پمپ خلأ یونی نوعی از انواع پمپ خلأ بالا و خیلی بالا است(جهت آشنایی با محدوده‌های خلأ و ویژگی‌های آن این مقاله را مطالعه نمایید). از این نوع پمپ معمولا برای رسیدن به خلأ‌های خیلی بالا تا محدوده ^12- 10 میلی بار استفاده می‌شود. پمپ یونی از نوع پمپ‌های اشباعی می‌باشد بدین معنی که گازی که توسط پمپ تخلیه می‌شود در داخل پمپ باقی می‌ماند. پمپ‌های اشباعی پس از مدتی استفاده به مرحله اشباع می‌رسند و بایستی ذرات بدام افتاده در داخل آن تخلیه شوند ( از جمله پمپ‌های اشباعی دیگر می‌توان به پمپ‌های کرایو و جذبی اشاره کرد).

این پمپ مانند اکثر پمپ‌های خلأ بالا قادر به تخلیه در فشارهای بالا نمی‌باشد. تخلیه توسط این پمپ از فشارهای پایین‌تری از ^3-10 میلی بار شروع می‌شود و مانند سایر پمپ‌های اشباعی هرچه شروع به کار در فشار پایین‌تری انجام گیرد زمان رسیدن پمپ به حالت اشباع و درنتیجه عمر آن بیشتر می‌شود. در سیستم‌هایی که هدف رسیدن به خلأ خیلی بالا هست عمدتا پمپ یونی از محدوده ^5-10 یا ^6-10 میلی بار شروع بکار می‌کند.(شکل-1)

شکل 1- محدوده عملکرد پمپ یونی

پمپ یونی در سرعت‌های تخلیه خیلی کم از حدود چند دهم لیتر بر ثانیه تا سرعت تخلیه بالای چند هزار لیتر بر ثانیه ساخته می‌شوند.

ساختمان و نحوه عملکرد پمپ یونی

شکل 2- ساختمان و نحوه عملکرد پمپ یونی

پمپ یونی شامل دو الکترود(کاتد و آند) و یک آهن ربا(بمنظور تولید میدان مغناطیسی) است. آند معمولا به شکل استوانه و از جنس استیل ضدزنگ است. کاتد معمولا شامل دو صفحه در دو طرف استوانه بوده و از جنس تیتانیوم می‌باشد (بعنوان ماده جذب کننده یا getter). جهت میدان مغناطیسی در راستای محور آند است. یک پمپ یونی شامل تعداد زیادی از این سلولهای آنود-کاتود است که به هریک از این سلولها، سلول پنینگ Penning Cell گفته می‌شود.

با ایجاد میدان الکتریکی با اعمال ولتاژ بین 3 تا 7 کیلوولت به آند و زمین بودن ولتاژ کاتد، الکترونها از کاتد کنده شده و به سمت آند حرکت می‌کنند. با توجه به وجود میدان مغناطیسی، مسیر حرکت الکترون بصورت مارپیچی درآمده و مسافت طی شده توسط الکترون تا رسیدن به آند افزایش یافته و بالطبع احتمال برخورد الکترون با ذرات داخل سلول افزایش می‌یابد. با برخورد الکترون با ذرات در طول مسیر رسیدن به آند، ذرات باردار شده و یونها با شتاب مستقیم بسمت کاتد حرکت می‌کنند. ( با توجه به جرم بالای یونها نسبت به الکترون، میدان مغناطیسی تاثیر چندانی در حرکت یونها ندارد). با برخورد یونها به کاتد، تیتانیوم از سطح کاتد کنده شده و بر روی آند یک لایه فعال تشکیل می‌دهد( اسپاترینگ تیتانیوم) و با ایجاد ترکیب پایدار با ذراتی مانند هیدروژن، نیتروژن، دی اکسید کربن، مونواکسید کربن و غیره بر روی آند، این ذرات را از حالت گازی خارج می‌کند(Gettering). سرعت تخلیه در این حالت به میزان کنده شدن تیتانیوم بر روی سطح بستگی دارد. هرچه تعداد و انرژی ذرات برخورد کننده به کاتد بیشتر باشد میزان تیتانیوم کنده شده بیشتر بوده و سرعت تخلیه افزایش می‌یابد.

لازم به ذکر است که برخی از ذرات پس از برخورد با کاتد به داخل آن نفوذ و در کاتد دفن می‌شوند(diffused). در این حالت این ذرات بصورت موقت پمپ شده‌اند. زمانی که تعداد ذرات دفن شده در کاتد زیاد شود کاتد به حالت اشباع(Saturated) می‌رسد، در این حالت میزان گاز جذب شده توسط کاتد و میزان گاز آزاد شده از آن برابر می‌شود. هرچقدر پمپ در فشار بالاتری کار کند زمان رسیدن به اشباع سریعتر می‌شود(شکل-2).

شکل 3- زمان رسیدن به اشباع در پمپ یونی

توجه شود که رسیدن به حالت اشباع به معنی پایان عمر پمپ نیست و سرعت تخلیه پمپ پس از آن ثابت می‌شود.

در مورد گاز هیدروژن، با توجه به اندازه کوچک و نفوذ‌پذیری بالا، بخش زیادی از آن به روش نفوذ در کاتد جذب می‌شود (Diffused) و کاتد معمولا برای گاز هیدروژن اشباع نمی‌شود. علاوه برآن گاز هیدروژن واکنش پذیری بالایی نیز دارد. به دلایل ذکر شده سرعت تخلیه گاز هیدروژن در پمپ یونی 50 تا 100 درصد بیشتر از سرعت تخلیه گاز نیتروژن است.

تخلیه گازهای خنثی(Nobble gases) توسط پمپ یونی

گازهای خنثی با تیتانیوم واکنش نشان نمی‌دهند و به همین دلیل امکان تخلیه آن به روش gettering وجود ندارد. در پمپ یونی تخلیه گازهای خنثی به دو صورت انجام می‌گیرد (شکل-3).

شکل 3- نحوه تخلیه گازهای خنثی در پمپ یونی

اتم ‌های گاز خنثی با برخورد به یونهایی به سمت کاتد حرکت کرده و در داخل آن دفن می‌شوند. این تخلیه موقت بوده و تنها تا زمان اشباع کاتد انجام می‌گیرد.

مکانیسم دیگر تخلیه گازهای خنثی در پمپ یونی، دفن آنها در آند است. بسیاری از یونها با برخورد به کاتد خنثی شده و بازمی‌گردند(به داخل کاتد نفوذ نمی‌کنند). این ذرات انرژی بالایی داشته و با برخورد به اتم گازهای خنثی باعث دفن شدن اتم‌ها در لایه تیتانیومی روی آند می‌شوند. این تخلیه بصورت پایدار است.

پمپ‌های یونی دارای طراحی و ساختار های متفاوتی هستند. آنچه تا کنون توضیح داده شده به عنوان پمپ یونی دایود استاندارد شناخته می‌شود(Standard Diode). قطر سلول‌ها در این پمپ معمولا بین 15تا 25 میلیمتر است. میدان الکتریکی بین 3 تا 7 کیلو ولت و میدان مغناطیسی بین 1 تا 1/5 کیلو گاوس است.

پمپ یونی دیود استاندارد دارای عملکرد پایینی در تخلیه گازهای خنثی است(شکل 4).  مثلا در مورد گاز آرگون که حدود 1 درصد هوا را تشکیل می‌دهد، سرعت تخلیه آن تنها 6 درصد از سرعت تخلیه اسمی پمپ برای نیتروژن است. به همین دلیل پمپ‌های یونی جدید دارای طراحی‌های مختلفی مخصوصا در سیستم کاتد هستند تا بتوان سرعت تخلیه گازهای خنثی را افزایش دهند.

شکل 4- سرعت تخلیه پمپ یونی دایود برای گازهای مختلف

پمپ یونی با ساختار نابل دایود Nobble Diode

در این پمپ یونی از یک صفحه از جنس تانتالوم و یک صفحه تیتانیومی برای کاتد استفاده شده است(شکل 5). استفاده از تانتالوم باعث بازتاب بیشتر ذرات با انرژی بالاتر از کاتد شده و فرآیند به دام اندازی گازهای خنثی افزایش می‌یابد. سرعت تخلیه گازهای خنثی در این طراحی حدود 20 درصد سرعت تخلیه اسمی پمپ برای هوا است. مشکل این ساختار در این است که عملکرد اسپاترینگ کمتر شده و سرعت تخلیه کلی پمپ حدود 15 درصد کاهش می‌یابد. علاوه برآن قیمت تمام شده پمپ بالاتر است.

شکل 5- نحوه عملکرد پمپ یونی Nobble Diode

پمپ یونی ترایاد Triode Ion Pump

در این نوع پمپ یونی، کاتد بصورت یک شبکه بوده و مانند دایود صفحه نیست(شکل-6). علاوه برآن ولتاژ آند زمین شده و ولتاژ کاتد منفی 3 تا 7 کیلوولت می‌گردد. با توجه به شکل کاتد احتمال بازتاب ذرات خنثی از سطح کاتد افزایش می‌یابد درحالی که فرآیند اسپاترینگ تیتانیوم نیز بخوبی انجام می‌گیرد. به همین دلیل سرعت تخلیه گازهای خنثی افزایش می‌یابد. در این نوع پمپ یونی سرعت تخلیه برای فشارهای بالا‌تر از ^6-10 میلی بار از پمپ دایود بیشتر است.

شکل 6- ساختمان و نحوه عملکرد پمپ یونی ترایود

پمپ یونی Starcell

این نوع پمپ یونی نمونه بهینه شده پمپ Triode می‌باشد و شکل کاتد در آن مانند شکل زیر است.

شکل 7- ساختار سلول ها در پمپ یونی Starcell

طول عمر پمپ یونی Starcell می‌تواند تا 50 درصد بیشتر از پمپ یونی دایود باشد.

اندازه‌گیری فشار با استفاده از پمپ یونی

با توجه به اینکه پمپ یونی و سلولهای پنینگ آن عملکردی مشابه فشارسنج پنینگ دارند، از این پمپ‌ها برای اندازه‌گیری فشار در محدوده‌ای مشابه فشارسنج پنینگ نیز می‌توان استفاده نمود.

نحوه اتصال پمپ یونی به محفظه خلأ

از آنجایی که پمپ یونی یک پمپ اشباعی است نیاز به پمپ پشتیبان ندارد اما با توجه به اینکه نمیتواند از فشار اتمسفر عمل تخلیه را انجام دهد لازم است تا محفظه پیش از شروع به کار پمپ یونی حداقل تا فشار یک هزارم میلی بار تخلیه شود. این تخلیه را می‌توان با استفاده از یک پمپ روتاری دومرحله‌ای و یا پمپ جذبی ایجاد نمود. در سیستم‌های خلأ خیلی بالا و برای افزایش طول عمر پمپ یونی از ترکیب یک پمپ خشک، پمپ توربو و پمپ یونی استفاده می‌شود. پمپ یونی پس از رسیدن محفظه به فشار ^5-10 میلی بار می‌تواند شروع به کار کند.

توجه شود که برای اتصال پمپ یونی به محفظه معمولا از دهانه‌های استاندارد CF مختص برای خلأ بالا و خیلی بالا استفاده می‌شود.

کاربردهای پمپ یونی

مهمترین کاربردهای پمپ یونی عبارتند از:

• انواع میکروسکوپ‌های الکترونی(SEM و TEM)
• سیستم‌های اندازه‌گیری حساس مانند طیف سنج جرمی و آنالیز سطح
• برخی از انواع تفنگ الکترونی
• تجهیزات آزمایشگاهی با خلأ خیلی بالا
• برخی از تجهیزات پزشکی آزمایشگاهی مانند رادیولوژی، MRI  و پرتودرمانی
• ساخت سیستم‌های اپتیکی مانند CCD ها و تلسکوپ‌ها

مزایا و معایب پمپ‌های یونی

مهمترین مزایای پمپ یونی

• ساختار ساده و غیرمکانیکی
• امکان رسیدن تا خلأ خیلی بالا
• خلأ بسیار تمیز(مناسب خلأ خیلی بالا)
• قابل نصب در هر راستا
• قیمت نه چندان بالا
• تعمیرات و نگهداری ساده
• عدم لرزش و سروصدا(بخاطر ساختار غیرمکانیکی)
• قابلیت استفاده همزمان به عنوان فشارسنج
• تولید در سایزهای کوچک تا بزرگ
• امکان پیش‌گرم کردن پمپ(Baking)
• توان مصرفی پایین

مهمترین معایب پمپ یونی

• سیستم اشباعی(نیاز به احیاء)
• عدم امکان تخلیه حجم بالای گاز
• کارآیی پایین برای گازهای خنثی
• نیاز به تعویض صفحات آند و کاتد پس از مدتی استفاده
• غیرقابل استفاده در محیط‌های حساس به میدان مغناطیسی
• استفاده از سیستم ولتاژ بالا( نیاز به یک رابط ولتاژ بالا و یک کنترلر برای تولید ولتاژ بالا)

نکاتی پیرامون استفاده بهینه از پمپ یونی

• مطالعه کامل راهنمای پمپ
• عدم استفاده در فشارهای بالا
  • بهترین فشار شروع به کار  ^5-10 میلی بار
• رعایت کامل شرایط تمیزی مختص محیط خلأ خیلی بالا
• استفاده از پمپ پشتیبان بمنظور افزایش عمر پمپ
• انجام Bake out بصورت دوره‌ای

شرکت پایاصنعت خلأ، ارائه دهنده خدمات تخصصی در زمینه انواع پمپ‌های خلأ. جهت مشاوره و یا سفارش انواع پمپ خلأ، با ما تماس بگیرید.