Bomba combinada Agilent Varian VacIon Plus 300 StarCell com criopanel montado lateralmente e bomba de sublimação de titânio (TSP)
Número de peça Agilent Varian 9192640. Essas bombas combinadas Agilent VacIon Plus 300 StarCell têm um criopanel montado lateralmente com cartucho de bomba de sublimação de titânio (TSP) e aquecedor de 120 V, operam em potencial de tensão negativa, têm um flange de entrada Conflat de 8 polegadas e têm uma velocidade de bombeamento de 720 l/s de azoto. A sublimação de titânio cria gases de alta absorção, por exemplo, CO, CO2, H2, N2, O2, velocidade de bombeamento enquanto os mecanismos de bombeamento de íons lidam com os gases não-obtidos, como argônio e metano. Um folheto completo de dados técnicos e aplicações para as bombas combinadas Agilent Varian VacIon Plus 300 StarCell em formato PDF está disponível para download abaixo. Essas bombas têm o número de peça Agilent Varian 9192640.
- Operação de bombas de íons
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| As bombas de vácuo em geral operam com base na manutenção de uma densidade de gás mais baixa dentro de si do que existe no ambiente que estão bombeando. Isso resulta em uma migração líquida de gás para a bomba devido ao movimento aleatório das moléculas sob condições de fluxo molecular. Uma vez nas bombas, poucos escapam e são deslocados ou capturados, dependendo do tipo de bomba. Em vez de ser uma bomba de deslocamento que realmente move moléculas de gás através dela para a atmosfera, a bomba de íons as captura e armazena. Como resultado, em algum momento a bomba deve ser recondicionada ou substituída. Isso geralmente é necessário somente após muitos anos de uso.
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O nome genérico Sputter Ion Pump (ou Ion Getter Pump) vem do fato de que algumas das moléculas de gás sofrem ionização e causam a pulverização catódica do agente de pulverização. Este material reage quimicamente com os gases ativos para formar compostos estáveis que se depositam nas paredes internas da bomba. O getter, geralmente de titânio, é fornecido por uma placa ou eletrodo desse material, que por sua vez é pulverizado e erodido por íons de gás formados sob a influência da alta tensão. Esses potenciais elétricos estão geralmente na faixa de 3.000 a 7.000 VCC. Um circuito magnético permanente externo gera um campo magnético, geralmente variando de 800 a 2.000 G, paralelo ao eixo da célula do ânodo. A função da estrutura da célula do ânodo é conter uma “nuvem” de elétrons de alta energia que são limitados pelo campo magnético. A maioria dos dispositivos de ionização opera da mesma maneira. Moléculas de gás são bombardeadas por elétrons de alta energia quando ocorre uma colisão. Uma molécula pode perder um ou mais de seus próprios elétrons e, portanto, é deixada como um íon carregado positivamente. Sob a influência de um forte campo elétrico, o íon é acelerado no cátodo de titânio. A força dessa colisão é suficiente para fazer com que os átomos sejam ejetados do cátodo e “espalhados” nas paredes adjacentes da bomba. O titânio recém pulverizado é extremamente reativo e reagirá quimicamente com gases ativos. Os compostos resultantes se acumulam nas superfícies dos elementos da bomba e nas paredes da bomba. Os gases ativos são aqueles como oxigênio, nitrogênio, CO, CO 2 e água, em oposição aos gases nobres como hélio, neônio, argônio, criptônio e xenônio, que não são reativos. Os últimos são bombeados por "enterramento de íons" (o enterramento de íons é o "reboco" de átomos de gás inerte pelos átomos getter pulverizados).
A capacidade de ler pressões usando uma bomba de íons se deve à proporcionalidade direta entre a corrente da bomba e a pressão operacional. A confiabilidade das leituras de pressão em pressões muito baixas é limitada pela corrente de fuga, e a corrente de fuga da emissão de campo depende fortemente da tensão aplicada à bomba. O controlador Dual, projetado para uso com qualquer bomba VacIon Plus, oferece a capacidade exclusiva de ajustar a voltagem de acordo com a pressão operacional. Ao fazer isso, a corrente de fuga é minimizada em baixa pressão, fornecendo uma leitura de pressão confiável na faixa de 10 a 10 mbar.
A Família VacIon Plus
As bombas de íon são comumente usadas para criar Ultra High Vacuum (UHV), devido à sua limpeza, capacidade de bombear diferentes gases, além de operação sem manutenção e sem vibração. A longa vida operacional e a capacidade de ler a pressão são outras características importantes das bombas de íons. A família VacIon Plus foi projetada para aprimorar todas essas características e, portanto, oferece a solução mais avançada e valiosa para qualquer requisito de bombeamento de íons.
Em geral, todas as bombas de íons podem bombear todos os gases até certo ponto. Para obter o melhor desempenho e pressão de base, diferentes tipos de bombas de íons foram desenvolvidos com desempenho otimizado em diferentes faixas de pressão e com diferentes gases. O VacIon Plus da Agilent Varian é uma família de produtos completa que oferece a escolha entre três elementos diferentes: Diodo, Diodo Nobre e StarCell. Seja qual for a aplicação, existe uma bomba VacIon Plus projetada para ela.
Diodo VacIon Plus
A versão de diodo da bomba VacIon Plus tem a velocidade de bombeamento mais alta entre todas as bombas de íons para oxigênio (O 2 ), nitrogênio (N 2 ), dióxido de carbono (CO 2 ), monóxido de carbono (CO) e qualquer outro gás acumulável. Ele também fornece a maior velocidade de bombeamento e capacidade para hidrogênio (H 2 ). Sua estrutura mecânica simples permite uma leitura confiável de corrente/pressão até pressões muito baixas, bem como uma operação absolutamente livre de vibrações. Sua configuração geométrica e elétrica permite que seja usado nas proximidades de detectores de elétrons ou dispositivos similares. As bombas Diode VacIon Plus são, portanto, usadas amplamente e com sucesso em sistemas UHV de uso geral, para dispositivos de evacuação de elétrons e nos microscópios eletrônicos mais sensíveis. No entanto, os diodos não são recomendados para aplicações em que gases nobres como argônio (Ar), hélio (He) e metano (CH 4 ) devem ser bombeados.
Noble Diode VacIon Plus
O elemento Noble Diode VacIon Plus é uma versão do elemento diodo, no qual um cátodo de tântalo é substituído no lugar de um cátodo de titânio. Essa substituição permite maior velocidade de bombeamento e estabilidade para o bombeamento de gases nobres (principalmente argônio e hélio). O elemento é equivalente ao Diode VacIon Plus. As bombas VacIon Plus de diodo nobre são usadas em qualquer aplicação em que o bombeamento de gases nobres seja uma característica importante. Assim como na configuração de diodo, o Noble Diode mantém uma velocidade de bombeamento consistente para todos os gases em pressões muito baixas. No entanto, a velocidade de bombeamento para H 2 e gases coletáveis é menor do que para as bombas de diodo correspondentes. O Noble Diode VacIon Plus é normalmente usado em aplicações UHV onde uma mistura de gás deve ser bombeada e onde a pressão é bastante constante (ou seja, sem explosão repentina de gás ou ciclo sistemático de alta pressão). Suas características de velocidade consistente para quase qualquer gás, mesmo em pressões muito baixas, o tornam ideal sempre que a bomba de íons sozinha é usada para obter pressões UHV. Essa é frequentemente a situação em aceleradores de partículas ou anéis síncrotrons, bem como em aplicações de análise de superfície. Outras versões do VacIon Plus são sugeridas sempre que a aplicação requer ciclos para pressões mais altas, bombeamento de grandes quantidades de H 2 ou quando a bomba de íons é combinada com outras bombas UHV, como bombas de sublimação de titânio ou coletores não evaporáveis.
StarCell VacIon Plus
O elemento StarCell VacIon Plus é a variação mais recente da configuração Triode. Seu design patenteado torna esta bomba de íons a única que pode lidar com uma grande quantidade de gases nobres (melhor que o diodo nobre) e hidrogênio (comparável ao diodo). Além disso, esta bomba fornece a maior velocidade e capacidade para metano, argônio e hélio. Sua alta capacidade total para todos os diferentes gases, junto com seu desempenho de velocidade muito bom em pressões relativamente mais altas, torna o StarCell VacIon Plus ideal para aplicações que requerem operação constante a 10 -8 mbar ou acima. Isso normalmente inclui microscópios eletrônicos e espectrômetros de massa.
Sua alta velocidade de bombeamento para argônio, hélio e metano (a mais alta de qualquer bomba de íons em qualquer pressão) tornou a StarCell o padrão para qualquer aplicação em que a bomba de íons é usada em combinação com bombas de sublimação de titânio (TSP) ou coletores não evaporáveis (NEG), onde seu desempenho de bombeamento é aprimorado. A menor pressão atingível foi obtida com combinações de bombas StarCell VacIon Plus e TSP/NEG, graças às características otimizadas dessas combinações. A maioria dos aceleradores de partículas existentes e fontes de síncrotron, linhas de feixe, linhas de transferência e dispositivos similares usaram e estão usando com sucesso essas combinações para obter a velocidade máxima para todas as espécies de gás.
- Visão geral do VacIon Plus
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| Velocidade de bombeamento
O parâmetro mais comum usado para expressar a capacidade de uma bomba de remover moléculas de um determinado volume é a velocidade de bombeamento. Geralmente é medido em litros por segundo e expressa o volume de gás (a uma determinada pressão) removido por unidade de tempo. Em uma bomba de íons, o efeito líquido de bombeamento resulta da soma de diferentes fenômenos: |
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• A ação de bombeamento do filme getter produzido pela pulverização catódica do material catódico por bombardeio de íons.
• A ação de bombeamento devido à implantação e difusão do íon no cátodo.
• Enterro de gás nos ânodos e nas paredes da bomba.
• A reemissão de gás do cátodo devido ao aquecimento e erosão do cátodo.
Vida
Quando uma bomba de íons é nova ou foi regenerada, por exemplo, por cozimento, a camada superficial do cátodo está limpa e a reemissão de gás é insignificante. Nessa condição, a bomba de íons é chamada de “insaturada” e o efeito de bombeamento é devido tanto ao efeito gattering quanto à implantação e difusão de íons. À medida que aumenta o número de moléculas de gás implantadas no cátodo, aumenta a reemissão delas devido ao bombardeio de íons. Como consequência, a velocidade líquida de bombeamento diminui até que uma condição de equilíbrio entre a implantação do íon e a reemissão do gás seja alcançada. Nesta condição, a bomba de íons está “saturada” e a velocidade líquida de bombeamento, devido apenas à ação de obtenção do material esguichado do catodo, é cerca de metade da velocidade de bombeamento da bomba insaturada. Como o efeito de saturação depende da quantidade de moléculas de gás implantadas no cátodo, o tempo necessário para saturar uma bomba de íons é inversamente proporcional à pressão na qual a bomba é operada. Assim, quanto menor a pressão, maior o tempo até que ocorra a saturação da bomba.
Em um sistema UHV com bombeamento de íons com um procedimento de cozimento adequado (e consequente regeneração da bomba), é possível uma pressão na faixa de 10 -11 mbar. A essa pressão, a bomba de íons funcionará nos valores de velocidade de bombeamento mais altos (insaturados) por alguns anos antes de ficar saturada.
Gases ativos (N 2 , 0 2 , CO, CO 2 ...)
Uma característica desses gases é sua capacidade de reagir facilmente com a maioria dos metais formando compostos estáveis. Em uma bomba de íons, essas moléculas de gás ativo reagem com o filme de titânio fresco produzido pela pulverização catódica do material. Essas moléculas de gás ativo não se difundem profundamente no cátodo. O efeito de saturação, devido à reemissão dessas moléculas presas na superfície do cátodo, é muito forte. Os elementos de diodo e diodo nobre mostram uma velocidade de bombeamento mais alta em baixa pressão, enquanto os elementos StarCell funcionam melhor em pressão mais alta.
hidrogênio
O hidrogênio é um gás ativo, mas, devido à sua massa muito pequena, a taxa de pulverização catódica é muito baixa. Apesar disso, a velocidade de bombeamento do H 2 é muito alta porque ele se difunde rapidamente no cátodo com reemissão desprezível. Ao bombear H 2 , a bomba de íons sempre funciona na condição insaturada. Como resultado, a velocidade nominal para H 2 é cerca de duas vezes o valor correspondente para nitrogênio. Além disso, se alguns vestígios de gases mais pesados estiverem presentes, o aumento da taxa de pulverização produz uma velocidade de bombeamento de hidrogênio ainda maior. O elemento Diodo apresenta uma velocidade de bombeamento mais alta que o Diodo Nobre, pois a solubilidade do H 2 no cátodo de tântalo é menor do que no cátodo de titânio. Os elementos StarCell combinam bom desempenho em pressões mais altas com maior capacidade para H 2 .
Gases Nobres (He, Ne, Ar, Kr e Xe)
Os gases nobres são bombeados por serem enterrados pelo titânio. Os íons de gás nobre podem ser neutralizados e espalhados do cátodo sem perder sua energia. Esses átomos neutros mantêm energia suficiente para implantar ou colar no ânodo e nas paredes da bomba, onde serão enterrados pelo titânio pulverizado e, assim, permanentemente bombeados. Na configuração de diodo, a probabilidade de neutralização e retroespalhamento é muito pequena, portanto, a velocidade de bombeamento para gases nobres é apenas uma pequena porcentagem da velocidade de bombeamento de N 2 . Além disso, ao operar a uma pressão parcial de argônio relativamente alta (isto é, superior a 10 -8 mbar), são observadas explosões repentinas de pressão devido à reemissão de argônio temporariamente implantado no cátodo. Depois que isso ocorre, uma bomba de diodo não é capaz de bombear mais argônio até que sua fonte seja interrompida. Este fenômeno é conhecido como “instabilidade do argônio”.
No elemento Noble Diode, um cátodo de titânio é substituído por um cátodo de tântalo. A alta massa nuclear do tântalo aumenta a probabilidade de retroespalhamento e, conseqüentemente, a velocidade de bombeamento de gases nobres. Os melhores resultados em termos de velocidade de bombeamento de gases nobres são obtidos usando a estrutura de cátodo aberto típica dos elementos StarCell. Nessas configurações, a estrutura do cátodo plano foi substituída por uma estrutura que permite colisões superficiais com íons. Estes são neutralizados e então espalhados para a frente em direção à parede da bomba ou ao ânodo com uma probabilidade muito maior do que no caso do cátodo plano. O resultado é uma velocidade de bombeamento de gases nobres de até 60% de N 2 . Além disso, devido ao design exclusivo que permite o uso ideal de todo o titânio disponível, a vida operacional de uma bomba StarCell é cerca de 50% maior do que todas as outras bombas.
Metano
Embora o metano não seja um gás nobre, ele não reage com nenhum material absorvedor. Está sempre presente em algum grau em sistemas UHV como um produto de reação de hidrogênio e carbono presente nas paredes do sistema de vácuo. O metano é um problema particular em aceleradores de elétrons, onde é a principal causa do decaimento do feixe. Devido à descarga de Penning em bombas de íons, a molécula de metano (assim como outras moléculas de hidrocarbonetos) é quebrada e transformada em compostos menores "gettered" (C, CH 3 , ... H). O resultado é que a velocidade de bombeamento para metano e hidrocarbonetos leves é sempre maior que a velocidade para N 2 .
- Fabricação de qualidade Agilent Varian
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| Limpeza
Para atingir pressões muito baixas (ou seja, 10 -11 mbar) em qualquer sistema, a saída de gases da câmara e da bomba deve ser minimizada. Se não for limpa adequadamente, a própria bomba de íons pode ser uma fonte de gás em UHV. Para garantir a limpeza, as bombas VacIon Plus são processadas na fábrica em alta temperatura em vácuo ultralimpo para uma completa desgaseificação do corpo e de todos os componentes internos. A limpeza do elemento da bomba de íons é ainda mais crítica, devido ao bombardeio contínuo do cátodo. Qualquer gás aprisionado na superfície ou no interior do cátodo acabará sendo liberado. |
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Descarga da bomba de íons
O sistema de desgaseificação da bomba de íons é um processo térmico do corpo da bomba, totalmente controlado por computador e capaz de fornecer um teste final automático das especificações da bomba alcançadas. O cozimento da bomba é feito em uma atmosfera controlada por nitrogênio para proteger o corpo externo da bomba da oxidação.
O sistema é baseado no princípio de desgaseificação térmica das superfícies internas da bomba de íons através do controle de sua desgaseificação intrínseca. Portanto, a pressão, não o tempo, é o fator determinante do processo geral. O tempo de cozimento depende da limpeza interna dos componentes da bomba e todas as bombas terão, desta forma, a mesma taxa final de desgaseificação e pressão de base.
No final do processo térmico, uma vez atingida a temperatura ambiente, é realizado um RGA. O analisador de gases, colocado no sistema de vácuo, fornece o espectro dos diferentes gases desgaseificados pela bomba. Se H 2 e os outros picos normalmente presentes em um sistema de vácuo bem cozido excederem os níveis de aceitação, a bomba é cozida novamente. Caso contrário, ele é comprimido e sua pressão de base monitorada. A pressão de base é avaliada através da leitura da corrente de íons. A diminuição da corrente é monitorada por computador e a bomba está pronta para ser enviada somente depois que a corrente de base é atingida.
Longa Vida Operacional
Todas as bombas VacIon Plus têm vida útil superior a muitos milhares de horas a uma pressão de 1x10 -6 mbar (50.000 horas para a bomba de diodo e 80.000 horas para a StarCell). Com muitas bombas de íons, a manutenção pode ser necessária bem antes da vida nominal, devido à metalização dos isoladores ou à distorção do elemento de bombeamento. Todos os elementos VacIon Plus são projetados para minimizar a distorção do cátodo (mesmo após repetidos cozimentos e partidas em alta pressão), e os isoladores são protegidos contra titânio pulverizado usando um design reentrante duplo e uma tampa protetora.
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