺旋軌道で移動します。電子の軌道移動は磁場を使用せずに達成されますが、弱い軸方向の磁場が使用される場合もあります。[10]
貴金属ダイオードポンプ
貴金属ダイオードポンプは、高真空用途で使用されるイオンポンプの一種で、チタンなどの化学反応性カソードと、タンタルでできた追加のカソードの両方を採用しています。タンタルカソードは、中性粒子の反射と埋め込みのための高慣性結晶格子構造として機能し、不活性ガスイオンのポンピング効率を高めます。[9]貴金属ダイオードで大量の水素を断続的にポンピングする場合は、数か月かけてタンタルから水素が再放出される可能性があるため、細心の注意を払って行う必要があります。
アプリケーション
イオンポンプは、10 −11 mbar未満の到達圧力を達成できるため、超高真空(UHV) システムでよく使用されます。[1]ターボ分子ポンプや拡散ポンプなどの他の一般的な UHV ポンプとは対照的に、イオンポンプには可動部品がなく、オイルを使用しません。そのため、清潔で、メンテナンスがほとんど必要なく、振動も発生しません。これらの利点により、イオンポンプは、走査型プローブ顕微鏡、分子線エピタキシー、その他の高精度装置 での使用に適しています。
過激派
最近の研究では、イオンポンプから逃げるフリーラジカルがいくつかの実験結果に影響を及ぼす可能性があることが示唆されている。 [11]
参照
参考文献
- ^ ab 「イオンポンプ」(PDF)。Agilent 。2016年 3 月 4 日のオリジナル(PDF)からアーカイブ。2015 年 9 月 17 日閲覧。
- ^ プリュッカー、ジュリアス(1858)。 「III. Fortgesetzte Beobachtungen über die elektrische Entladung」(PDF)。Annalen der Physik und Chemie (ドイツ語)。181 (9): 67.土井:10.1002/andp.18581810904。
- ^ Hall, LD (1958 年 8 月 8 日). 「イオン真空ポンプ: ガス粒子を除去する代わりに、一部の新型ポンプは単にガス粒子を固相に移すだけ」. Science . 128 (3319). アメリカ科学振興協会 (AAAS): 279–285. doi :10.1126/science.128.3319.279. ISSN 0036-8075.
- ^ ペニング、FM (1937)。 「Ein neues manometer für niedrige Gasdruckere, insbesondere zwischen 10 −3 und 10 −5 mm」。フィジカ（ドイツ語）。４（２）。エルゼビア BV: 71–75。土井：10.1016/s0031-8914(37)80123-8。ISSN 0031-8914。
- ^ ab US 2993638、1961年7月25日発行
- ^ キャンバーズ、A.、「現代の真空物理学」、CRC プレス (2005)
- ^ Weissler, GL および Carlson, RW 編著、実験物理学の方法; 真空物理学と技術、第 14 巻、Academic Press Inc.、ロンドン (1979)
- ^ ムーア、JH; デイビス、CC; コプラン、MA; グリア、S. (2003)。科学装置の構築。ウェストビュープレス。ISBN 0-8133-4006-3。
- ^ abc スパッタイオンポンプによるヘリウムと水素の排気パート II
- ^ US 3371853
- ^ J. Zikovsky; SA Dogel; AJ Dickie; JL Pitters; RA Wolkow (2009). 「UHV における水素終端 Si(100) 表面とイオンポンプ生成ラジカルの反応」Journal of Vacuum Science and Technology A . 27 (2): 248. doi :10.1116/1.3071944.
出典
- 「Agilent イオンポンプ、初期の歴史」(PDF)。
- Hablanian、Marsbed。「ゲッタリングとイオンポンピング」。高真空技術：実用ガイド。ISBN 082478197X2006年5月9日時点のオリジナルよりアーカイブ。
- 「スパッタイオンポンプ」(PDF)。ポール・シェラー研究所。
外部リンク
- イオンポンプの紹介 2011-03-21 にWayback Machineでアーカイブ