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 3-7 kV, que acelera los iones en un electrodo sólido. Pequeños trozos del electrodo se pulverizan 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.
La primera evidencia de bombeo a partir de una descarga eléctrica fue encontrada en 1858 por Julius Plücker , [2] [3] quien realizó los primeros experimentos sobre descarga eléctrica en tubos de vacío. En 1937, Frans Michel Penning observó cierta evidencia de bombeo en el funcionamiento de su medidor 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 , particularmente en la mejora del vacío dentro del klistrón . 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 podían llevar una cámara de vacío a presiones de vacío ultra altas .
El elemento básico de la bomba de iones común es una trampa de Penning . [6] Una nube de electrones arremolinada producida por una descarga eléctrica se almacena temporalmente en la región del ánodo de una trampa de Penning. Estos electrones ionizan los átomos y moléculas de gas entrantes. Los iones arremolinados resultantes se aceleran para golpear un cátodo químicamente activo (generalmente titanio). [7] Al impactar, los iones acelerados quedarán enterrados dentro del cátodo o salpicarán material del cátodo sobre las paredes de la bomba. El material del cátodo químicamente activo recién salpicado actúa como un captador que luego evacua el gas tanto por quimisorción como por fisisorción, lo que resulta en una acción de bombeo neta. Los gases inertes y más ligeros, como He y H 2, tienden a no salpicar y son absorbidos por fisisorción . Una fracción de los iones de gas energéticos (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 a medida que rebota. Estos neutrales energéticos que rebotan están enterrados en superficies de bomba expuestas. [8]
Tanto la velocidad de bombeo como la capacidad de estos métodos de captura dependen de la especie de gas específica que se recoja y del material del cátodo que la absorba. Algunas especies, como el monóxido de carbono, se unirán químicamente a la superficie de un material del cátodo. Otras, como el hidrógeno, se difundirán en la estructura metálica. En el primer ejemplo, la velocidad de bombeo puede disminuir a medida que el material del cátodo se recubre. En el segundo, la velocidad permanece fija por la velocidad a la que se difunde el hidrógeno.
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]
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] Se pueden distinguir dos subtipos: las bombas de iones de pulverización catódica y las bombas de iones de orbitrón.
En las bombas de iones de pulverización catódica, uno o más ánodos huecos se colocan entre dos placas catódicas, con un campo magnético intenso paralelo al eje de los ánodos para aumentar el camino de los electrones en las celdas del ánodo. [5]
En las bombas de vacío orbitales, los electrones se desplazan en órbitas espirales 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 puede emplearse un campo magnético axial débil. [10]
Una bomba de diodo noble es un tipo de bomba de iones utilizada 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 neutros, lo que aumenta la eficacia de bombeo de iones de gas inerte. [9] El bombeo intermitente de altas cantidades de hidrógeno con diodos nobles debe realizarse con mucho cuidado, ya que el hidrógeno podría volver a emitirse fuera del tantalio con el paso de los meses.
Las bombas de iones se utilizan comúnmente en sistemas de ultra alto vacío (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 utilizan aceite. Por lo tanto, son 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 , epitaxia de haz molecular y otros aparatos de alta precisión.
Trabajos recientes han sugerido que los radicales libres que escapan de las bombas de iones pueden influir en los resultados de algunos experimentos. [11]