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¿Cómo funcionan las bombas de iones?

La acción de bombeo de las bombas iónicas de sputtering se lleva a cabo conforme a procesos de sorción iniciados por partículas de gas ionizado en una descarga de Penning (descarga de cátodo frío). "Conectar en paralelo" muchas celdas de Penning permite a las bombas de iones alcanzar una velocidad de bombeo lo suficientemente elevada como para poder trabajar con los distintos gases. 

Principio de funcionamiento de las bombas iónicas de sputtering

Los iones impactan sobre el cátodo del sistema de electrodos de descarga de cátodo frío y pulverizan el material del cátodo (titanio). El titanio depositado en otras ubicaciones actúa como película "getter" y adsorbe partículas de gas reactivo (por ejemplo, nitrógeno, oxígeno, hidrógeno). La energía de las partículas de gas ionizado no solo es lo suficientemente alta como para pulverizar el material del cátodo, sino también para permitir que los iones que impactan penetren profundamente en dicho material (implantación de iones). Mediante este proceso de absorción se "bombean" iones de todo tipo, incluidos iones de gases que no reaccionan químicamente con la película de titanio pulverizada, esto es, principalmente gases nobles. 

Diseño de una bomba iónica de sputtering

Para producir los iones se utiliza la siguiente disposición: los ánodos cilíndricos de acero inoxidable están colocados cerca los unos de los otros, con sus ejes situados en perpendicular a dos cátodos paralelos (véase la Fig. 2.61). Los cátodos tienen potencial negativo (de unos pocos kilovoltios) con respecto al ánodo. Todo el sistema de electrodos se mantiene bajo el efecto de un campo magnético potente y homogéneo de un valor de densidad de flujo B = 0,1 T (siendo T = Tesla = 104 Gauss) producido por un imán permanente fijado al exterior de la carcasa de la bomba. La descarga de gas producida por la alta tensión contiene electrones e iones. El efecto del campo magnético hace que los iones se desplacen por una serie de guías helicoidales largas (véase la Fig. 2.61) hasta que impactan contra el cilindro del ánodo de la celda correspondiente. Esta guía larga incrementa el rendimiento iónico, que aun a densidades bajas (presiones) del gas basta para mantener una descarga autosostenida del gas. No se necesita suministro de electrones por parte del cátodo termoiónico. Dado lo elevado de su masa, el movimiento de los iones no se ve afectado por el campo magnético del orden de magnitud dado: circulan por la ruta más corta y bombardean el cátodo. 

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Fig. 2.61: Principio de funcionamiento de una bomba iónica de sputtering

← ⊕ Dirección de movimiento de las moléculas de gas ionizado
• → Dirección de movimiento del titanio pulverizado
- – – - Guías helicoidales de los electrones
PZ Celdas de Penning

La corriente de descarga i es proporcional a la densidad numérica de partículas neutras n0, la densidad de electrones n- y la longitud l de la ruta de descarga total: (2.25) 

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(2.25)

Las secciones transversales eficaces s para las colisiones ionizantes dependen del tipo de gas. Según (2.25), la corriente de descarga i es una función de la densidad numérica de las partículas m0, como en un medidores de Penning, y puede utilizarse como medida de presión en el rango que va de los 10-4 a los 10-8 mbar. A presiones más bajas, no es posible reproducir las mediciones a causa de las interferencias producidas por la emisión por efecto de campo. 

Bombas iónicas de sputtering de diodo

En bombas iónicas de sputtering de diodo con una configuración de los electrodos como la indicada en la Fig. 2.62, las películas "getter" se forman en las superficies del ánodo y entre las regiones de pulverización del cátodo opuesto. Los iones quedan enterrados en las superficies del cátodo. A medida que avanza la pulverización del cátodo, las partículas enterradas del gas vuelven a liberarse. Por consiguiente, la acción de bombeo de gases nobles bombeables únicamente mediante entierro iónico se desvanece transcurrido algún tiempo y se produce un "efecto memoria". 

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Fig. 2.62: Configuración de los electrodos en una bomba iónica de sputtering de diodo

Bombas iónicas de sputtering de triodo

A diferencia de las de diodo, las bombas iónicas de sputtering de triodo demuestran una estabilidad excepcional en su velocidad de bombeo de gases nobles, ya que las superficies de pulverización y formación de película están separadas. En la Fig. 2.63 se muestra la configuración de los electrodos de las bombas iónicas de sputtering de triodo. Su mayor eficiencia para el bombeo de gases nobles se explica por los siguientes motivos: la geometría del sistema favorece la presencia dispersa de los electrodos sobre las barras de titanio de la rejilla del cátodo, con lo que la velocidad a la que se produce la pulverización es notablemente superior a la de la incidencia perpendicular. El titanio sobre el que se aplica la pulverización se desplaza casi en la misma dirección que los iones incidentes. Las películas getter se forman principalmente en el tercer electrodo (la lámina de destino), que conforma la pared real de la carcasa de la bomba. Se produce un rendimiento cada vez mayor de partículas ionizadas, incidentes de forma dispersa sobre la rejilla del cátodo, donde son neutralizadas y reflejadas, y desde donde viajan a la lámina de destino con una energía aun significativamente más elevada que la energía térmica (1/ 2  · k  · T) de las partículas de gas. Las partículas energéticamente neutras pueden penetrar en la capa de la superficie de destino, pero su efecto pulverizador es despreciable. Estas partículas enterradas o implantadas acaban cubiertas en última instancia de nuevas capas de titanio. Puesto que el punto de destino tiene potencial positivo, cualquier ion positivo que llegue a él es repelido y no es capaz de pulverizar las capas de destino, por lo que los átomos de gas noble enterrados no se liberan de nuevo. La velocidad de bombeo de las bombas iónicas de sputtering de triodo no se reduce durante el funcionamiento de la bomba

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Fig. 2.63: Configuración de los electrodos en una bomba iónica de sputtering de triodo

Velocidad de bombeo de las bombas de iones

La velocidad de bombeo de las bombas iónicas de sputtering depende de la presión y del tipo de gas. Se mide mediante los métodos dispuestos en las normas DIN 28 429 y PNEUROP 5615. La curva de velocidad de bombeo S(p) tiene un valor máximo. La velocidad de bombeo nominal Sn viene dada por el máximo de la curva de velocidad de bombeo del aire, según la cual debe indicarse la presión correspondiente. 

Para el aire, el nitrógeno, el dióxido de carbono y el vapor de agua, la velocidad de bombeo es prácticamente la misma. En comparación con la velocidad de bombeo del aire, las velocidades de bombeo de las bombas iónicas de sputtering para otros gases equivalen de forma aproximada a lo siguiente: 

Hidrógeno: del 150 al 200 % 
Metano: 100 % 
Otros hidrocarburos ligeros: del 80 al 120 % 
Oxígeno: 80 % 
Argón: 30 % 
Helio: 28 % 

Las bombas iónicas de sputtering de triodo destacan por su alta estabilidad con gases nobles, a diferencia de las de diodo. Puede bombearse argón de forma estable incluso a una presión de admisión de 1 · 10-5 mbar. Es posible arrancar estas bombas sin dificultades a presiones de más de 1 · 10-2 mbar y pueden funcionar de forma continuada en una admisión de aire que produzca una presión de aire constante de 5 · 10-5 mbar. Un nuevo tipo de diseño de los electrodos prolonga la vida útil de los cátodos en un 50 %. 

El efecto de los campos desmagnetizantes y los iones externos de la bomba iónica de sputtering

La elevada intensidad del campo magnético necesaria para la acción de bombeo conduce inevitablemente a la aparición de campos desmagnetizantes en las inmediaciones de los imanes, que resultan en perturbaciones de la cámara de vacío en ciertos casos; es por ello que la bomba iónica de sputtering correspondiente debe estar dispuesta en pantalla. Las formas y tipos de estas disposiciones en pantalla se consideran óptimas si los procesos que discurren en la cámara de vacío no sufren perturbaciones más allá del campo magnético de la tierra, que está presente en todas las situaciones. 

En la Fig. 2.64 se muestra el campo desmagnetizante en el plano de la brida de admisión de una bomba iónica de sputtering IZ 270 y en un plano paralelo situado 150 mm por encima. Si quiere impedirse que los iones externos procedentes de la zona de descarga alcancen la cámara de vacío, es posible disponer una pantalla adecuada colocando un tamiz metálico en el potencial contrario de la abertura de admisión de la bomba iónica de sputtering (una barrera iónica). No obstante, al hacerlo se reduce la velocidad de bombeo de la bomba iónica de sputtering según el tamaño de la malla de la rejilla metálica elegida. 

fig.-2.64

Fig. 2.64: Campo desmagnetizante de una bomba iónica de sputtering en dos puntos paralelos a la brida de admisión. En las curvas (accesorias) se indican líneas de inducción magnética constante B en Gauss. 1 Gauss equivale a 1 ·10–4 Tesla

Bombas "getter" no evaporables (bombas NEG)

La bomba "getter" no evaporable funciona con un material de adsorción compacto no evaporable, cuya estructura es porosa a nivel atómico para poder admitir grandes cantidades de gas. Las moléculas de gas adsorbidas en la superficie del material del filtro se difunden rápidamente por el material, lo que crea espacio para que otras moléculas de gas impacten contra la superficie. La bomba de adsorción no evaporable incorpora un elemento de calentamiento que se utiliza para calentar el material de adsorción a una temperatura óptima en función del tipo de gas que vaya a bombearse preferentemente. A una temperatura más alta, el material de adsorción que se ha saturado con el gas se regenera (activa). Lo más usado a modo de material de adsorción son aleaciones de circonio y aluminio en forma de tiras. Las propiedades especiales de las bombas NEG son las siguientes: 

  • velocidad de bombeo constante en los rangos de alto vacío (HV) y ultra alto vacío (UHV) 
  • no hay restricciones de presión hasta aproximadamente los 12 mbar 
  • velocidad de bombeo particularmente alta para el hidrógeno y sus isótopos 
  • después de la activación, la bomba puede funcionar a temperatura ambiente sin necesidad de energía eléctrica 
  • sin interferencias por campos magnéticos 
  • vacío exento de hidrocarburos 
  • sin vibraciones 
  • bajo peso 

Combinación con otros tipos de bomba

Las bombas NEG se utilizan principalmente junto con otras bombas de UHV (turbomoleculares y bombas criogénicas). Estas combinaciones resultan de especial utilidad si se desea reducir aún más la presión final de los sistemas de UHV, ya que el hidrógeno es el elemento que más contribuye a alcanzar la correspondiente presión final en un sistema de UHV, para el que las bombas NEG cuentan con una velocidad de bombeo particularmente alta, a diferencia de otras bombas, cuyo efecto de bombeo de H2 es reducido. Algunos ejemplos habituales de aplicaciones en las que se utilizan bombas NEG son los aceleradores de partículas y otros sistemas de investigación similares, los instrumentos de análisis de superficies, las columnas de microscopio electrónico de barrido (SEM) y los sistemas de pulverización iónica. Las bombas NEG se fabrican con velocidades de bombeo que van de varios l/s hasta aproximadamente los 1000 l/s. Es posible producir bombas personalizadas, capaces de alcanzar una velocidad de bombeo de hidrógeno de varios órdenes de magnitud superiores. 

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Referencias

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