مضخة أيونية

مضخة الأيونات ( وتُعرف أيضًا بمضخة الأيونات بالرش ) هي نوع من مضخات التفريغ تعمل عن طريق رش مادة معدنية ماصة . في الظروف المثالية، تستطيع مضخات الأيونات الوصول إلى ضغوط منخفضة تصل إلى 10⁻¹¹ ^ملي  بار. ^{[ 1 ]} تقوم مضخة الأيونات أولًا بتأيين الغاز داخل الوعاء المتصل بها، وتستخدم جهدًا كهربائيًا قويًا، يتراوح عادةً بين 3 و7  كيلو فولت، لتسريع الأيونات نحو قطب كهربائي صلب. تُرش أجزاء صغيرة من القطب الكهربائي داخل الحجرة. تُحاصر الغازات من خلال مزيج من التفاعلات الكيميائية مع سطح المادة المرشوشة شديدة التفاعل، بالإضافة إلى انحصارها فيزيائيًا أسفل تلك المادة.

عُثر على أول دليل على الضخ الناتج عن التفريغ الكهربائي عام 1858 على يد يوليوس بلوكر ، ^{[ 2 ] [ 3 ]} الذي أجرى تجارب مبكرة على التفريغ الكهربائي في أنابيب التفريغ. وفي عام 1937، لاحظ فرانس ميشيل بينينغ بعض الأدلة على الضخ في تشغيل مقياس الكاثود البارد الخاص به . ^{[ 4 ]} كانت هذه التأثيرات المبكرة بطيئة نسبيًا، ولذلك لم تُسوَّق تجاريًا. حدث تقدم كبير في خمسينيات القرن العشرين، عندما كانت شركة فاريان أسوشيتس تبحث في تحسين أداء أنابيب التفريغ ، وخاصةً تحسين الفراغ داخل الكليسترون . في عام 1957، قدّم لويس د. هول، وجون س. هيلمر، وروبرت ل. جيبسن براءة اختراع ^{[ 5 ]} لمضخة محسّنة بشكل ملحوظ، وهي من أوائل المضخات التي استطاعت الوصول إلى ضغوط فراغ فائقة داخل حجرة التفريغ .

العنصر الأساسي في مضخة الأيونات الشائعة هو مصيدة بنينغ . ^{[ 6 ]} تُخزَّن سحابة دوامية من الإلكترونات، ناتجة عن تفريغ كهربائي، مؤقتًا في منطقة المصعد لمصيدة بنينغ. تُؤيِّن هذه الإلكترونات ذرات وجزيئات الغاز الداخلة. تُسرَّع الأيونات الدوامية الناتجة لتصطدم بمهبط نشط كيميائيًا (عادةً من التيتانيوم). ^{[ 7 ]} عند الاصطدام، إما أن تُدفن الأيونات المتسارعة داخل المهبط أو تُقذف مادة المهبط على جدران المضخة. تعمل مادة المهبط النشطة كيميائيًا، التي قُذفت حديثًا، كعامل امتصاص يُزيل الغاز عن طريق الامتزاز الكيميائي والفيزيائي، مما ينتج عنه عملية ضخ صافية. أما الغازات الخاملة والأخف وزنًا، مثل الهيليوم والهيدروجين، _فلا تميل إلى القذف، بل تُمتص عن طريق الامتزاز الفيزيائي . يمكن لجزء من أيونات الغاز النشطة (بما في ذلك الغاز غير النشط كيميائيًا مع مادة الكاثود) أن تصطدم بالكاثود وتكتسب إلكترونًا من السطح، مما يؤدي إلى تحييده عند ارتداده. وتُدفن هذه الشحنات المتعادلة النشطة المرتدة في أسطح المضخة المكشوفة. ^{[ 8 ]}

يعتمد كل من معدل الضخ وسعة طرق الاحتجاز هذه على نوع الغاز المراد جمعه ومادة الكاثود التي تمتصّه. ترتبط بعض الأنواع، مثل أول أكسيد الكربون، كيميائيًا بسطح مادة الكاثود، بينما تنتشر أنواع أخرى، مثل الهيدروجين، داخل البنية المعدنية. في الحالة الأولى، قد ينخفض ​​معدل الضخ مع تغطية مادة الكاثود. أما في الحالة الثانية، فيبقى المعدل ثابتًا بمعدل انتشار الهيدروجين.

توجد ثلاثة أنواع رئيسية من مضخات الأيونات: مضخة الديود التقليدية أو القياسية، ومضخة الديود النبيلة، ومضخة التريود. ^{[ 9 ]}

مضخة ثنائية نبيلة

مضخة الصمام الثنائي النبيل هي نوع من مضخات الأيونات المستخدمة في تطبيقات الفراغ العالي ، وتعتمد على مهبط كيميائي نشط ، مثل التيتانيوم ، ومهبط إضافي مصنوع من التنتالوم . يعمل مهبط التنتالوم كبنية بلورية عالية القصور الذاتي لعكس ودفن الجزيئات المتعادلة، مما يزيد من فعالية ضخ أيونات الغازات الخاملة. ^{[ 9 ]} يجب توخي الحذر الشديد عند ضخ كميات كبيرة من الهيدروجين بشكل متقطع باستخدام الصمامات الثنائية النبيلة، إذ قد يتسرب الهيدروجين مجددًا من التنتالوم على مدى أشهر.

تُستخدم مضخات الأيونات على نطاق واسع في أنظمة الفراغ العالي جدًا (UHV)، نظرًا لقدرتها على الوصول إلى ضغوط قصوى تقل عن 10⁻¹¹ ^ملي بار . ^{[ 1 ]} وعلى عكس مضخات الفراغ العالي جدًا الأخرى الشائعة، مثل المضخات التوربينية الجزيئية ومضخات الانتشار ، لا تحتوي مضخات الأيونات على أجزاء متحركة ولا تستخدم الزيت. ولذلك فهي نظيفة، ولا تحتاج إلى صيانة تُذكر، ولا تُصدر أي اهتزازات. هذه المزايا تجعل مضخات الأيونات مناسبة تمامًا للاستخدام في مجهر المسح المجهري ، والترسيب الجزيئي الشعاعي ، وغيرها من الأجهزة عالية الدقة.

لا يمكن لمضخات الأيونات أن تبدأ العمل عند الضغط الجوي، بل فقط عند الضغوط المنخفضة. عادةً، تُستخدم مضخة توربينية جزيئية أو مضخة امتزاز للضخ من الضغط الجوي إلى حوالي ^10⁻⁶ ملي بار (أو أقل)؛ وعندها يمكن تشغيل مضخة الأيونات.

أشارت دراسات حديثة إلى أن الجذور الحرة المتسربة من مضخات الأيونات يمكن أن تؤثر على نتائج بعض التجارب. ^{[ 11 ]}

• التدفق الكهروأسموزي
• حمل ماركلوند

• "مضخات أيون أجيلنت، التاريخ المبكر" (ملف PDF) .
• هابلانيان، مارسبيد. "التجميع وضخ الأيونات" . تكنولوجيا الفراغ العالي: دليل عملي . ISBN 082478197Xتمت أرشفة هذا النص من المصدر الأصلي في 9 مايو 2006.
• "مضخات الأيونات بالرش" (ملف PDF) . معهد بول شيرر .

• مقدمة عن مضخات الأيونات ( مؤرشفة بتاريخ ٢١ مارس ٢٠١١ في أرشيف الإنترنت)