การพัฒนาปั๊มสุญญากาศแบบสปัตเตอร์ไอออน (Sputter Ion Pump)

ปั๊มสุญญากาศแบบสปัตเตอร์ไอออน (Sputter Ion Pump) เป็นปั๊มที่เหมาะสำหรับงานที่ต้องการความเป็นสุญญากาศระดับสูงยิ่งยวด (Ultra High Vacuum : UHV) ที่ความดันประมาณ 10-8 torr-10-11 torr ปั๊มชนิดนี้ไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนที่จึงไม่มีการสั่นสะเทือน ดังนั้นจึงเหมาะสำหรับงานที่ต้องการความละเอียดและเที่ยงตรงสูง เช่น งานวิจัยทางด้านวิทยาศาสตร์ ฟิสิกส์ เครื่องเร่งอนุภาค เป็นต้น สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน) มีความพร้อมในการออกแบบและสร้างปั๊มสุญญากาศชนิดนี้ เพื่อเป็นต้นแบบในการศึกษาและพัฒนาองค์ความรู้ทางด้านเทคโนโลยีสุญญากาศ ทดแทนการนำเข้า และใช้งานจริงภายในสถาบันต่อไปซึ่งถือเป็นการพัฒนาเทคโนโลยีขององค์กรภาครัฐขึ้นมาใช้ประโยชน์จริงโดยฝีมือคนไทย

หลักการทำงานของ Sputter Ion Pump

แสดงการทำงานของ Sputter Ion Pump
แสดงการทำ งานของ Sputter Ion Pump

โครงสร้างภายในของปั๊มแบบสปัตเตอร์ไอออน ประกอบด้วยขั้วแอโนด (Anode) ซึ่งผลิตจากสเตนเลสเกรดพิเศษ SUS316L ทรงกระบอก ขั้วแคโทด (Cathode) ผลิตจากแผ่นไททาเนียมบริสุทธิ์วางประกบกันในระยะห่างที่เหมาะสม อยู่ภายใต้สนามแม่เหล็กที่เกิดจากแม่เหล็กถาวรที่วางอยู่ด้านนอกถังสุญญากาศ ปั๊มแบบสปัตเตอร์ไอออนมีหลักการทำงาน ดังนี้

  1. จ่ายแรงดันไฟฟ้าที่ประมาณ 3,000-7,000 โวลต์ ให้กับขั้วแอโนดและแคโทดที่วางอยู่ภายใต้สนามแม่เหล็กเพื่อทำให้เกิด Plasma ขึ้นบริเวณดังกล่าว
  2. อิเล็กตรอนจะถูกเร่งให้หลุดออกมาจากแผ่นแคโทด แล้วเคลื่อนที่เป็นรูปเกลียวตามแนวของสนามแม่เหล็กไปยังแอโนด
  3. ในระหว่างการเคลื่อนที่ อิเล็กตรอนจะชนเข้ากับโมเลกุลของอากาศ ทำให้อากาศเกิดการแตกตัวเป็นไอออนบวกที่มีความเร่งพุ่งเข้าชนแผ่นแคโทด
  4. ไอออนบวกที่พุ่งชนแผ่นแคโทดจะฝังตัวอยู่ในแผ่นแคโทด และทำให้อะตอมของไททาเนียมหลุดออกมาในลักษณะที่เรียกว่า Sputtering
  5. อะตอมของไททาเนียมที่หลุดออกมาจะวิ่งเข้าไปเกาะตัวรวมกันเป็นฟิล์มบางอยู่ที่ผิวภายในทรงกระบอกของแอโนด ซึ่งฟิล์มของไททาเนียมนี้มีคุณสมบัติที่ดีเลิศในการดูดจับกับโมเลกุลแก๊สเรียกว่า Chemisorption ดังนั้นโมเลกุลของแก๊สจึงถูกปั๊มดูดจับไว้ที่ผิวภายในทรงกระบอกของแอโนดนั่นเอง

การออกแบบ Sputter Ion Pump

การใช้โปรแกรมออกแบบโครงสร้างปั๊ม
การใช้โปรแกรมออกแบบโครงสร้างปั๊ม

การออกแบบมีปัจจัยพื้นฐานที่ต้องพิจารณาหลายอย่าง เช่น ขนาดแรงดันไฟฟ้า ความเข้มสนามแม่เหล็ก Discharge Intensity ขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางของทรงกระบอกแอโนด (Cell) จำนวนทรงกระบอกแอโนด ระยะห่างระหว่างแอโนดกับแคโทด ความดันที่ใช้งาน และอื่นๆ

จากการศึกษาและออกแบบ Sputter Ion Pump ขนาด Pumping Speed 150 l/s สามารถกำหนดค่าองค์ประกอบที่ใช้ในการสร้างได้ ดังนี้

  • Magnetic Field 1,000-1,500 gauss
  • Anode Cell Diameter (ID) 25.4 mm.
  • Anode Cell Length 25.4 cm.
  • Number of Anode Cell 30 pcs.
  • Anode to Cathode Spacing 10 mm.

ส่วนประกอบของ Sputter Ion Pump

วัสดุที่ใช้เป็นส่วนประกอบหลักของ Sputter Ion Pump คือ

  • Pump Body Stainless Steel (SUS316L or SUS304L)
  • Anode Stainless Steel (SUS316L)
  • Cathode Titanium Grade A.
  • Magnet Ferrite Magnet 1,000-1,500 gauss
  • Insulator Alumina Al2O3

การสร้าง Sputter Ion Pump

เมื่อทำการออกแบบโครงสร้างและชิ้นส่วนเรียบร้อยแล้ว จึงดำเนินการสร้างและผลิตชิ้นส่วนต่างๆ ของ Sputter Ion Pump ต่อไป หลังจากการสร้างและผลิตชิ้นส่วนต่างๆ แล้วเสร็จ จึงเข้าสู่ขั้นตอนทำความสะอาด แล้วจึงนำมาประกอบ ติดตั้งและทดสอบประสิทธิภาพการทำงานของทั้งระบบ

แสดงการทำความสะอาด ประกอบ และติดตั้งระบบ Sputter Ion Pump
แสดงการทำ ความสะอาด ประกอบ และติดตั้งระบบ Sputter Ion Pump

การทดสอบประสิทธิภาพ

จากการทดสอบการทำงานพบว่า Sputter Ion Pump ขนาด 150 l/s ที่สร้างขึ้นนี้สามารถสร้างสภาวะสุญญากาศได้ค่าความดันต่ำสุด (Ultimate Pressure) 3.2 x 10-10 torr

แสดงการทดสอบประสิทธิภาพการทำงานของระบบ Sputter Ion Pump
แสดงการทดสอบประสิทธิภาพการทำ งานของระบบ Sputter Ion Pump

บทสรุป

สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน) มีความพร้อมทางด้านเครื่องมือและบุคลากรที่มีความสามารถในการสร้างปั๊มสุญญากาศแบบไอออน Sputter Ion Pump ใช้ได้เองเป็นแห่งแรกในประเทศไทย ด้วยต้นทุนที่ถูกกว่านำเข้าจากต่างประเทศถึงเท่าตัว ถือเป็นการพัฒนาองค์ความรู้ทางด้านเทคโนโลยีสุญญากาศขั้นสูงภายในประเทศสามารถนำไปต่อยอดพัฒนาเป็นนวัตกรรมสำหรับภาคอุตสาหกรรมที่ต้องการใช้งานสุญญากาศได้หลากหลายในอนาคต