Bomba combinada Agilent Varian VacIon Plus 150 StarCell con criopanel de montaje lateral y bomba de sublimación de titanio (TSP)
Número de pieza de Agilent Varian 9192540. Estas bombas combinadas Agilent Varian VacIon Plus 150 StarCell tienen un criopanel de montaje lateral con cartucho de bomba de sublimación de titanio (TSP) y calentador de 120 V, funcionan con potencial de voltaje negativo, tienen una brida de entrada Conflat de 6 pulgadas y tienen una velocidad de bombeo de 610 l/s de nitrógeno. La sublimación de titanio crea gases captables extra altos, por ejemplo, CO, CO2, H2, N2, O2, mientras que los mecanismos de bombeo de iones manejan los gases no captables como el argón y el metano. A continuación se puede descargar un folleto completo de datos técnicos y aplicaciones de las bombas combinadas Agilent Varian VacIon Plus 150 StarCell en formato PDF. Estas bombas tienen el número de pieza Agilent Varian 9192540.
- Operación de bombas de iones
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| Las bombas de vacío en general funcionan sobre la base de mantener una densidad de gas más baja dentro de sí mismas que la que existe en el entorno que están bombeando. Esto da como resultado una migración neta de gas hacia la bomba debido al movimiento aleatorio de las moléculas en condiciones de flujo molecular. Una vez en las bombas, pocas escapan y son desplazadas o capturadas, según el tipo de bomba. En lugar de ser una bomba de desplazamiento que realmente mueve moléculas de gas a través de ella hacia la atmósfera, la bomba de iones las captura y almacena. Como resultado, en algún momento la bomba debe reacondicionarse o reemplazarse. Esto generalmente se requiere solo después de muchos años de uso.
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El nombre genérico Sputter Ion Pump (o Ion Getter Pump) proviene del hecho de que algunas de las moléculas de gas experimentan ionización y provocan la pulverización del agente de pulverización. Este material reacciona químicamente con los gases activos para formar compuestos estables que se depositan en las paredes internas de la bomba. El absorbente, generalmente titanio, lo proporciona una placa o electrodo de ese material, que a su vez es pulverizado y erosionado por iones de gas formados bajo la influencia del alto voltaje. Estos potenciales eléctricos suelen estar en el rango de 3000 a 7000 VCC. Un circuito magnético permanente externo genera un campo magnético, normalmente entre 800 y 2000 G, paralelo al eje de la celda del ánodo. La función de la estructura de la celda del ánodo es contener una "nube" de electrones de alta energía que están restringidos por el campo magnético. La mayoría de los dispositivos de ionización funcionan de la misma manera. Las moléculas de gas son bombardeadas por electrones de alta energía cuando ocurre una colisión. Una molécula puede perder uno o más de sus propios electrones y, por lo tanto, queda como un ion con carga positiva. Bajo la influencia de un fuerte campo eléctrico, el ion se acelera hacia el cátodo de titanio. La fuerza de esta colisión es suficiente para hacer que los átomos sean expulsados del cátodo y "pulverizados" sobre las paredes adyacentes de la bomba. El titanio recién pulverizado es extremadamente reactivo y reaccionará químicamente con los gases activos. Los compuestos resultantes se acumulan en las superficies de los elementos de la bomba y en las paredes de la bomba. Los gases activos son aquellos como el oxígeno, el nitrógeno, el CO, el CO 2 y el agua, a diferencia de los gases nobles como el helio, el neón, el argón, el criptón y el xenón, que no son reactivos. Estos últimos son bombeados por "entierro de iones" (el entierro de iones es el "enyesado" de átomos de gas inerte por los átomos captadores pulverizados).
La capacidad de leer presiones con una bomba de iones se debe a la proporcionalidad directa entre la corriente de la bomba y la presión de funcionamiento. La fiabilidad de las lecturas de presión a muy baja presión está limitada por la corriente de fuga, y la corriente de fuga de la emisión de campo depende en gran medida del voltaje aplicado a la bomba. El controlador dual, diseñado para usarse con cualquier bomba VacIon Plus, brinda la capacidad única de ajustar el voltaje de acuerdo con la presión de funcionamiento. Al hacer esto, la corriente de fuga se minimiza a baja presión, proporcionando una lectura de presión confiable hasta el rango de 10 -10 mbar.
La familia VacIon Plus
Las bombas de iones se utilizan comúnmente para crear vacío ultraalto (UHV), debido a su limpieza, capacidad para bombear diferentes gases, junto con un funcionamiento sin mantenimiento y sin vibraciones. La larga vida útil y la capacidad de leer la presión son otras características importantes de las bombas de iones. La familia VacIon Plus ha sido diseñada para mejorar todas estas características y, por lo tanto, ofrece la solución más avanzada y valiosa para cualquier requisito de bombeo de iones.
En general, todas las bombas iónicas pueden bombear todos los gases hasta cierto punto. Para obtener el mejor rendimiento y presión base, se han desarrollado diferentes tipos de bombas de iones con un rendimiento optimizado en diferentes rangos de presión y con diferentes gases. VacIon Plus de Agilent Varian es una familia de productos completa que ofrece la posibilidad de elegir entre tres elementos diferentes: diodo, diodo noble y StarCell. Sea cual sea la aplicación, hay una bomba VacIon Plus diseñada para ello.
Diodo VacIon Plus
La versión de diodo de la bomba VacIon Plus tiene la velocidad de bombeo más alta entre todas las bombas de iones para oxígeno (O 2 ), nitrógeno (N 2 ), dióxido de carbono (CO 2 ), monóxido de carbono (CO) y cualquier otro gas recolectable. También proporciona la mayor velocidad de bombeo y capacidad para hidrógeno (H 2 ). Su estructura mecánica simple permite una lectura fiable de corriente/presión hasta presiones muy bajas, así como un funcionamiento absolutamente libre de vibraciones. Su configuración geométrica y eléctrica permite su uso en la proximidad de detectores de electrones o dispositivos similares. Por lo tanto, las bombas Diode VacIon Plus se utilizan ampliamente y con éxito en sistemas UHV de uso general, para evacuar dispositivos electrónicos y en los microscopios electrónicos más sensibles. Sin embargo, los diodos no se recomiendan para aplicaciones en las que se bombeen gases nobles como argón (Ar), helio (He) y metano (CH 4 ).
Noble diodo VacIon Plus
El elemento Noble Diode VacIon Plus es una versión del elemento diodo, en el que se sustituye un cátodo de tantalio en lugar de un cátodo de titanio. Esta sustitución permite una mayor velocidad de bombeo y estabilidad para el bombeo de gases nobles (principalmente argón y helio). Por lo demás, el elemento es equivalente al Diode VacIon Plus. Las bombas Noble Diode VacIon Plus se utilizan en cualquier aplicación donde el bombeo de gases nobles es una característica importante. Al igual que con la configuración de diodo, Noble Diode mantiene una velocidad de bombeo constante para todos los gases a presiones muy bajas. Sin embargo, la velocidad de bombeo para H 2 y gases recolectables es menor que para las bombas de diodo correspondientes. El Noble Diode VacIon Plus se usa típicamente en aplicaciones UHV donde se bombea una mezcla de gas y donde la presión es bastante constante (es decir, sin explosión repentina de gas o ciclos sistemáticos de alta presión). Sus características de velocidad constante para casi cualquier gas, incluso a presiones muy bajas, lo hacen ideal siempre que se utilice la bomba de iones sola para obtener presiones UHV. Esta suele ser la situación en los aceleradores de partículas o los anillos de sincrotrón, así como en las aplicaciones de análisis de superficies. Se sugieren otras versiones de VacIon Plus cuando la aplicación requiere ciclos a presiones más altas, bombeo de grandes cantidades de H 2 o cuando la bomba de iones se combina con otras bombas UHV, como bombas de sublimación de titanio o captadores no evaporables.
StarCell VacIon Plus
El elemento StarCell VacIon Plus es la última variación de la configuración Triode. Su diseño patentado hace que esta bomba de iones sea la única que puede manejar una gran cantidad de gases nobles (mejor que el Diodo Noble) e hidrógeno (comparable al Diodo). Además, esta bomba proporciona la mayor velocidad y capacidad para metano, argón y helio. Su alta capacidad total para todos los diferentes gases, junto con su muy buen rendimiento de velocidad a presiones relativamente más altas, hace que StarCell VacIon Plus sea ideal para aplicaciones que requieren un funcionamiento constante a 10 -8 mbar o más. Esto normalmente incluye microscopios electrónicos y espectrómetros de masas.
Su alta velocidad de bombeo para argón, helio y metano (la más alta de cualquier bomba de iones a cualquier presión) ha convertido a StarCell en el estándar para cualquier aplicación en la que la bomba de iones se use en combinación con bombas de sublimación de titanio (TSP) o captadores no evaporables. (NEG), donde se mejora su rendimiento de bombeo. La presión más baja alcanzable se ha obtenido con combinaciones de bombas StarCell VacIon Plus y TSP/NEG, gracias a las características optimizadas de estas combinaciones. La mayoría de los aceleradores de partículas y fuentes de sincrotrón existentes, líneas de haz, líneas de transferencia y dispositivos similares han usado y están usando con éxito estas combinaciones para obtener la velocidad máxima para todas las especies de gases.
- Descripción general de VacIon Plus
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| Velocidad de bombeo
El parámetro más común utilizado para expresar la capacidad de una bomba para eliminar moléculas de un volumen determinado es la velocidad de bombeo. Suele medirse en litros por segundo y expresa el volumen de gas (a una determinada presión) eliminado por unidad de tiempo. En una bomba de iones, el efecto de bombeo neto resulta de la suma de diferentes fenómenos: |
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• La acción de bombeo de la película getter producida por la pulverización catódica del material del cátodo por bombardeo de iones.
• La acción de bombeo debido a la implantación y difusión de iones en el cátodo.
• Entierro de gas en los ánodos y paredes de la bomba.
• La reemisión de gas del cátodo debido al calentamiento y erosión del cátodo.
Toda la vida
Cuando una bomba de iones es nueva o se ha regenerado, por ejemplo mediante horneado, la capa superficial del cátodo está limpia y la reemisión de gas es insignificante. En esta condición, la bomba de iones se denomina "no saturada" y el efecto de bombeo se debe tanto al efecto de acumulación como a la implantación y difusión de iones. A medida que aumenta el número de moléculas de gas implantadas en el cátodo, aumenta la reemisión de las mismas debida al bombardeo de iones. Como consecuencia, la velocidad neta de bombeo disminuye hasta que se alcanza una condición de equilibrio entre la implantación de iones y la reemisión de gases. En esta condición, la bomba de iones está "saturada" y la velocidad de bombeo neta, debido únicamente a la acción de captación del material pulverizado desde el cátodo, es aproximadamente la mitad de la velocidad de bombeo de la bomba no saturada. Dado que el efecto de saturación depende de la cantidad de moléculas de gas implantadas en el cátodo, el tiempo necesario para saturar una bomba de iones es inversamente proporcional a la presión a la que funciona la bomba. Por lo tanto, cuanto menor sea la presión, mayor será el tiempo antes de que se produzca la saturación de la bomba.
En un sistema UHV de bombeo iónico con un procedimiento de horneado adecuado (y la consiguiente regeneración de la bomba), es posible una presión en el rango de 10 -11 mbar. A esta presión, la bomba de iones funcionará a los valores de velocidad de bombeo más altos (no saturados) durante algunos años antes de saturarse.
Gases Activos (N 2 , 0 2 , CO, CO 2 ...)
Una característica de estos gases es su capacidad para reaccionar fácilmente con la mayoría de los metales formando compuestos estables. En una bomba de iones, estas moléculas de gas activo reaccionan con la película de titanio fresca producida por la pulverización catódica del material del cátodo. Estas moléculas de gas activo no se difunden profundamente en el cátodo. El efecto de saturación, debido a la reemisión de estas moléculas atrapadas en la superficie del cátodo, es muy fuerte. Los elementos Diode y Noble Diode muestran una mayor velocidad de bombeo a baja presión, mientras que los elementos StarCell funcionan mejor a mayor presión.
Hidrógeno
El hidrógeno es un gas activo pero, debido a su masa muy pequeña, la tasa de pulverización catódica es muy baja. A pesar de este hecho, la velocidad de bombeo del H2 es muy alta porque se difunde rápidamente en el cátodo con una reemisión insignificante. Al bombear H 2 , la bomba de iones siempre funciona en condiciones no saturadas. Como resultado, la velocidad nominal del H 2 es aproximadamente el doble del valor correspondiente del nitrógeno. Además, si hay algunos rastros de gases más pesados, la mayor tasa de pulverización produce una velocidad de bombeo de hidrógeno aún mayor. El elemento Diodo muestra una mayor velocidad de bombeo que el Diodo Noble ya que la solubilidad del H 2 en el cátodo de tantalio es menor que en un cátodo de titanio. Los elementos StarCell combinan un buen rendimiento a presiones más altas con una mayor capacidad para H 2 .
Gases nobles (He, Ne, Ar, Kr y Xe)
Los gases nobles se bombean al ser enterrados por titanio. Los iones de gases nobles se pueden neutralizar y dispersar desde el cátodo sin perder su energía. Estos átomos neutros mantienen suficiente energía para implantarse o pegarse en el ánodo y en las paredes de la bomba donde serán enterrados por el titanio pulverizado y, por lo tanto, bombeados permanentemente. En la configuración de diodo, la probabilidad de neutralización y retrodispersión es muy pequeña, por lo que la velocidad de bombeo de los gases nobles es solo un pequeño porcentaje de la velocidad de bombeo del N 2 . Además, cuando se opera a una presión parcial de argón relativamente alta (es decir, superior a 10 -8 mbar), se observan ráfagas repentinas de presión debido a la reemisión de argón implantado temporalmente en el cátodo. Después de que esto ocurre, una bomba de diodo no puede bombear más argón hasta que se detiene su fuente. Este fenómeno se conoce como “inestabilidad del argón”.
En el elemento Noble Diode, un cátodo de titanio se reemplaza con un cátodo de tantalio. La elevada masa nuclear del tantalio aumenta la probabilidad de retrodispersión y, en consecuencia, la velocidad de bombeo de los gases nobles. Los mejores resultados en términos de velocidad de bombeo de gases nobles se obtienen utilizando la estructura de cátodo abierto típica de los elementos StarCell. En estas configuraciones, la estructura de cátodo plano ha sido reemplazada por una estructura que permite colisiones oblicuas con iones. Estos se neutralizan y luego se dispersan hacia la pared de la bomba o el ánodo con una probabilidad mucho mayor que en el caso del cátodo plano. El resultado es una velocidad de bombeo para gases nobles de hasta un 60% de N 2 . Además, debido al diseño exclusivo que permite un uso óptimo de todo el titanio disponible, la vida útil de una bomba StarCell es aproximadamente un 50 % mayor que la de todas las demás bombas.
Metano
Aunque el metano no es un gas noble, no reacciona con ningún material absorbente. Siempre está presente en algún grado en los sistemas UHV como un producto de reacción del hidrógeno y el carbono presentes en las paredes del sistema de vacío. El metano es un problema particular en los aceleradores de electrones, donde es la causa principal de la descomposición del haz. Debido a la descarga de Penning en las bombas de iones, la molécula de metano (así como otras moléculas de hidrocarburo) se rompe y se transforma en compuestos "obtenidos" más pequeños (C, CH 3 , ... H). El resultado es que la velocidad de bombeo de metano e hidrocarburos ligeros siempre es mayor que la velocidad de N 2 .
- Fabricación de calidad Agilent Varian
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| Limpieza
Para alcanzar presiones muy bajas (es decir, 10 -11 mbar) en cualquier sistema, se debe minimizar la desgasificación tanto de la cámara como de la bomba. Si no se limpia correctamente, la propia bomba de iones puede convertirse en una fuente de gas en UHV. Para garantizar la limpieza, las bombas VacIon Plus se procesan en fábrica a alta temperatura en vacío ultralimpio para una desgasificación completa del cuerpo y todos los componentes internos. La limpieza del elemento de la bomba de iones es aún más crítica debido al bombardeo continuo del cátodo. Cualquier gas atrapado en la superficie o en la mayor parte del cátodo eventualmente se liberará. |
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Desgasificación por bomba de iones
El sistema de desgasificación de la bomba de iones es un proceso térmico del cuerpo de la bomba, completamente controlado por computadora y capaz de proporcionar una prueba final automática de las especificaciones logradas de la bomba. El horneado de la bomba se realiza en una atmósfera controlada por nitrógeno para proteger el cuerpo externo de la bomba de la oxidación.
El sistema se basa en el principio de desgasificación térmica de las superficies internas de la bomba de iones mediante el control de su desgasificación intrínseca. Por lo tanto, la presión, no el tiempo, es el factor impulsor del proceso general. El tiempo de horneado depende de la limpieza interna de los componentes de la bomba y todas las bombas tendrán, de esta forma, la misma tasa final de desgasificación y presión base.
Al final del proceso térmico, una vez alcanzada la temperatura ambiente, se realiza un RGA. El analizador de gases, colocado en el sistema de vacío, proporciona el espectro de los diferentes gases desgasificados por la bomba. Si el H 2 y los demás picos normalmente presentes en un sistema de vacío bien horneado superan los niveles de aceptación, la bomba vuelve a hornearse. De lo contrario, se pellizca y se controla su presión base. La presión base se evalúa a través de la lectura de la corriente de iones. La disminución de corriente es monitoreada por computadora, y la bomba está lista para ser enviada solo después de que se alcanza la corriente base.
Larga vida útil
Todas las bombas VacIon Plus tienen vidas nominales superiores a muchos miles de horas a una presión de 1x10 -6 mbar (50 000 horas para la bomba de diodo y 80 000 horas para la StarCell). Con muchas bombas de iones, es posible que se requiera mantenimiento mucho antes de la vida nominal, debido a la metalización de los aisladores o la distorsión del elemento de bombeo. Todos los elementos VacIon Plus están diseñados para minimizar la distorsión del cátodo (incluso después de horneados repetitivos y arranques a alta presión), y los aisladores están protegidos contra el titanio pulverizado usando un diseño de doble entrada y un protector de tapa.
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