Bomba de iones (física) - Ion pump (physics)
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. 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
La primera evidencia de bombeo por descarga eléctrica fue encontrada en 1858 por Julius Plücker , quien realizó los primeros experimentos sobre descarga eléctrica en tubos de vacío. En 1937, Frans Michel Penning observó alguna evidencia de bombeo en el funcionamiento de su manómetro de cátodo frío . 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 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
El elemento básico de la bomba de iones común es una trampa Penning . 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). Al impactar, 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 absorbente que luego evacua el gas tanto por quimisorción como por fisisorción, lo que resulta en una acción de bombeo neta. 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 que rebotan están enterrados en las superficies expuestas de la bomba.
Tanto la velocidad de bombeo como la capacidad de tales 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 a medida que el material del cátodo se recubre. En este último, la velocidad permanece fijada por la velocidad a la que se difunde el hidrógeno.
Tipos
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 .
Bomba de diodo estándar
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. Se pueden distinguir dos subtipos: las bombas de iones de pulverización catódica y las bombas de iones orbitron.
Bomba de iones Sputter
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.
Bomba de iones Orbitron
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.
Bomba de diodo noble
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. El bombeo de cantidades elevadas de hidrógeno de forma intermitente con diodos nobles debe hacerse con mucho cuidado, ya que el tántalo podría volver a emitir hidrógeno durante meses.
Aplicaciones
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 . 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
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.
Ver también
Referencias
Fuentes
- "Bombas de iones 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.
- "Bombas de iones de pulverización" (PDF) . Instituto Paul Scherrer .