आयन पंप (भौतिकी)

आयन पंप (जिसे स्पटरिंग आयन पंप के रूप में भी जाना जाता है) एक प्रकार का वैक्यूम पंप होता है जो मेटल गेटर को स्पटर करके संचालित होता है। आदर्श परिस्थितियों में, आयन पंप दबावों को 10−11 एमबार तक कम करने में सक्षम होते हैं। आयन पंप पहले उस बर्तन के अन्दर गैस को आयनित करता है जिससे यह जुड़ा हुआ है और शक्तिशाली विद्युत क्षमता का उपयोग करता है, आमतौर पर 3–7 kV, जो आयनों को ठोस इलेक्ट्रोड में त्वरित करता है। इलेक्ट्रोड के छोटे टुकड़े कक्ष में स्पटर दिए जाते हैं। अत्यधिक प्रतिक्रियाशील स्पटर वाली सामग्री की सतह के साथ रासायनिक प्रतिक्रियाओं के संयोजन से गैसें फंस जाती हैं, और उस सामग्री के नीचे भौतिक रूप से फंस जाती हैं।

इतिहास
बिजली के निर्वहन से पम्पिंग के लिए पहला प्रमाण 1858 में जूलियस प्लकर द्वारा पाया गया था। जिन्होंने वैक्यूम ट्यूबों में विद्युत निर्वहन पर प्रारंभिक प्रयोग किए थे। 1937 में, फ्रैंस मिशेल पेनिंग ने अपने ठंडे कैथोड गेज के संचालन में पम्पिंग के कुछ प्रमाण देखे। ये प्रारंभिक प्रभाव पंप करने के लिए तुलनात्मक रूप से धीमे थे, और इसलिए इनका व्यवसायीकरण नहीं किया गया था। 1950 के दशक में एक बड़ी प्रगति हुई, जब वेरियन एसोसिएट्स वेक्यूम - ट्यूबों के प्रदर्शन के लिए विशेष रूप से क्लीस्टरोण के अंदर वैक्यूम में सुधार पर शोध कर रहे थे। 1957 में, लुईस डी हॉल, जॉन सी हेल्मर, और रॉबर्ट एल जेपसेन ने एक उल्लेखनीय रूप से बेहतर पंप के लिए एक पेटेंट दायर किया, जो प्रारंभिक पंपों में से एक था, जो अति उच्च वैक्यूम  दबावों के लिए एक वैक्यूम कक्ष प्राप्त कर सकता था।

कार्य सिद्धांत
सामान्य आयन पंप का मूल तत्व पेनिंग ट्रैप है। विद्युत निर्वहन द्वारा उत्पन्न इलेक्ट्रॉनों का घूमता हुआ बादल अस्थायी रूप से पेनिंग ट्रैप के एनोड क्षेत्र में संग्रहीत होता है। ये इलेक्ट्रॉन आने वाले गैस परमाणुओं और अणुओं को आयनित करते हैं। परिणामी भंवर आयनों को रासायनिक रूप से सक्रिय कैथोड (आमतौर पर टाइटेनियम) पर प्रहार करने के लिए त्वरित किया जाता है। प्रभाव पर त्वरित आयन या तो पंप की दीवारों पर कैथोड या स्पटर कैथोड सामग्री के अन्दर दब जाएंगे। ताजा स्पटर वाला रासायनिक रूप से सक्रिय कैथोड पदार्थ गटर के रूप में कार्य करता है जो फिर रासायनिक शोषण और भौतिक अवशोषण दोनों द्वारा गैस को खाली कर देता है जिसके परिणामस्वरूप शुद्ध पंपिंग क्रिया होती है। निष्क्रिय और हल्की गैसें, जैसे He और H2 स्पटर नहीं करते हैं और भौतिक अवशोषण द्वारा अवशोषित होते हैं। ऊर्जावान गैस आयनों का कुछ अंश (गैस सहित जो कैथोड सामग्री के साथ रासायनिक रूप से सक्रिय नहीं है) कैथोड पर हमला कर सकता है और सतह से इलेक्ट्रॉन प्राप्त कर सकता है, इसे प्रभावहीन कर सकता है क्योंकि यह रिबाउंड होता है। ये रिबाउंडिंग ऊर्जावान न्यूट्रल उजागर पंप सतहों में दबे हुए हैं।

पम्पिंग दर और इस तरह के कैप्चर विधियों की क्षमता दोनों विशिष्ट गैस प्रजातियों पर निर्भर हैं और इसे अवशोषित करने वाली कैथोड सामग्री पर निर्भर हैं। कुछ प्रजातियाँ, जैसे कार्बन मोनोऑक्साइड, रासायनिक रूप से कैथोड सामग्री की सतह से बंधी होंगी। अन्य, जैसे कि हाइड्रोजन, धात्विक संरचना में फैल जाएगा। पूर्व उदाहरण में, कैथोड सामग्री के लेपित होने पर पंप की दर गिर सकती है। उत्तरार्द्ध में, दर उस दर से तय होती है जिस पर हाइड्रोजन फैलती है।

प्रकार
तीन मुख्य प्रकार के आयन पंप हैं: पारंपरिक या मानक डायोड पंप, नोबल डायोड पंप और ट्रायोड पंप।

मानक डायोड पंप
मानक डायोड पंप एक प्रकार का आयन पंप है जो उच्च निर्वात प्रक्रियाओं में नियोजित होता है जिसमें नोबल डायोड पंपों के विपरीत केवल रासायनिक रूप से सक्रिय कैथोड होते हैं। स्पटर आयन पंप और ऑर्बिट्रोन आयन पंप दो उप-प्रकारों में प्रतिष्ठित किए जा सकते हैं।।

स्पटर आयन पंप
स्पटर आयन पंपों में, एनोड कोशिकाओं में इलेक्ट्रॉनों के पथ को बढ़ाने के लिए एनोड्स की धुरी के समानांतर तीव्र चुंबकीय क्षेत्र के साथ, दो कैथोड प्लेटों के बीच एक या एक से अधिक खोखले एनोड्स रखे जाते हैं।

ऑर्बिट्रॉन आयन पंप
ऑर्बिट्रोन वैक्यूम पंप में, इलेक्ट्रॉन आमतौर पर बेलनाकार तार या रॉड के रूप में केंद्रीय एनोड के बीच सर्पिल कक्षाओं में यात्रा करने के कारण होते हैं और आमतौर पर बेलनाकार दीवार या पिंजरे के रूप में बाहरी या सीमा कैथोड होते हैं। कमजोर अक्षीय चुंबकीय क्षेत्र को नियोजित किए जाने के अतिरिक्त इलेक्ट्रॉनों की परिक्रमा एक चुंबकीय क्षेत्र के उपयोग के बिना प्राप्त की जाती है।

नोबल डायोड पंप
नोबल डायोड पंप एक प्रकार का आयन पंप है जो उच्च-खालीपन अनुप्रयोगों में उपयोग किया जाता है जो रासायनिक रूप से प्रतिक्रियाशील कैथोड, जैसे टाइटेनियम, और टैंटलम से बना अतिरिक्त कैथोड दोनों को नियोजित करता है। टैंटलम कैथोड निष्क्रिय गैस आयनों की पंपिंग प्रभावशीलता को बढ़ाते हुए, न्यूट्रल के प्रतिबिंब और दबाने के लिए उच्च-जड़ता क्रिस्टल जाली संरचना के रूप में कार्य करता है। उत्कृष्ट डायोड के साथ रुक-रुक कर उच्च मात्रा में हाइड्रोजन को पंप करना बहुत सावधानी से किया जाना चाहिए, क्योंकि हाइड्रोजन महीनों में टैंटलम से फिर से उत्सर्जित हो सकता है।

अनुप्रयोग
आयन पंप आमतौर पर अल्ट्रा-हाई वैक्यूम (यूएचवी) सिस्टम में उपयोग किए जाते हैं, क्योंकि वे 10−11 एमबार से कम अंतिम दबाव प्राप्त कर सकते हैं। अन्य सामान्य यूएचवी पंपों के विपरीत, जैसे कि टर्बोमोलेक्युलर पंप और प्रसार पंप, आयन पंपों में कोई गतिमान भाग नहीं होता है और कोई तेल का उपयोग नहीं होता है। इसलिए उन्हें साफ रखने के लिए थोड़े रखरखाव की आवश्यकता होती है, और कोई कंपन उत्पन्न नहीं होता है। ये लाभ आयन पंपों को स्कैनिंग जांच माइक्रोस्कोपी और अन्य उच्च-सटीक उपकरणों में उपयोग के लिए उपयुक्त बनाते हैं।

रेडिकल्स
नवीन के काम ने सुझाव दिया है कि आयन पंपों से निकलने वाले मुक्त कण कुछ प्रयोगों के परिणामों को प्रभावित कर सकते हैं।

यह भी देखें

 * इलेक्ट्रोस्मोटिक प्रवाह
 * मार्कलंड संवहन

बाहरी कड़ियाँ

 * An Introduction to Ion Pumps