Las bombas de absorción de iones (también llamadas bombas de iones de pulverización o simplemente bombas de iones) producen un vacío ultra alto (UHV) sin la ayuda de piezas móviles o válvulas. Esto las hace muy eficaces, silenciosas y de bajo mantenimiento.

Las bombas de iones requieren un gran campo magnético dentro de una cámara aislada y utilizan altos voltajes para atraer a los electrones hacia el conjunto. El bombeo se basa en la pulverización de materiales getter dentro de una serie de celdas y por la implantación o enterramiento de los iones producidos.

Las moléculas de gas bombeadas por quimisorción (gettered) y fisisorción (iones) están ahora permanentemente «ligadas» y no pueden «contribuir» a la presión dentro de la cámara.

El proceso es bastante extenso y complejo, por lo que en este blog, explicaremos cómo funcionan las bombas getter de iones y cómo se utilizan.

Principios de funcionamiento

Con las bombas de captación de iones, el bombeo inicial (normalmente gestionado por una combinación de bombas turbomoleculares) se utiliza para eliminar el gas a granel hasta que el vacío desciende a aproximadamente 10-4 mbar o menos.

Después de eliminar el gas a granel, se aplica un alto voltaje (de entre 4.000 y 7.000 voltios) a través del conjunto de elementos. Esto «atrae» a los electrones hacia el conjunto cilíndrico del tubo anódico. Los electrones se unen en trayectorias en espiral apretadas por un imán permanente (de 0,12 Telsa de intensidad de campo) situado fuera de la cámara de vacío, formando así una descarga de plasma.

Los iones creados bombardean entonces la placa catódica de titanio. El bombeo de los iones moleculares/gas puede producirse entonces por implantación (fisisorción). El bombardeo provoca la pulverización de los átomos de titanio de la red del cátodo. Esto da lugar a depósitos en las superficies circundantes de la película pulverizada. Esta película produce el bombeo mediante gettering, es decir, la quimisorción de las moléculas de gas.

Principios de funcionamiento

Hay tres tipos de elementos de bombeo de los captadores de iones: el diodo convencional (CV), el ion diferencial (DI o diodo noble) y el triodo. Cada tipo tiene sus ventajas y desventajas, como se indica a continuación:

1. Bomba CV/Diodo

El elemento de la bomba de iones CV/Diodo proporciona la mayor velocidad de bombeo para gases reactivos y una estabilidad eléctrica y de vacío superior. Sin embargo, no proporciona una estabilidad a largo plazo para el bombeo de gases nobles.

2. DI/Diodo noble

Con una velocidad de bombeo de iones ligeramente inferior a la de CV/Diodo, la DI/Diodo noble garantiza un bombeo estable de gases nobles; conservando el 80% de la velocidad de bombeo de CV. Eso sí, utiliza materiales de mayor precio.

3. Bomba de triodo

El elemento de bomba de triodo es una configuración de «malla». Proporciona un bombeo estable de gases nobles, conserva el 80% de la velocidad de bombeo de los CV y tiene una mayor presión de arranque. En el lado negativo, la velocidad de bombeo de ultra alto vacío (UHV) se reduce, la inestabilidad eléctrica es común y los costes de fabricación son mayores.

¿Cuáles son las diferencias entre las bombas?

La principal diferencia entre las bombas convencionales, diferenciales y triódicas es el material del cátodo utilizado.

En el caso de la bomba CV/Diodo, el material del cátodo es de titanio. El cátodo de titanio reaccionará con los gases obtenibles que pueden ser bombeados por quimisorción (por ejemplo, N2, O2, H2, CO, vapor de agua de CO2 e hidrocarburos ligeros). Los gases nobles no reactivos se bombean principalmente por implantación de iones, razón por la cual las bombas CV/Diodo tienen una velocidad de bombeo significativamente reducida para los gases nobles.

Para las bombas DI/Noble Diodo, en lugar de titanio, el material del cátodo es de tantalio. El tántalo es un material extremadamente duro y de alta masa atómica. Como tal, refleja los iones de los gases nobles como partículas neutras con una energía mucho mayor que la del titanio. Esto proporciona una profundidad de implantación mucho mayor en los electrodos y la fisisorción (atrapamiento).

Por último, el triodo. La configuración del triodo es diferente a la del CV y DI en que los anillos están realmente conectados a tierra, y utiliza anillos de titanio de tensión negativa como cátodo.

Detrás del cátodo se coloca una placa colectora a potencial anódico. A menudo, la pared interior del recipiente de la bomba sirve como tercer electrodo (a potencial de tierra). Como resultado, la velocidad de bombeo y la estabilidad son mayores. Pero con el tiempo los átomos de titanio se acumulan en estos anillos, creando algunos bigotes y reduciendo el espacio entre los anillos y la pared de vacío, introduciendo inestabilidad eléctrica.

Para obtener más detalles sobre los diferentes elementos de bombeo, vea el vídeo que aparece a continuación:

Aplicaciones y ventajas

Las bombas de obtención de iones, que funcionan en el rango de 10-5 a 10-12 mbar, se utilizan con frecuencia en los sistemas generales de UHV, como la epitaxia de haz molecular (MBE), el análisis de superficies (p. ej. microscopios de túnel de barrido), otros instrumentos de análisis de superficies y en física de alta energía, como colisionadores y sincrotrones.

Además de producir presiones UHV, las bombas de captación de iones son:

• absolutamente libres de hidrocarburos,
• operables a altas temperaturas,
• altamente resistentes a la radiación/campos magnéticos,
• sin partes móviles (y por tanto sin vibraciones).

Además, al no requerir regeneración, son de bajo mantenimiento (con sustitución de cátodos) y (a diferencia de muchas bombas de vacío) pueden utilizarse sin válvulas de aislamiento de entrada. Estas ventajas hacen que las bombas de absorción de iones sean muy adecuadas para los aparatos de alta precisión. Desgraciadamente, pueden ser pobres en el bombeo de gases nobles, requieren un alto voltaje y un campo magnético, y necesitan una bomba turbomolecular u otra bomba secundaria para crear la presión inicial.