이온 펌프

이온 펌프(ion pump) 또는 스퍼터 이온 펌프(sputter ion pump)는 금속 게터를 스퍼터링하여 작동하는 진공펌프의 한 종류이다. 이상적인 조건에서 이온 펌프는 10−11 mbar만큼 낮은 압력에 도달할 수 있다. 이온 펌프는 먼저 연결된 용기 내부의 가스를 이온화하고 일반적으로 3–7 kV의 강한 전위를 사용하여 이온을 고체 전극으로 가속한다. 전극의 작은 조각들이 챔버로 스퍼터링된다. 가스들은 반응성이 높은 스퍼터링된 물질 표면과의 화학 반응과 그 물질 아래에 물리적으로 갇히는 조합을 통해 포집된다.

역사
전기 방전에 의한 펌핑의 첫 증거는 1858년 율리우스 플뤼커에 의해 발견되었는데, 그는 진공관에서 전기 방전에 대한 초기 실험을 했다. 1937년, 프란스 미셸 페닝은 자신의 냉음극 게이지 작동에서 펌핑의 일부 증거를 관찰했다. 이러한 초기 효과는 펌핑이 상대적으로 느렸고, 따라서 상업화되지 않았다. 1950년대에 배리언 어소시에이츠가 진공관의 성능, 특히 속도변조관 내부의 진공을 개선하는 연구를 하면서 큰 발전이 이루어졌다. 1957년, 루이스 D. 홀, 존 C. 헬머, 로버트 L. 젭슨은 초고진공 압력으로 진공 챔버를 만들 수 있는 크게 개선된 펌프에 대한 특허를 출원했다.

작동 원리
일반적인 이온 펌프의 기본 요소는 페닝 트랩이다.Cambers, A., "Modern Vacuum Physics", CRC Press (2005) 전기 방전에 의해 생성된 소용돌이치는 전자 구름은 페닝 트랩의 양극 영역에 일시적으로 저장된다. 이 전자들은 들어오는 가스 원자와 분자를 이온화한다. 결과적으로 소용돌이치는 이온들은 화학적으로 활성인 캐소드(주로 타이타늄)를 때리도록 가속된다.Weissler, G.L. and Carlson, R.W., editors, Methods of Experimental Physics; Vacuum Physics and Technology, Vol. 14, Academic Press Inc., London (1979) 충돌 시 가속된 이온들은 캐소드 내부에 매립되거나 펌프 벽에 캐소드 물질을 스퍼터링한다. 새로 스퍼터링된 화학적으로 활성인 캐소드 물질은 게터 역할을 하여 화학흡착과 물리흡착을 통해 가스를 배출하여 순 펌핑 작용을 한다. He 및 H2와 같은 불활성 및 가벼운 가스는 스퍼터링되는 경향이 없으며 물리흡착에 의해 흡수된다. 에너지 있는 가스 이온의 일부(캐소드 물질과 화학적으로 활성되지 않은 가스 포함)는 캐소드를 때려 표면에서 전자를 얻어 반발하면서 중성으로 변한다. 이 반발하는 에너지 있는 중성 물질은 노출된 펌프 표면에 매립된다.

이러한 포획 방법의 펌핑 속도와 용량은 수집되는 특정 가스 종과 이를 흡수하는 캐소드 물질에 따라 달라진다. 일산화탄소와 같은 일부 종은 캐소드 물질의 표면에 화학적으로 결합한다. 수소와 같은 다른 종은 금속 구조로 확산된다. 전자의 경우, 캐소드 물질이 코팅되면 펌프 속도가 떨어질 수 있다. 후자의 경우, 속도는 수소가 확산되는 속도에 의해 고정된다.

종류
이온 펌프에는 재래식 또는 표준 다이오드 펌프, 노블 다이오드 펌프 및 삼극관 펌프의 세 가지 주요 유형이 있다.

표준 다이오드 펌프
표준 다이오드 펌프는 고진공 공정에 사용되는 이온 펌프의 일종으로, 노블 다이오드 펌프와 달리 화학적으로 활성인 캐소드만 포함한다.
두 가지 하위 유형으로 구별할 수 있다. 스퍼터 이온 펌프와 오비트론 이온 펌프이다.

스퍼터 이온 펌프
스퍼터 이온 펌프에서는 하나 이상의 속이 빈 양극이 두 개의 캐소드 판 사이에 배치되며, 양극 셀 내 전자의 경로를 늘리기 위해 양극 축과 평행한 강한 자기장이 사용된다.

오비트론 이온 펌프
오비트론 진공 펌프에서 전자들은 일반적으로 원통형 와이어 또는 로드 형태의 중앙 양극과 일반적으로 원통형 벽 또는 케이지 형태의 외부 또는 경계 캐소드 사이에서 나선형 궤도를 따라 이동한다. 전자의 궤도 운동은 자기장을 사용하지 않고도 달성되지만, 약한 축방향 자기장이 사용될 수도 있다.

노블 다이오드 펌프
노블 다이오드 펌프는 고진공 응용 분야에 사용되는 이온 펌프의 한 종류로, 타이타늄과 같은 화학적으로 반응성이 있는 캐소드와 탄탈럼으로 구성된 추가 캐소드를 모두 사용한다. 탄탈럼 캐소드는 중성 입자의 반사 및 매립을 위한 높은 관성을 가진 결정 격자 구조 역할을 하여 불활성 가스 이온의 펌핑 효율을 높인다. 노블 다이오드로 간헐적으로 많은 양의 수소를 펌핑할 때는 매우 주의해야 한다. 수소가 몇 달에 걸쳐 탄탈럼에서 재방출될 수 있기 때문이다.

응용 분야
이온 펌프는 10−11 mbar 미만의 궁극 압력을 얻을 수 있으므로 초고진공 (UHV) 시스템에서 일반적으로 사용된다. 터보분자 펌프나 확산 펌프와 같은 다른 일반적인 UHV 펌프와 달리 이온 펌프는 움직이는 부품이 없고 오일을 사용하지 않는다. 따라서 깨끗하고 유지보수가 거의 필요 없으며 진동이 발생하지 않는다. 이러한 장점으로 인해 이온 펌프는 주사 탐침 현미경, 분자선 에피택시 및 기타 고정밀 장치에 사용하기에 매우 적합하다.

라디칼
최근 연구에 따르면 이온 펌프에서 탈출하는 자유 라디칼이 일부 실험 결과에 영향을 미칠 수 있다고 한다.

 같이 보기 
 전기삼투 유동
 마르클룬드 대류

 각주 

출처




 외부 링크 
 An Introduction to Ion Pumps 

분류:진공 펌프