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

สุพรรณ บุญสุยา
สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน)

หลักการทำงานของ Sputter Ion Pump 

โครงสร้างภายในของปั๊มแบบสปัตเตอร์ไอออนประกอบด้วย ขั้วแอโนด (Anode) ซึ่งผลิตจากสแตนเลสเกรดพิเศษ SUS316L ทรงกระบอก ขั้วแคโทด (Cathode) ซึ่งผลิตจากแผ่นไททาเนียมบริสุทธิ์ วางประกบกันในระยะห่างที่เหมาะสมอยู่ภายใต้สนามแม่เหล็กที่เกิดจากแม่เหล็กถาวรที่วางอยู่ด้านนอกถังสุญญากาศ ปั๊มแบบสปัตเตอร์ไอออนมีหลักการทำงานดังนี้

1. จ่ายแรงดันไฟฟ้าที่ประมาณ 3,000 ถึง 7,000 โวลท์ ให้กับขั้วแอโนดและแคโทดที่วางอยู่ภายใต้สนามแม่เหล็กเพื่อทำให้เกิด plasma ขึ้นบริเวณดังกล่าวฯ
2. อิเล็กตรอนจะถูกเร่งให้หลุดออกมาจากแผ่นแคโทด แล้วเคลื่อนที่เป็นรูปเกลียวตามแนวของสนามแม่เหล็กไปยังแอโนด
3. ในระหว่างการเคลื่อนที่อิเล็กตรอนจะชนเข้ากับโมเลกุลของอากาศ ทำให้อากาศเกิดการแตกตัวเป็นไอออนบวกที่มีความเร่งพุ่งเข้าชนแผ่นแคโทด
4. ไอออนบวกที่พุ่งชนแผ่นแคโทดจะฝังตัวอยู่ในแผ่นแคโทด และทำให้อะตอมของไททาเนียมหลุดออกมาในลักษณะที่เรียกว่า Sputtering
5. อะตอมของไททาเนียมที่หลุดออกมาจะวิ่งเข้าไปเกาะตัวรวมกันเป็นฟิล์มบางอยู่ที่ผิวภายในทรงกระบอกของแอโนด ซึ่งฟิล์มของไททาเนียมนี้มีคุณสมบัติที่ดีเลิศในการดูดจับกับโมเลกุลแก๊สเรียกว่า Chemisorption ดังนั้นโมเลกุลของแก๊สจึงถูกปั๊มดูดจับไว้ที่ผิวภายในทรงกระบอกของแอโนดนั่นเอง

รูปที่ 1 แสดงการทำงานของ Sputter Ion Pump

การออกแบบ Sputter Ion Pump 

การออกแบบมีปัจจัยพื้นฐานที่ต้องพิจารณาหลายอย่างเช่น ขนาดแรงดันไฟฟ้า ความเข้มสนามแม่เหล็ก Discharge Intensity ขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางของทรงกระบอกแอโนด (cell) จำนวนทรงกระบอกแอโนด ระยะห่างระหว่างแอโนดกับแคโทด ความดันที่ใช้งาน และอื่นๆ จากการศึกษาและออกแบบ Sputter Ion Pump ขนาด Pumping Speed 150 l/s สามารถกำหนดค่าองค์ประกอบที่ใช้ในการสร้างได้ดังนี้

Magnetic Field                     1000-1500   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  

 

รูปที่ 2 การใช้โปรแกรมออกแบบโครงสร้างปั๊ม

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 หลังจากการสร้างและผลิตชินส่วนต่างๆ แล้วเสร็จ จึงเข้าสู่ขั้นตอนทำความสะอาด แล้วจึงนำมาประกอบ ติดตั้งและทดสอบประสิทธิภาพการทำงานของทั้งระบบ

Electropolish Anode Cell	Helium Leak Test	Magnets Assembly
Magnetic Field Test	Pumping Elements Assembly	Sputter Ion Pump 150l/s

 รูปที่ 3 แสดงการทำความสะอาด ประกอบ และติดตั้งระบบ Sputter Ion Pump

การทดสอบประสิทธิภาพ 

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

ทดสอบการทำงานของ Sputter Ion Pump	Ultimate Pressure

 รูปที่ 4 แสดงการทดสอบประสิทธิภาพการทำงานของระบบ Sputter Ion Pump

บทสรุป 

สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน) มีความพร้อมทางด้านเครื่องมือ และบุคคลากรที่มีความสามารถในการสร้างปั๊มสุญญากาศแบบไอออน Sputter Ion Pump ใช้ได้เองเป็นแห่งแรกในประเทศไทย ด้วยต้นทุนที่ถูกกว่านำเข้าจากต่างประเทศถึงเท่าตัว ถือเป็นการพัฒนาองค์ความรู้ทางด้านเทคโนโลยีสุญญากาศขั้นสูงภายในประเทศ สามารถนำไปต่อยอดพัฒนาเป็นนวัตกรรมสำหรับภาคอุตสาหกรรมที่ต้องการใช้งานสุญญากาศได้หลากหลายในอนาคต