Como funcionam as bombas de íon?
A ação de bombeamento das bombas de pulverização catódica de íons é baseada em processos de sorção que são iniciados por partículas de gás ionizado em uma descarga de Penning (descarga de cátodo frio). Por meio da "ligação paralela de muitas células de Penning individuais", a bomba de pulverização catódica de íons atinge uma velocidade de bombeamento suficientemente alta para os gases individuais.
Princípio de operação das bombas de pulverização catódica de íons
Os íons colidem com o cátodo do sistema de eletrodo de descarga de cátodo frio e expelem o material do cátodo (titânio). O titânio depositado em outros locais atua como um filme absorvente e adsorve partículas de gás reativas (por exemplo, nitrogênio, oxigênio e hidrogênio). A energia das partículas de gás ionizado não é apenas alta o suficiente para expelir o material do cátodo, mas também para permitir que os íons colidindo penetrem profundamente no material do cátodo (implantação de íons). Este processo de sorção "bombeia" íons de todos os tipos, incluindo íons de gases que não reagem quimicamente com o filme de titânio pulverizado, ou seja, principalmente gases nobres.
Construção da bomba de pulverização catódica de íons
A seguinte disposição é usada para produzir os íons: ânodos cilíndricos de aço inoxidável são dispostos estreitamente entre, com seus eixos perpendiculares a, dois catodos paralelos (consulte a Fig. 2.61). Os cátodos estão em potencial negativo (alguns quilovolts) em relação ao ânodo. Todo o sistema de eletrodos é mantido em um campo magnético forte e homogêneo de uma densidade de fluxo de B = 0,1 T, (T = Tesla = 104 Gauss) produzido por um ímã permanente ligado à parte externa da carcaça da bomba. A descarga de gás produzida pela alta tensão contém elétrons e íons. Sob a influência do campo magnético, os elétrons percorrem longas trilhas espirais (consulte a Fig. 2.61) até que eles se colidam no cilindro do ânodo da célula correspondente. A longa trilha aumenta o rendimento de íons, que mesmo em baixas densidades de gás (pressões) é suficiente para manter uma descarga de gás autossustentável. Não é necessário um fornecimento de elétrons de um cátodo quente. Por causa da sua grande massa, o movimento dos íons não é afetado pelo campo magnético da ordem de grandeza dada; eles fluem pelo caminho mais curto e bombardeiam o cátodo.
Fig. 2.61 Princípio de operação de uma bomba de pulverização catódica de íons.
← ⊕ Direção do movimento das moléculas de gás ionizado
• → Direção do movimento do titânio pulverizado
- – – – – Trilhas em espiral dos elétrons
Células de Penning PZ
A corrente de descarga i é proporcional à densidade numérica de partículas neutras n0, a densidade de elétrons n- e o comprimento l do caminho de descarga total: (2.25)
(2,25)
A seção transversal efetiva para colisões ionizantes depende do tipo de gás. De acordo com (2.25), a corrente de descarga i é uma função da densidade numérica de partículas n0, como em um medidor de Penning, e pode ser usada como uma medida da pressão na faixa de 10-4 a 10-8 mbar. Em pressões mais baixas, as medições não são reproduzíveis devido a interferências dos efeitos de emissão de campo.
Bombas de pulverização catódica de íons tipo diodo
Em bombas de pulverização catódica de íons tipo diodo com uma configuração de sistema de eletrodo, conforme mostrado na Fig. 2.62, os filmes absorventes são formados nas superfícies do ânodo e entre as regiões de pulverização do cátodo oposto. Os íons estão enterrados nas superfícies catódicas. À medida que a pulverização catódica prossegue, as partículas de gás enterradas são liberadas novamente. Portanto, a ação de bombeamento para gases nobres que podem ser bombeados somente por enterramento de íons desaparecerá após algum tempo e ocorrerá um "efeito memória".
Fig. 2.62 Configuração do eletrodo em uma bomba de pulverização catódica de íons de diodo.
Bombas de pulverização catódica de íons de triodo
Ao contrário das bombas do tipo diodo, as bombas de pulverização catódica de íons de triodo apresentam uma excelente estabilidade na sua velocidade de bombeamento para gases nobres porque as superfícies de formação de filme e de pulverização estão separadas. A Fig. 2.63 mostra a configuração do eletrodo das bombas de pulverização catódica de íons de triodo. Sua maior eficiência para o bombeamento de gases nobres é explicada a seguir: a geometria do sistema favorece a incidência de graxa dos íons nas barras de titânio da grade do cátodo, em que a taxa de pulverização catódica é consideravelmente maior do que com incidência perpendicular. O titânio pulverizado se move na mesma direção dos íons incidentes. Os filmes absorvedores são formados preferencialmente no terceiro eletrodo, a placa alvo, que é a parede real do alojamento da bomba. Há um rendimento crescente de partículas ionizadas que são incidentes na grade catódica onde são neutralizadas e refletidas e a partir da qual se deslocam para a placa alvo com uma energia ainda consideravelmente maior do que a energia térmica 1/ 2 · k · T das partículas de gás. As partículas energéticas neutras podem penetrar na camada superficial alvo, mas seu efeito de pulverização é apenas insignificante. Essas partículas enterradas ou implantadas são finalmente cobertas por novas camadas de titânio. Como o alvo está em potencial positivo, quaisquer íons positivos que chegam lá são repelidos e não podem pulverizar as camadas alvo. Portanto, os átomos de gás nobre enterrados não são novamente libertados. A velocidade de bombeamento das bombas de pulverização catódica de íons de triodo para gases nobres não diminui durante a operação da bomba.
Fig. 2.63 Configuração do eletrodo em uma bomba de pulverização catódica de íons de triodo.
Velocidade de bombeamento das bombas de íons
A velocidade de bombeamento das bombas de pulverização catódica de íons depende da pressão e do tipo de gás. Ela é medida de acordo com os métodos indicados em DIN 28 429 e PNEUROP 5615. A curva de velocidade de bombeamento S(p) tem um máximo. A velocidade nominal de bombeamento Sn é dada pelo máximo da curva de velocidade de bombeamento para o ar em que a pressão correspondente deve ser indicada.
Para ar, nitrogênio, dióxido de carbono e vapor de água, a velocidade de bombeamento é praticamente a mesma. Em comparação com a velocidade de bombeamento do ar, as velocidades de bombeamento das bombas de pulverização catódica de íons de óleo para outros gases são aproximadamente:
Hidrogênio 150 a 200%
Metano 100%
Outros hidrocarbonetos leves de 80 a 120%
Oxigênio 80%
Argônio 30%
Hélio 28%
As bombas de pulverização catódica de íons do tipo triodo se destacam em contraste com as bombas do tipo diodo em alta estabilidade de gás nobre. O argônio é bombeado de forma estável mesmo a uma pressão de entrada de 1 · 10-5 mbar. As bombas podem ser iniciadas sem dificuldades em pressões superiores a 1 · 10-2 mbar e podem operar continuamente em uma entrada de ar, produzindo uma pressão de ar constante de 5 · 10-5 mbar. Um novo tipo de design para os eletrodos aumenta a vida útil dos cátodos em 50%.
Influência por campos magnéticos dispersos e íons dispersos da bomba de pulverização catódica de íons
A alta força de campo magnético necessária para a ação de bombeamento leva inevitavelmente a campos magnéticos dispersos na vizinhança dos ímãs. Como resultado, os processos na câmara de vácuo podem ser perturbados em alguns casos, de modo que a bomba de pulverização catódica de íons em questão deve ser fornecida com um arranjo de triagem. As formas e os tipos de um tal arranjo de triagem podem ser considerados como ideais se os processos que ocorrem na câmara de vácuo forem perturbados pelo campo magnético da terra que está presente em qualquer caso.
A Fig. 2.64 mostra o campo magnético disperso no plano do flange de admissão de uma bomba de pulverização catódica de íons IZ 270 e também em um plano paralelo 150 mm acima. Se os íons dispersos da região de descarga forem impedidos de atingir a câmara de vácuo, uma tela adequada pode ser configurada por uma peneira de metal em potencial oposto na abertura de entrada da bomba de pulverização catódica de íons (barreira de íons). Isso, no entanto, reduz a velocidade de bombeamento da bomba de pulverização catódica de íons, dependendo do tamanho da malha da peneira metálica selecionada.
A Fig. 2.64 Campo magnético disperso de uma bomba de pulverização catódica de íons em dois locais paralelos às curvas do flange de admissão (inserções) mostra linhas de indução magnética constante B em Gauss.1 Gauss = 1 ·10–4 Tesla
Bombas absorvedoras não evaporáveis (bombas NEG)
A bomba absorvedora não evaporável opera com um material absorvedor compacto e não evaporável, cuja estrutura é porosa no nível atômico para que possa levar grandes quantidades de gás. As moléculas de gás adsorvidas na superfície do material absorvedor se difundem rapidamente dentro do material, criando assim lugar para outras moléculas de gás que colidam na superfície. A bomba absorvedora não evaporável contém um elemento de aquecimento que é usado para aquecer o material absorvedor a uma temperatura ideal, dependendo do tipo de gás que é preferencialmente bombeado. Em uma temperatura mais alta, o material absorvedor que foi saturado com o gás é regenerado (ativado). Como o material absorvedor, a maioria das ligas de zircônio-alumínio é usada na forma de tiras. As propriedades especiais das bombas NEG são:
- velocidade de bombeamento constante nas faixas de HV e UHV
- sem restrições de pressão de até cerca de 12 mbar
- velocidade de bombeamento particularmente alta para hidrogênio e seus isótopos
- após a ativação, a bomba pode operar em temperatura ambiente e, em seguida, não precisará de energia elétrica
- sem interferência de campos magnéticos
- vácuo sem hidrocarbonetos
- sem vibrações
- peso baixo
Combinação com outros tipos de bomba
Bombas NEG são usadas principalmente em combinação com outras bombas UHV (turbomolecular e bombas criogênicas). Essas combinações são especialmente úteis quando se deseja reduzir ainda mais a pressão máxima dos sistemas UHV, uma vez que o hidrogênio contribui principalmente para a pressão máxima em um sistema UHV, e para o qual as bombas NEG têm uma velocidade de bombeamento particularmente alta, enquanto o efeito de bombeamento para H2 de outras bombas é baixo. Alguns exemplos típicos para aplicações em que as bombas NEG são usadas são aceleradores de partículas e sistemas de pesquisa semelhantes, instrumentos de análise de superfície, colunas SEM e sistemas de pulverização. As bombas NEG são fabricadas oferecendo velocidades de bombeamento de várias vezes `/s a cerca de 1000 l/s. Bombas personalizadas são capazes de atingir uma velocidade de bombeamento para hidrogênio, que é por várias ordens de grandeza mais alta.
Fundamentos da tecnologia de vácuo
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Referências
- Símbolos de vácuo
- Glossário de unidades
- Referências e fontes
Símbolos de vácuo
Um glossário de símbolos normalmente usados em diagramas de tecnologia de vácuo como uma representação visual dos tipos de bomba e peças em sistemas de bombeamento
Glossário de unidades
Uma visão geral das unidades de medida usadas na tecnologia de vácuo e o que os símbolos significam, bem como os equivalentes modernos das unidades históricas
Referências e fontes
Referências, fontes e leitura adicional relacionadas aos conhecimentos fundamentais da tecnologia de vácuo
