Una bomba de iones (también conocida como bomba de iones de pulverización catódica ) es un tipo de bomba de vacío que funciona pulverizando un captador de metal . En condiciones ideales, las bombas de iones son capaces de alcanzar presiones tan bajas como 10-11 mbar. [1] Una bomba de iones primero ioniza el gas dentro del recipiente al que está unida y emplea un fuerte potencial eléctrico, típicamente de 3 a 7 kV, que acelera los iones en un electrodo sólido. Se pulverizan pequeños trozos del electrodo en la cámara. Los gases quedan atrapados por una combinación de reacciones químicas con la superficie del material pulverizado altamente reactivo y quedan atrapados físicamente debajo de ese material.
Historia [ editar ]
La primera evidencia de bombeo por descarga eléctrica fue encontrada en 1858 por Julius Plücker , [2] [3] quien realizó los primeros experimentos sobre descargas eléctricas en tubos de vacío. En 1937, Frans Michel Penning observó alguna evidencia de bombeo en el funcionamiento de su manómetro de cátodo frío . [4] Estos primeros efectos fueron comparativamente lentos de bombear y, por lo tanto, no se comercializaron. Un avance importante se produjo en la década de 1950, cuando Varian Associates estaba investigando mejoras para el rendimiento de los tubos de vacío , en particular para mejorar el vacío dentro del klystron . En 1957, Lewis D Hall, John C Helmer y Robert L Jepsen presentaron una patente[5] para una bomba significativamente mejorada, una de las primeras bombas que podía llevar una cámara de vacío a presiones de vacío ultra altas .
Principio de funcionamiento [ editar ]
El elemento básico de la bomba de iones común es una trampa Penning . [6] Una nube arremolinada de electrones producida por una descarga eléctrica se almacena temporalmente en la región del ánodo de una trampa de Penning. Estos electrones ionizan átomos y moléculas de gas entrantes. Los iones arremolinados resultantes se aceleran para golpear un cátodo químicamente activo (generalmente titanio). [7] En el momento del impacto, los iones acelerados quedarán enterrados dentro del cátodo o escupirán el material del cátodo en las paredes de la bomba. El material del cátodo químicamente activo recién pulverizado actúa como un captador que luego evacua el gas por quimisorción y fisisorción.resultando en una acción de bombeo neto. Inertes y gases más ligeros, tales como Él y H 2 no tienden a bombardeo iónico y son absorbidos por fisisorción . Alguna fracción de los iones energéticos del gas (incluido el gas que no es químicamente activo con el material del cátodo) puede golpear el cátodo y adquirir un electrón de la superficie, neutralizándolo cuando rebota. Estos neutrales energéticos rebotantes están enterrados en las superficies expuestas de la bomba. [8]
Tanto la velocidad de bombeo como la capacidad de dichos métodos de captura dependen de la especie de gas específico que se recolecta y del material del cátodo que lo absorbe. Algunas especies, como el monóxido de carbono, se unirán químicamente a la superficie de un material de cátodo. Otros, como el hidrógeno, se difundirán en la estructura metálica. En el primer ejemplo, la velocidad de bombeo puede caer cuando el material del cátodo se recubre. En este último, la velocidad permanece fijada por la velocidad a la que se difunde el hidrógeno.
Tipos [ editar ]
Hay tres tipos principales de bombas de iones: la bomba de diodo convencional o estándar, la bomba de diodo noble y la bomba de triodo . [9]
Bomba de diodo estándar [ editar ]
Una bomba de diodo estándar es un tipo de bomba de iones empleada en procesos de alto vacío que contiene solo cátodos químicamente activos, a diferencia de las bombas de diodo nobles. [9] Pueden distinguirse dos subtipos: las bombas de iones de pulverización catódica y las bombas de iones orbitron.
Bomba de iones Sputter [ editar ]
En las bombas de iones de pulverización catódica, uno o más ánodos huecos se colocan entre dos placas de cátodo, con un campo magnético intenso paralelo al eje de los ánodos para aumentar el camino de los electrones en las celdas del ánodo. [5]
Bomba de iones Orbitron [ editar ]
En las bombas de vacío Orbitron, se hace que los electrones viajen en órbitas en espiral entre un ánodo central, normalmente en forma de alambre o varilla cilíndrica, y un cátodo exterior o límite, generalmente en forma de pared o jaula cilíndrica. La órbita de los electrones se logra sin el uso de un campo magnético, aunque se puede emplear un campo magnético axial débil. [10]
Bomba de diodo noble [ editar ]
Una bomba de diodo noble es un tipo de bomba de iones que se utiliza en aplicaciones de alto vacío que emplea tanto un cátodo químicamente reactivo , como el titanio , como un cátodo adicional compuesto de tantalio . El cátodo de tantalio sirve como una estructura de red cristalina de alta inercia para la reflexión y el enterramiento de los neutrales, aumentando la eficacia de bombeo de los iones de gas inerte. [9] El bombeo de cantidades elevadas de hidrógeno de forma intermitente con diodos nobles debe hacerse con mucho cuidado, ya que el hidrógeno podría volver a emitirse durante meses del tantalio.
Aplicaciones [ editar ]
Las bombas de iones se utilizan comúnmente en sistemas de vacío ultra alto (UHV), ya que pueden alcanzar presiones finales inferiores a 10-11 mbar . [1] A diferencia de otras bombas UHV comunes, como las bombas turbomoleculares y las bombas de difusión , las bombas de iones no tienen partes móviles y no usan aceite. Por tanto, están limpias, necesitan poco mantenimiento y no producen vibraciones. Estas ventajas hacen que las bombas de iones sean adecuadas para su uso en microscopía de sonda de barrido y otros aparatos de alta precisión.
Radicales [ editar ]
Un trabajo reciente ha sugerido que los radicales libres que se escapan de las bombas de iones pueden influir en los resultados de algunos experimentos. [11]
Ver también [ editar ]
- Flujo electroosmótico
Referencias [ editar ]
- ^ a b "Bombas de iones" (PDF) . Agilent . Archivado desde el original (PDF) el 4 de marzo de 2016 . Consultado el 17 de septiembre de 2015 .
- ↑ Plücker, Julius (1858). "III. Fortgesetzte Beobachtungen über die elektrische Entladung" (PDF) . Annalen der Physik und Chemie (en alemán). 181 (9): 67. doi : 10.1002 / andp.18581810904 .
- ^ Hall, LD (8 de agosto de 1958). "Bombas de vacío iónicas: en lugar de eliminar las partículas de gas, algunas bombas nuevas simplemente las transfieren a la fase sólida". Ciencia . Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia (AAAS). 128 (3319): 279–285. doi : 10.1126 / science.128.3319.279 . ISSN 0036-8075 .
- ^ Penning, FM (1937). "Ein neues manometer für niedrige gasdrucke, insbesondere zwischen 10 −3 und 10 −5 mm". Physica (en alemán). Elsevier BV. 4 (2): 71–75. doi : 10.1016 / s0031-8914 (37) 80123-8 . ISSN 0031-8914 .
- ↑ a b US 2993638 , emitido el 25 de julio de 1961
- ^ Cambers, A., "Física del vacío moderno", CRC Press (2005)
- ^ Weissler, GL y Carlson, RW, editores, Métodos de física experimental; Física y tecnología del vacío , vol. 14, Academic Press Inc., Londres (1979)
- ^ Moore, JH; Davis, CC; Coplan, MA; Greer, S. (2003). Construcción de aparatos científicos . Westview Press. ISBN 0-8133-4006-3.
- ^ a b c El bombeo de helio e hidrógeno mediante bombas de iones de pulverización catódica parte II
- ^ US 3371853
- ^ J. Zikovsky; SA Dogel; AJ Dickie; JL Pitters; RA Wolkow (2009). "Reacción de una superficie de Si (100) terminada en hidrógeno en UHV con radicales generados por bomba de iones". Journal of Vacuum Ciencia y Tecnología A . 27 (2): 248. doi : 10.1116 / 1.3071944 .
Fuentes [ editar ]
- "Bombas de iones de Agilent, historia temprana" (PDF) .
- Hablanian, Marsbed. "Gettering y Ion Pumping" . Tecnología de alto vacío: una guía práctica . ISBN 082478197X. Archivado desde el original el 9 de mayo de 2006. CS1 maint: parámetro desalentado ( enlace )
- "Bombas de iones de pulverización" (PDF) . Instituto Paul Scherrer .
Enlaces externos [ editar ]
- Introducción a las bombas de iones
