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

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

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

การทดสอบประสิทธิภาพ

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

บทสรุป

สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน) มีความพร้อมทางด้านเครื่องมือและบุคลากรที่มีความสามารถในการสร้างปั๊มสุญญากาศแบบไอออน Sputter Ion Pump ใช้ได้เองเป็นแห่งแรกในประเทศไทย ด้วยต้นทุนที่ถูกกว่านำเข้าจากต่างประเทศถึงเท่าตัว ถือเป็นการพัฒนาองค์ความรู้ทางด้านเทคโนโลยีสุญญากาศขั้นสูงภายในประเทศสามารถนำไปต่อยอดพัฒนาเป็นนวัตกรรมสำหรับภาคอุตสาหกรรมที่ต้องการใช้งานสุญญากาศได้หลากหลายในอนาคต