Vakuumtechnik Ionengetterpumpe

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Quelle: DESY

Vakuumpumpe, die zur Evakuierung von Teilchenbeschleunigern zum Einsatz kommt.


In Getterpumpen sind keine beweglichen, mechanischen Teile zu finden. Die Gasmoleküle werden vielmehr im Innern der Pumpe am so genannten Gettermaterial chemisch gebunden.

Dazu wird das Gas ionisiert und dann mit Hilfe einer Hochspannung auf das Gettermaterial (zum Beispiel Titan) beschleunigt. Dabei wird die Oberfläche durch die auftreffenden Gasionen zerstäubt. Das frei gewordene Titan bindet die Gasmoleküle chemisch an sich und setzt wieder sich an den Innenwänden der Pumpe ab.

Dies funktioniert allerdings nicht mit Edelgasen, da diese chemisch äußerst schwer reagieren. Dennoch werden auch diese in der Pumpe gebunden; nicht chemisch, sondern indem sie einfach so tief in die Titanwände geschossen werden, dass sie dort gefangen bleiben.


Ionengetterpumpe.bmp

Quelle: http://www.vias.org


Die Funktion der Getterpumpen beruht auf der Idee, ständig "frische" Oberflächen zu erzeugen, an denen die Gasmoleküle durch Adsorption festgehalten werden. Dies kann auf zwei Arten erreicht werden:

Kathodenzerstäubung

Die Ionenzerstäuberpumpe besteht aus 2 massiven Titankathoden und einer zwischen ihnen liegenden wabenähnlichen Anode A, an die eine elektrische Gleichspannung von einigen tausend Volt gelegt wird. Zusätzlich wird die Anordnung von einem konstanten starken Magnetfeld durchsetzt, dessen Feldlinien senkrecht auf die Kathoden stehen. Die hohe Spannung erzeugt eine Gasentladung, die zur Erosion der Titankathoden führt. Das Titan schlägt sich dann auf der Anode und im restlichen Pumpenraum nieder und erzeugt dadurch die notwendigen "frischen" Getterflächen.


Quelle: Wikipedia

Die Ionengetterpumpe ionisiert die Restgaspartikel (Atome oder Moleküle) durch Elektronenstoß Diese werden dann durch ein elektrisches Feld auf eine Oberfläche beschleunigt, wo sie chemisch gebunden oder implantiert werden und sind damit dem Restgas entzogen. Beim Auftreffen der Ionen auf die Oberfläche werden Elektronen freigesetzt, diese können weitere Restgaspartikel ionisieren. Chemisch reaktive Moleküle werden auch ohne vorherige Ionisation beim Auftreffen auf ein Gettermaterial (normalerweise Titan) gebunden. Die Pumpe befördert das Restgas demzufolge nicht aus der Vakuumkammer, sondern hält die gepumpten Atome nur an den Pumpeninnenflächen fest bzw. „vergräbt“ sie im Metall. Daher hat die Ionengetterpumpe auch keine Gasauslaßöffnung.

Beim Auftreffen der Ionen auf die Titan-Oberfläche werden Atome aus der Oberfläche herausgeschlagen („Kathodenzerstäubung“, daher auch der Name „Ionenzerstäuberpumpe“). Dadurch wird immer wieder frisches Titan auf den Elektroden abgelagert, die Getter-Schicht also permanent erneuert.

Um eine effektivere Ionisation der Restgasatome oder -moleküle zu erreichen, sollen die Elektronen eine möglichst große Strecke bis zum Auftreffen auf die Titan-Oberfläche zurücklegen. Man erreicht das durch ein Magnetfeld, welches die Elektronen auf eine längere, schraubenlinienförmige Bahn zwingt.

Getterpumpen können erst dann eingesetzt werden, wenn im Hochvakuum verhältnismäßig geringe Gasmengen abgepumpt werden sollen. Mit Ionengetterpumpen kann dann ein wesentlich niedrigerer Druck erreicht werden, dieser kann unter optimalen Voraussetzungen ca. 10-11 mbar sein. Ionengetterpumpen sind für Edelgase nicht sehr gut geeignet, weil abgepumptes Edelgas chemisch nicht gebunden werden kann und unter Umständen wieder frei gesetzt wird.

Ionengetterpumpen haben keine bewegten Teile, sind daher wartungsfrei und benötigen zum Betrieb nur eine Hochspannungsversorgung (Gleichspannung, je nach Pumpentyp 3000–7000 V).