Gettering Pumps

Gettering Pumps در سیستم های خلاء

سیستم های خلاء، از منظر فشار و میزان خلاء به سه دسته تقسیم می شوند. آنها شامل سیستم های خلاء، سیستم های خلاء بالا و سیستم های با خلاء فوق العاده بالا هستند. رسیدن به خلاء مطلوب و حفظ آن، یکی از مسائل و دغدغه ها در سیستم های خلاء است. پمپ های خلاء، ابزاری کاربردی در این زمینه هستند. به منظور دستیابی به محدوده فشاری سیستم های خلاء بالا، معمولا از پمپ توربومولکولار استفاده می شود. پمپ توربومولکولار، یکی از انواع پمپ های خلاء است. اما پمپ توربومولکولار برای رسیدن به محدوده خلاء فوق العاده بالا مناسب نمی باشد. Getter پمپ ها، دسته ای از پمپ های خلاء هستند. آنها در سومین مرحله پمپاژ و برای رسیدن به خلاء فوق العاده بالا مورد استفاده قرار می گیرند.

مکانیزم Gettering در Getter پمپ ها

Getter پمپ ها، از مکانیزم Gettering (گرفتن) استفاده می کنند. تقریبا از زمانی که فناوری خلاء به وجود آمده است، مکانیزم Gettering وجود داشته است. این مکانیزم، یک روش پمپاژ می باشد. از نظر تاریخی اولین استفاده از این شیوه، به مراحل اولیه ساخت لوله های الکترونی برمی گردد.

اساس مکانیزم Gettering، جذب برخی از گازها توسط برخی از مواد است. در نتیجه، منجر به حذف آن ها از محیط می شود. Getter پمپ ها در دسته کلی Capture پمپ ها، همراه با کرایو و اسپاتر– یون پمپ ها(sputter-ion pumps) قرار می گیرند. مکانیزم Gettering در Getter پمپ ها را می توان به دو دسته فیزیکی و شیمیایی تقسیم کرد.

گیرنده های فیزیکی

گیرنده های فیزیکی (Physical Getters)، یکی از انواع Getter پمپ ها هستند. آنها اغلب در کریواستات ها(Cryostats) و Dewars یافت می شوند. در این سیستم ها ماده زئولیت مانند غربال مولکولی برای جذب فیزیکی و نگه داشتن بخار آب استفاده می شود. غربال مولکولی در شرایطی خاص، گازهای معمول موجود در هوا را جذب می کند و نگه می دارد. این شرایط به شکل، تماس با یک سطح در دمای نیتروژن مایع با اتصال حرارتی مناسب است. این همان تکنیک پمپاژی است که توسط پمپ های Cryosorption استفاده می شود.

گیرنده های شیمیایی

معمولا وقتی از Gettering صحبت می شود منظور گیرنده های شیمیایی هستند. آنها دسته دیگری از انواع Getter پمپ ها به حساب می آیند. یک گیرنده شیمیایی (Chemical Getter) عمل پمپاژ را از طریق یک واکنش شیمیایی، انجام می دهد. یک گاز فعال شیمیایی با یک فلز فعال ترکیب می شود تا ترکیب جامدی با فشار بخار کم، بسازد. فلز فعال می تواند یک عنصر یا آلیاژ باشد که آن را فلز گیرنده (Getter Metal (GM)) می نامند. واکنش گازهای فعال شیمیایی با فلز گیرنده تقریبا یک طرفه است. همه آنها یک ترکیب سرامیکی با فشار بخار کم تشکیل می دهند. در نتیجه آن، گاز فعال به طور دائم از محفظه خلاء خارج می شود.

گازهای بی اثر به دلیل بی اثر بودن به هیچ وجه پمپ نمی شوند و با فلز گیرنده واکنشی نشان نمی دهند. هیدروژن(H2) گاز متفاوتی است که در واکنش با فلز، یک ترکیب شیمیایی تشکیل نمی دهد. هیدروژن فقط در فلز گیرنده حل می شود تا یک محلول جامد تشکیل دهد. گیرنده های شیمیایی را می توان به دو دسته جدا تقسیم کرد. گیرنده های تبخیری و غیر تبخیری.

گیرنده های تبخیری

گیرنده های تبخیری (Evaporable Getters) معمولا در لوله های الکترونی استفاده می شوند. در لوله های الکترونی، پوشش آینه مانند فلزی، به راحتی مشاهده می شود. با رسیدن به فشار مناسب شروع کار Getter Pump، فلز (باریم یا آلیاژ باریم) به اندازه کافی گرم می شود. در نتیجه فلز گیرنده، تبخیر شده و بخار آن در داخل لوله متراکم می شود. بخارات موجود در لوله یک لایه واکنش پذیر ایجاد می کنند. آن لایه حتی پس از قطع شدن لوله از Getter پمپ، به عنوان یک پمپ داخلی عمل می کند. نمونه رایج دیگر از این نوع Getter پمپ ها، پمپ تصعید تیتانیوم (Titanium Sublimation Pump (TSP)) است.

پمپ تصعید تیتانیوم

در این Getter پمپ ها، فلز به طور مستقیم/غیر مستقیم تا دمای تصعید (۱۴۵۰ درجه سانتیگراد)، گرم می شود. این فلز می تواند یک رشته آلیاژ تیتانیوم/مولیبدن باشد که به طور مستقیم گرم می شود. یا یک توده تیتانیوم باشد که به طور غیر مستقیم گرم می گردد. (تصعید به معنی تغییر حالت مستقیم از فاز جامد به فاز گاز است، بدون اینکه ماده وارد فاز مایع شود.)

پمپ تصعید تیتانیوم

سپس بخار تیتانیوم روی سطح داخلی محفظه می چگالد. این لایه نازک ایجاد شده از تیتانیوم به پمپ گازهای فعال و H2 تبدیل می شود. سرعت پمپاژ فیلم چگال شده به طور مستقیم با مساحت کل فیلم متناسب است. سرعت پمپاژ لایه نازک تازه ایجاد شده در اثر واکنش با گاز موجود در محفظه (عمل پمپاژ) کاهش می یابد. طول عمر لایه نازک بستگی به مقدار گازی دارد که پمپاژ می شود. هرچه مقدار گاز بیشتر باشد، طول عمر لایه نازک کوتاه تر خواهد بود. اگر مقدار گاز زیاد باشد، منبع تیتانیوم برای حفظ سرعت پمپاژ نیاز به شارژ متناوب لایه نازک دارد. این مسئله می تواند، مشکل ایجاد کند.

شماتیک TSP داخل محفظه خلاء

مشکل آزاد شدن هیدروژن

منبع تیتانیوم پس از سرد شدن با هیدروژن اشباع می شود و گرم شدن مجدد آن هیدروژن آزاد می کند. در نتیجه این چرخه دمایی بالا و پایین، منجر به افزایش فشار می شود. راه حل بالقوه، نگه داشتن منبع در دمای بالا، اما پایین تر از دمای تصعید، در همه زمان ها است. مشکل بعدی، ناشی از لایه بندی لایه جدید تیتانیوم روی تیتانیوم اشباع شده است. این پدیده لایه‌های فیلم را به حدی تحت تأثیر قرار می‌دهد که منجر به ترک خوردگی لایه ها می شود. به علاوه، پوسته شدن آنها را نیز به دنبال دارد. علاوه بر‌این، حل شدن گاز H2 در تیتانیوم موجب تشدید این اثر می شود. علت آن این است که حجم لایه نازک، با مقدار H2 حل شده افزایش می‌یابد. این تأثیرات می توانند باعث ایجاد ذرات در محفظه خلاء شوند که نتایج فاجعه آمیزی در برخی فرآیندها دارد.

در خلاء فوق العاده بالا، که مقدار گاز موجود در محیط کم است، طول عمر فیلم بسیار طولانی است. TSP ها منبعی تمیز، کارآمد و اقتصادی به منظور پمپاژ سریع در این سیستم های خلاء، به شمار می آیند.

گیرنده های غیر تبخیری

Getter پمپ هایی اند که به جای تبخیر و تراکم در سطح، در حالت جامد باقی می مانند. گیرنده های غیر تبخیری (Non-Evaporable Getters(NEG)) معمولاً، اما نه همیشه، آلیاژهای زیرکونیوم هستند. آنها می توانند به هر شکل جامدی باشند. آنها اغلب به صورت تکه یا گلوله مشاهده می شوند. در مواردی هم به صورت لایه نازک نشانده شده روی زیرلایه های فلزی، استفاده می شوند.

شماتیک عملکرد پمپ NEG

فرایند فعال سازی در پمپ های NEG

پمپ های NEG نیاز به فرایند فعال سازی دارند. وقتی مواد گیرنده NEG در معرض هوا برای جابجایی یا بارگیری در سیستم یا دستگاه قرار می گیرند، سطح مواد با گازهای موجود در اطراف، واکنش می‌یابد. در نتیجه آن، یک لایه غیر فعال اشباع شده روی سطح آن ها تشکیل می شود. این بدان معنی است که NEG کاملا در حصاری از اکسیدها، نیتریدها و غیره محصور خواهد شد. علاوه بر‌این، بخش عمده ای از مواد با H2 حل شده اشباع می‌شوند. در این شرایط، ماده گیرنده اساسا بی اثر خواهد بود. به علاوه، نمی تواند نقش گیرنده فعال که به عنوان پمپ عمل کند را ایفا نماید. بنابراین برای آماده سازی سطح گیرنده به منظور پمپاژ مناسب، نیاز است تا فرایند فعال سازی انجام شود. این کار پس از نصب پمپ و با گرم کردن تحت خلاء انجام می شود.

گرم کردن تحت خلاء

فرآیند فعال سازی

در حین گرم شدن، لایه اولیه واکنش یافته به داخل حجم NEG پخش می شود. H2 از محلول جامد به داخل محفظه خلاء رانده و با یک پمپاژ مناسب از محفظه خارج می شود. زمان و دمای مورد نیاز برای فعال سازی گیرنده برای آلیاژهای مختلف، متفاوت خواهد بود. به علاوه، این فرایند باید مطابق با روال توصیه شده توسط سازنده انجام شود. میزان خلاء مورد نیاز بستگی به کاربرد خلاء دارد. معمولاً فشار حداقل ۴-۱۰ تور لازم است. زمان پمپاژ باید به اندازه کافی طولانی باشد تا از خروج H2 رها شده اطمینان حاصل شود.

با واکنش گازهای واکنش پذیر موجود در محفظه خلاء با سطح NEG، گازها از محفظه خارج می شوند. این فرایند تا زمانی که سطح NEG اشباع شود و گازها مجددا موجب شکل گرفتن لایه ای غیر فعال روی آن شوند، می تواند ادامه داشته باشد.

قسمت های مختلف یک پمپ NEG

فعال سازی مجدد

در سیستم های خلاء فوق العاده بالا، ممکن است سال‌ها طول بکشد تا پمپ به این نقطه برسد. در فرآیند خلاء با مقدار زیاد گاز، ممکن است پمپ در چند دقیقه یا چند ساعت به این نقطه برسد. در سیستم هایی که به طور مکرر تحت فشار جو قرار می گیرند، باید سطح NEG مجدد فعال سازی شود. مواد NEG در معرض هوا یا گاز فعال دیگری مانند N2 قرار گیرند، نیاز به فعال سازی مجدد می یابند.

برای حل این مشکل در یک سیستم چرخه ای، می توان محفظه را به جای گاز فعال با آرگون هوادهی کرد. راه دیگر این است که Getter Pump را درون یک محفظه جداگانه قرار داد. سپس با یک شیر مناسب از محفظه خلاء جدا نمود. استفاده از Gasket های وایتون در Getter پمپ ها نیز مسئله ای دیگر است. قابلیت نفوذ پذیری نسبی گاز به این Gasket ها، منجر به نفوذ مقداری هوا به درون سیستم ها می شود. به منظور افزایش کارآمدی Getter پمپ ها، به جای Gasket می توان از واشر های فلزی استفاده کرد.

سیستم های لایه نشانی در خلاء

سیستم های لایه نشانی در خلاء، ساخت شرکت پوشش های نانو ساختار، دارای پمپ پشتیبان، می باشند. اما برخی از این سیستم های خلاء علاوه بر پمپ پشتیبان مجهز به پمپ توربومولکولار نیز هستند. این سیستم های خلاء، از نوع سیستم های خلاء بالا اند. برای کاهش بیشتر فشار جهت بهبود کیفیت لایه نازک لایه نشانی شده، می توان از Getter پمپ ها استفاده کرد. این Getter پمپ ها به عنوان پمپ سوم برای رسیدن به محدوده خلاء فوق العاده بالا استفاده می شوند. در صورت تمایل به افزودن پمپ سوم برای محدوده خلاء فوق العاده بالا روی سیستم های لایه نشانی در خلاء ساخت شرکت پوشش های نانو ساختار، با این شرکت تماس بگیرید.

منابع

1. http://www.normandale.edu/departments/stem-and-education/vacuum-and-thin-film-technology/learning-in-a-vacuum—what-to-expect/articles/how-to-use-getters-and-getter-pumps
2. https://uspas.fnal.gov/materials/17UCDavis/Vacuum/USPAS%202017%20Vacuum%20Session%204_3%20Getters.pdf
3. https://www.edwardsvacuum.com/en/our-products/uhv-pumps