Una bomba de iones (también conocida como bomba de iones de pulverización ) 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 conectada y emplea un fuerte potencial eléctrico, típicamente de 3 a 7 kV, que acelera los iones hasta convertirlos en un electrodo sólido. Se pulverizan pequeños trozos del electrodo en la cámara. Los gases quedan atrapados mediante 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 descargas eléctricas 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 , particularmente para mejorar el 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 podía llevar una cámara de vacío a presiones de vacío ultraaltas .
El elemento básico de la bomba de iones común es una trampa de 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 los átomos y moléculas del gas entrante. 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 pulverizarán el material del cátodo sobre las paredes de la bomba. El material catódico químicamente activo recién pulverizado actúa como un captador que luego evacua el gas mediante quimisorción y fisisorción , lo que da como resultado una acción de bombeo neta. Los gases inertes y más ligeros, como el He y el H2, tienden a no chisporrotear y son absorbidos por fisisorción . Una 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 a medida que rebota. Estos neutros energéticos que rebotan están enterrados en las superficies expuestas de la bomba. [8]
Tanto la tasa de bombeo como la capacidad de dichos métodos de captura dependen de la especie de gas específica 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 catódico. Otros, como el hidrógeno, se difundirán hacia la estructura metálica. En el primer ejemplo, la velocidad de bombeo puede disminuir 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.
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 diodos estándar es un tipo de bomba de iones empleada en procesos de alto vacío que contiene sólo cátodos químicamente activos, a diferencia de las bombas de diodos nobles. [9] Se pueden distinguir dos subtipos: las bombas de iones de pulverización catódica y las bombas de iones orbitrón.
En las bombas de iones de pulverización catódica, se colocan uno o más ánodos huecos entre dos placas catódicas, con un intenso campo magnético paralelo al eje de los ánodos para aumentar el camino de los electrones en las celdas del ánodo. [5]
En las bombas de vacío orbitron, se hace que los electrones viajen 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 se puede emplear 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 entierro de neutros, lo que aumenta la eficacia del bombeo de iones de gas inerte. [9] El bombeo intermitente de grandes cantidades de hidrógeno con diodos nobles debe hacerse con mucho cuidado, ya que el hidrógeno podría volver a emitirse durante meses desde el tantalio.
Las bombas de iones se utilizan comúnmente en sistemas de vacío ultraalto (UHV), ya que pueden alcanzar presiones máximas 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 tanto, están limpios, necesitan poco mantenimiento y no producen vibraciones. Estas ventajas hacen que las bombas de iones sean muy adecuadas para su uso en microscopía de sonda de barrido y otros aparatos de alta precisión.
Trabajos recientes han sugerido que los radicales libres que se escapan de las bombas de iones pueden influir en los resultados de algunos experimentos. [11]