ES2282728T3 - Bomba ionica de pulverizacion catodica que comprende un conjunto de imanes mejorado. - Google Patents
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Abstract
Una bomba de iones que comprende: una o más celdas de ánodo (120a. 120b, ....120n) de bomba; un cátodo (124, 126) situado en proximidad a las una o más celdas de ánodo (120a, ....120n) de bomba en el que la bomba de iones está adaptada para un campo eléctrico a aplicar entre el cátodo (124, 126) y las una o más celdas de ánodo (120a, ....120n) de bomba ; y un conjunto de imanes para producir un campo magnético en las una o más celdas de ánodo (120a, ....120n), cuyo conjunto de imanes comprende: unos imanes primarios (142, 144) de polaridades contrarias dispuestos en extremos opuestos de las celdas de ánodo (120a, ...120n); y caracterizada por:: unos imanes secundarios (160, 162) dispuestos en lados opuestos de las celdas de ánodo (120a, ....120n) de bomba.
Description
Bomba iónica de pulverización catódica que
comprende un conjunto de imanes mejorado.
Este invento se refiere a las bombas de vacío
conocidas como bombas de pulverización de iones y, más
particularmente, a un conjunto de imanes que proporciona un
rendimiento mejorado a las bombas de pulverización de iones.
La estructura básica de una bomba de
pulverización de iones incluye un ánodo, un cátodo, y un imán. El
ánodo incluye una o más celdas de bomba, que podrían ser
cilíndricas. Unas placas de cátodo, típicamente de titanio, están
situadas en los extremos opuestos de las celdas de comba. Un
conjunto de imanes produce un campo magnético orientado a lo largo
del eje del ánodo. Una tensión, típicamente de 3 kV a 9 kV, aplicada
entre las placas de cátodo y el ánodo produce un campo eléctrico
que da lugar a que se emitan electrones del cátodo. El campo
magnético produce unas trayectorias de electrones largas, más o
menos helicoidales. Las trayectorias helicoidales relativamente
largas de los electrones, antes de llegar al ánodo, mejoran las
probabilidades de colisión con moléculas de gas dentro de las
celdas de bomba. Cuando un electrón colisiona con una molécula de
gas, tiende a liberar otro electrón de la molécula. Los iones
positivos se desplazan hasta el cátodo debido a la acción del campo
eléctrico. La colisión con la superficie sólida produce un fenómeno
llamado pulverización iónica, es decir, expulsión de átomos de
titanio de la superficie del cátodo. Alunas de las moléculas o
átomos ionizados chocan con la superficie del cátodo con fuerza
suficiente para penetrar al sólido y permanecen enterrados.
Las bombas de pulverización de iones de la
técnica anterior tienen en general un rendimiento satisfactorio.
Sin embargo, las bombas de iones presentan típicamente menores
velocidades de bombeo a bajas presiones. Además, las bombas de
iones se podrían apagar y no proveer acción de bombeo alguna en
presiones muy bajas. La velocidad de bombeo de una celda de ánodo
de bomba varía dependiendo de varios parámetros, incluyendo la
intensidad del campo magnético. En el documento
US-A-3 994 se describe una bomba de
iones de este tipo general.
De acuerdo con lo anterior, se necesitan bombas
de iones perfeccionadas y para conjuntos de imanes para bombas de
pulverización de iones.
Los documentos
US-A-4 937 545 y EP- A- 0 161 782
describen conjuntos de imanes pero no se refieren a bombas de
iones.
De acuerdo con un primer aspecto del invento, se
provee una bomba de iones que comprende:
una o más celdas de ánodo de bomba;
un cátodo situado en las proximidades de las una
o más celdas de ánodo de bomba, en el que la bomba de iones está
adaptada para un campo eléctrico a aplicar entre el cátodo y las una
o más celdas de ánodo de bomba; y un conjunto de imanes pata
producir un campo magnético en las una o más celdas de ánodo de
bomba, cuyo conjunto de imanes comprende:
- imanes primarios de polaridades contrarias dispuestos en los extremos opuestos de las celdas de ánodo de bomba; y caracterizada por:
- imanes secundarios dispuestos en lados opuestos de las celdas de ánodo de bomba.
Los imanes secundarios podrían comprender imanes
de polaridades contrarias dispuestos sobre el primer lado de la
culata del imán e imanes de polaridades contrarias dispuestos en el
segundo lado de la culata del imán. Cada uno de los imanes
secundarios está situado junto a un imán primario de la misma
polaridad.
De acuerdo con otro aspecto del invento, se
provee un método para hacer funcionar una bomba de iones que incluye
una o más celdas de ánodo de bomba y un cátodo, cuyo método
comprende:
aplicar un campo eléctrico entre el cátodo y las
una o más celdas de ánodo de bomba; y
producir un campo magnético en las una o más
celdas de ánodo de bomba con un conjunto de imanes que incluye
imanes primarios en los extremos opuestos de la celdas de ánodo de
bomba y caracterizado por imanes secundarios en los lados opuestos
de las celdas de ánodo de bomba.
Para que se comprenda mejor el presente invento,
a continuación se describen realizaciones a título de ejemplo con
referencia a los dibujos adjuntos, y en los que:
La Figura 1 es un diagrama esquemático de una
celda de bomba de iones de la técnica anterior;
La Figura 2 es un diagrama esquemático
simplificado de una bomba de pulverización de iones de la técnica
anterior;
La Figura 3 es un diagrama esquemático
simplificado de una bomba de pulverización de iones de acuerdo con
una realización del invento;
La Figura 4 es una vista lateral de una
realización de una bomba de pulverización de iones de acuerdo con
una realización del invento;
La Figura 5 es una vista desde arriba de la
bomba de pulverización de iones mostrada en la Figura 4;
Las Figura 6 a 8 son gráficos de velocidad de
bombeo de nitrógeno en litros por segundo en función de la presión
para un conjunto de imanes de la técnica anterior y para conjuntos
de imanes de acuerdo con realizaciones del invento, a diferentes
tensiones de funcionamiento.
La Figura 9 es un diagrama esquemático
simplificado de una bomba de diodos para pulverización de iones;
y
La Figura 10 es un diagrama esquemático
simplificado de una bomba de triodos para pulverización de
iones.
En la Figura 1 se muestra un diagrama
esquemático de una celda de bomba de iones de la técnica anterior.
Una celda cilíndrica 20 de ánodo tiene un eje 22 de celda. La celda
20 de ánodo se podría fabricar de acero inoxidable, por ejemplo.
Unas placas de cátodo 24 y 26 están situadas en extremos opuestos de
la celda 20 de ánodo y podrían ser perpendiculares al eje 22 de
celda. Una fuente de alimentación 30 aplica una tensión, típicamente
de 3 kV a 9 kV, entre las placas de cátodo 24, 26 y la celda 20 de
ánodo. Un conjunto de imanes (no mostrado en la Figura 1) produce
un campo magnético 32 en la celda 20 de ánodo paralelo al eje 22 de
celda.
En la Figura 2 se muestra un diagrama
esquemático de una bomba de pulverización de iones de la técnica
anterior que tiene múltiples celdas de ánodo. A los elementos
similares de las Figuras 1 y 2 se les han asignado los mismos
números de referencia. La bomba de pulverización de iones de la
Figura 2 incluye múltiples celdas de ánodo 20a,
20b, ... 20n, situadas entre las placas de cátodo 24 y 26. La fuente de alimentación 30 está conectada entre las placas de cátodo 24, 26 y las celdas de ánodo 20a, 20b, ... 20n. Un conjunto de imanes 40 incluye imanes primarios 42 y 44 situados en los extremos opuestos de las celdas de ánodo 20a, 20b, ... 20n. El imán primario 42 podría tener un polo norte mirando a las celdas de ánodo 20a, 20b, ... 20n, y el imán primario 44 podría tener un polo sur mirando a las celdas de ánodo 20a, 20b, ... 20n. Una culata 50 de imán de material magnético provee un camino de retorno para los campos magnéticos entre los imanes primarios 42 y 44. En la configuración de la Figura 2, la culata 50 de imán tiene una forma generalmente rectangular. En otras bombas de pulverización de iones de la técnica anterior, la culata de imán podría tener forma de U, con un lado abierto. Los imanes primarios 42 y 44 producen el campo magnético 34 en la región de las celdas de ánodo 20a, 20b, ... 20n. La totalidad del conjunto mostrada en la Figura 2 podría encerrarse en una envuelta al vacío.
20b, ... 20n, situadas entre las placas de cátodo 24 y 26. La fuente de alimentación 30 está conectada entre las placas de cátodo 24, 26 y las celdas de ánodo 20a, 20b, ... 20n. Un conjunto de imanes 40 incluye imanes primarios 42 y 44 situados en los extremos opuestos de las celdas de ánodo 20a, 20b, ... 20n. El imán primario 42 podría tener un polo norte mirando a las celdas de ánodo 20a, 20b, ... 20n, y el imán primario 44 podría tener un polo sur mirando a las celdas de ánodo 20a, 20b, ... 20n. Una culata 50 de imán de material magnético provee un camino de retorno para los campos magnéticos entre los imanes primarios 42 y 44. En la configuración de la Figura 2, la culata 50 de imán tiene una forma generalmente rectangular. En otras bombas de pulverización de iones de la técnica anterior, la culata de imán podría tener forma de U, con un lado abierto. Los imanes primarios 42 y 44 producen el campo magnético 34 en la región de las celdas de ánodo 20a, 20b, ... 20n. La totalidad del conjunto mostrada en la Figura 2 podría encerrarse en una envuelta al vacío.
La tensión entre las placas de cátodo 24, 26 y
las celdas de ánodo 20a, 20b, ... 20n resulta en la generación de
electrones libres en el volumen de celda de ánodo, Estos electrones
libres ionizan las moléculas de gas que entra en las celdas de
ánodo. Las moléculas de gas ionizadas son aceleradas hasta las
placas de cátodo, usualmente hechas de titanio o de tántalo,
resultando en la pulverización del material del cátodo sobre las
superficies de las celdas de ánodo. El material de cátodo
pulverizado bombea fácilmente moléculas de gas y es el mecanismo
primario de bombeo en la bomba de iones. Los electrones secundarios
producidos a partir del proceso de ionización sostienen el plasma
en las celdas de ánodo de tal manera que la acción de bombeo es
continua. Se requiere el campo magnético axial a las celdas de ánodo
para mantener una larga trayectoria de electrones y para sostener
un plasma estable en las celdas de ánodo. La intensidad del campo
magnético y la calidad del campo son factores importantes en la
obtención de una elevada velocidad de bombeo en una bomba de
iones.
Las bombas de iones de la técnica anterior
contienen solamente dos imanes primarios por estructura de ánodo,
como se ha mostrado en la Figura 2, con un polo norte y un polo sur,
situados paralelamente entre sí en los extremos opuestos de las
celdas de ánodo. Las líneas resultantes de flujo magnético
atraviesan cada celda de ánodo. Cerca del centro de los imanes
primarios, las líneas de flujo magnético son paralelas al eje de
celda de ánodo. Sin embargo, cerca de los bordes de los imanes
primarios, los campos magnéticos se perturban y se desvían de una
alineación axial. Las líneas de flujo magnético se desvían
sustancialmente del eje de la celda cerca de los bordes de los
imanes primarios, resultando en una velocidad menor de bombeo para
estos lugares. Los cálculos indican que la intensidad del campo
magnético varía desde aproximadamente 0,12 teslas (1.300 gauss) en
el centro de los imanes primarios hasta aproximadamente 0,06 teslas
(600 gauss) en los bordes de los imanes primarios, lo que resulta
en una velocidad de bombeo todavía menor para las celdas de ánodo
en las regiones de baja intensidad de campo.
En la Figura 3 se muestra un diagrama
esquemático simplificado de una bomba de pulverización de iones de
acuerdo con una realización del invento. Las celdas de ánodo 120a,
120b, ... 120n están situadas entre- y separadas de -las placas de
cátodo 124 y 126. La bomba de iones podría incluir una o más celdas
de ánodo. Cada celda de ánodo podría tener una configuración
cilíndrica y fabricarse de acero inoxidable. Las celdas de ánodo
120a, 120b, ... 120n están orientadas con sus ejes paralelos entre
sí y perpendiculares a las placas de cátodo 124, 126. Las placas de
cátodo 124 y 126 se podrían fabricar de titanio o tántalo, por
ejemplo. Una fuente de alimentación 130 aplica una tensión,
típicamente 3 kV a 9 kV, entre las placas de cátodo 124, 126 y las
celdas de ánodo 120a, 120b, ... 120n. Las placas de cátodo 124 y
126 están conectadas juntas eléctricamente, y las celdas de ánodo
120a, 120b, ... 120n están conectadas juntas eléctricamente. Las
placas de cátodo 124 y 126 se podrían conectar a una tensión de
referencia, tal como una tierra, en esta realización.
Un conjunto 140 de imanes incluye imanes
primarios 142 y 144 situados en los extremos opuestos de las celdas
de ánodo 120a, 120b, ... 120n, y una culata 150 de imán.
Adicionalmente, el conjunto 140 de imanes incluye imanes
secundarios 160, 162, 164 y 166 situados en los lados de las celdas
de ánodo 120a, 120b, ... 120n cerca de los bordes de los imanes
primarios 142 y 144. Como se muestra en la Figura, el imán primario
142 podría tener un polo norte mirando a las celdas de ánodo 120a,
120b, ... 120n, y el imán primario 144 podría tener un polo sur
mirando a las celdas de ánodo 120a, 120b, ... 120n. Los imanes
secundarios 160 y 164 podrían tener unos polos norte mirando a las
celdas de ánodo y estar sitiados en lados opuestos de las celdas de
ánodo junto a los bordes 142a y 142b, respectivamente, del imán
primario 142. Los imanes secundarios 162 y 166 podrían tener unos
polos sur mirando a las celdas de ánodo y estar situados en los
lados opuestos de las celdas de ánodo junto a los bordes 144a y
144b, respectivamente, del imán primario 144. La disposición de los
imanes primarios 142 y 144 e imanes secundarios 160, 162, 164 y 166
produce un campo magnético 132 en las celdas de ánodo 120a, 120b,
... 120n de una intensidad sustancialmente uniforme y una dirección
axial sustancialmente uniforme, y de ese modo aumenta la velocidad
de bombeo de la bomba de pulverización de iones. Preferiblemente,
el campo magnético es uniforme en intensidad dentro de
aproximadamente un 10% entre las celdas de ánodo y es uniforme en
dirección axial dentro de aproximadamente 15 grados entre las celdas
de ánodo. Sin embargo, el invento no está limitado a estos
intervalos.
Como se muestra en la Figura 3, la culata 150 de
imán podría tener una configuración generalmente rectangular que
incluya unos extremos 150a, 150b y unos lados 150c, 150d, que
definen una región interior 170 que contiene los imanes primarios
y secundarios, las placas de cátodo y las celdas de ánodo. En la
realización de la Figura 3, el imán primario 142 está fijado a una
superficie interior del extremo 150a de la culata 150 de imán, y el
imán primario 144 está fijado a una superficie interior del extremo
150b de la culata 150 de imán. Los imanes secundarios 160 y 162
están fijados a una superficie interior del lado 150c de la culata
150 de imán, y los imanes secundarios 164 y 166 están fijados a una
superficie interior del lado 150d de la culata 150 de imán. De este
modo, los imanes 160 y 162 de polaridades contrarias están situados
en el lado 150c de la culata 150 de imán, y los imanes secundarios
164 y 166 de polaridades contrarias están situados en el lado 150d
de la culata 150 de imán. Cada uno de los imanes secundarios 160,
162, 164 y 166 está situado junto a un imán primario de la misma
polaridad.
En las Figuras 4 y 5 se muestran,
respectivamente, una vista lateral y una vista desde arriba de una
realización de un conjunto de bomba de pulverización de iones que
incorpora las características de la Figura 3. A los elementos
similares de las Figuras 3 a 5 se les han asignado los mismos
números de referencia. Una envuelta 200 al vacío que tiene una
brida 202 de unión encierra la región de placas de cátodo 124, 126 y
celdas de ánodo 120a, 120b, ... 120n. Una alimentación pasante 204
de alta tensión permite la conexión de la fuente de alimentación
130 a las placas de cátodo 124, 126 y celdas de ánodo 120a, 120b,
... 120n. Los componentes del conjunto 140 de imanes podrían estar
situados exteriormente a la envuelta 200 al vacío, como se ha
mostrado mejor en la Figura 5.
Los imanes secundarios 160, 162, 164 y 166
mostrados en la Figura 3 y descritos anteriormente optimizan la
intensidad de campo magnético y la forma del campo en el área de las
celdas de ánodo 120a, 120b, ... 120n. El conjunto perfeccionado de
imanes logra una mayor intensidad de campo magnético comparada con
las bombas de iones de la técnica anterior, lo que directamente
produce una mayor velocidad de bombeo. Adicionalmente, el conjunto
perfeccionado de imanes provee una elevada calidad de campo entre
toda la anchura de polo de los imanes primarios 142, 144, de tal
manera que todas las celdas de ánodo bombean a gran velocidad. Una
buena alineación de campo y una alta intensidad de campo se
mantienen a través de toda la anchura de los imanes primarios 142,
144. Ambas características resultan en un aumento de la velocidad de
bombeo, especialmente a baja presión de vacío.
Las Figuras 6, 7 y 8 muestran la velocidad
medida de bombeo de nitrógeno de bombas de iones de 25
litros/segundo que usan un conjunto de imanes como el mostrado en
la Figura 3 y un conjunto de imanes de la técnica anterior como el
mostrado en la Figura 2. Se ha representado gráficamente la
velocidad de bombeo en función de la presión de admisión en
milibares (Torr). La Figura 6 ilustra el funcionamiento a una
tensión de fuente de alimentación de 3 kV, la Figura 7 ilustra el
funcionamiento a una tensión de fuente de alimentación de 5 kV, y la
Figura 8 ilustra el funcionamiento a una tensión de fuente de
alimentación de 7 kV. La velocidad de bombeo de los iones se midió
en un domo de Fischer-Momnsen de acuerdo con la
norma ISO/DIS 3556-1.2. En la Figura 6, la curva
300 representa la velocidad de bombeo de iones con el conjunto de
imanes de la Figura 3, y la curva 302 representa la velocidad de
bombeo con el conjunto de imanes de la Figura 2. En la Figura 7, la
curva 310 representa la velocidad de bombeo con el conjunto de
imanes de la Figura 3, y la curva 312 representa la velocidad de
bombeo con el conjunto de imanes de la Figura 2. En la Figura 8, la
curva 320 representa la velocidad de bombeo con el conjunto de
imanes de la Figura 3, y la curva 322 representa la velocidad de
bombeo con el conjunto de imanes de la Figura 2. La velocidad de
bombeo con el conjunto perfeccionado de imanes de la Figura 3 es
mayor en todas las presiones de vacío y para un amplio intervalo de
tensiones de funcionamiento.
La velocidad de bombeo de una celda de ánodo
varía dependiendo de varios parámetros. Sin embargo, uno de los
principales parámetros en la ecuación de la velocidad de bombeo es
la intensidad del campo magnético. El conjunto perfeccionado de
imanes descrito anteriormente produce mayor velocidad de bombeo por
varias razones. Como es conocido en la técnica, hay dos modos de
bombeo de iones relacionados con las bombas de pulverización de
iones. Estos modos son el modo de campo magnético intenso (en
adelante HMF) y el de campo magnético débil (en adelante LMF),
obteniéndose la máxima velocidad de bombeo de iones en el modo HMF.
La transición desde el modo HDF al modo LDF se produce a una
presión de vacío crítica y el punto de transición del campo
magnético se calcula mediante la siguiente ecuación.
B_{tr} =
7,63x\sqrt{Ua/(RaxP^{0.05})}
donde Ua es la tensión aplicada, Ra
es el radio de celda de ánodo y P es la presión de vacío. Cuando la
presión de vacío se reduce a presiones más bajas, el punto de
transición aumenta. En algún punto, el punto de transición excede a
la intensidad del campo magnético real en la celda La acción de
bombeo cambia desde el modo HMF al LMF y se reduce la velocidad
efectiva de bombeo de iones. Por tanto, es conveniente sostener el
modo HMF hasta una presión lo más baja posible. Una alta intensidad
de campo magnético en las celdas de ánodo, por encima del punto de
transición, sostiene el modo de bombeo HMF y la máxima velocidad de
bombeo a una presión de vacío más
baja.
Cuando la intensidad de campo magnético de
transición excede a la intensidad real de campo magnético en el
volumen de celda de ánodo, se inicia el modo de bombeo LMF. El modo
LMF es el modo de bombeo primario a bajas presiones de vacío. La
velocidad S de bombeo en el modo LMF viene dada por
S =
1.56E-05 x (1-((1.5E06 x P) / (1 + (4.0E06 x P))) x
(P^{0.2}) x (La) x (Ra^{2}) x
(B^{2})
donde P es la presión de vacío, La
es la longitud de celda de ánodo, Ra es el radio de celda de ánodo,
y B es la intensidad de campo magnético en gauss (1 gauss =
10^{-9} teslas). Se puede ver que la velocidad aumenta como el
cuadrado de la intensidad de campo magnético, por lo que aún un
pequeño incremento en la intensidad de campo del imán puede dar
lugar a un gran aumento en la velocidad de bombeo en el modo LMF.
Por ambas de las razones anteriormente mencionadas, se obtiene una
velocidad de bombeo de iones mayor cuando se aumenta la intensidad
del campo
magnético.
Adicionalmente, la calidad del campo magnético
es importante para una alta velocidad de bombeo. Si la intensidad
del campo magnético varía a través de un grupo de celdas de ánodo,
la acción de bombeo se reduce donde el campo es más bajo o donde
las líneas de flujo magnético se desvían de la alineación axial con
las celdas de ánodo. En los conjuntos de imanes de bombas de iones
de la técnica anterior, tanto la menor intensidad de campo como la
desalineación de campo ocurren cerca de los bordes de los imanes
primarios, con lo que se reduce la velocidad de bombeo en las
celdas de ánodo cerca de los bordes de los imanes primarios. El
conjunto perfeccionado de imanes descrito en la presente memoria
proporciona una calidad de campo prácticamente constante sobre toda
la anchura de los imanes primarios, de tal manera que se mantiene
una velocidad elevada en todas las celdas de bomba. Esto da lugar a
una elevada velocidad integrada de bombeo en una bomba en
funcionamiento.
Además, a presiones de vacío bajas, tales como
1,33 x 10^{-6} Pa (10^{-8} Torr) o menores, hay pocas moléculas
de gas a ionizar en el volumen de la celda de ánodo. Por tanto, se
producen menos electrones secundarios para sostener el plasma y la
acción de bombeo de iones. Algunas celdas de ánodo se agotarán y no
aportarán acción alguna de bombeo. Un campo magnético de intensidad
elevada es más eficaz en atrapar electrones en el volumen de la
celda, sosteniendo de ese modo la acción de bombeo de un modo más
eficaz a una presión de vacío más baja, por ejemplo 1,33 x
10^{-7} Pa hasta 1,33 x 10^{-10} Pa (10^{-9} a 10^{-12}
Torr).
Como un efecto secundario, se mejora también la
puesta en marcha de la bomba de iones. Las bombas de iones son
difíciles de poner en marcha a presiones de vacío inferiores a 1,33
x 10^{-5} Pa (10^{-7} Torr) porque la probabilidad de un evento
ionizante que iniciaría el plasma es baja. El campo magnético de
mayor intensidad atrapa electrones con más eficacia y mejora
enormemente la ionización en las celdas de bomba y por tanto mejora
la puesta en marcha de la bomba de iones.
La realización de las Figuras 3 a 5 incluye seis
imanes, que incluyen dos imanes primarios y cuatro imanes
secundarios. Los imanes primarios proveen el campo magnético
primario en el área de las celdas de ánodo. Los imanes primarios
142 y 144 podrían ser piezas individuales de material magnético en
los extremos opuestos de la culata 150 de imán, uno como polo norte
y otro como polo sur. Cada imán primario podría incluir dos o más
elementos de imán situados de forma yuxtapuesta. Esta última
configuración podría tener un coste menor de fabricación. Una
realización preferida usa imanes de ferrita, pero podría usar
también electroimanes o imanes de tierras raras, tal como de
samario-cobalto. Las celdas de ánodo podrían estar
en un intervalo de radio de aproximadamente 1-50
milímetros (mm) y en alrededor de 1-50 mm de
longitud. Una realización preferida incluye seis imanes como se ha
mostrado en la Figura 3. Sin embargo, el conjunto de imanes podría
utilizar diez imanes, con dos imanes secundarios adicionales en la
parte más alta de la estructura de ánodo y dos imanes secundarios
adicionales en el fondo de la estructura de ánodo para formar una
caja magnética de seis caras, que además contenga los campos
magnéticos en el área de las celdas de ánodo. Los imanes podrían
tener aproximadamente 1-50 mm de espesor y ser un
poco mayores en anchura y altura que la estructura de ánodo de bomba
de iones. Alternativamente, se podrían utilizar placas magnéticas
de acero en la parte más alta y en el fondo de la estructura de
ánodo para contener el campo magnético, reducir los campos
magnéticos parásitos en el área que rodea el volumen de la bomba y
proveer un campo más uniforme en el volumen de la celdas de ánodo.
Una realización preferida podría utilizar un espacio intermedio de
polo primario desde un centímetro hasta varios centímetros de
anchura. La totalidad del conjunto de bomba de iones se podría
encerrar en una envuelta al vacío y montarse a un sistema de vacío
con una brida de unión o se podría integrar dentro de un sistema de
vacío de grandes dimensiones.
La culata 150 de imán sirve de retorno para el
flujo magnético. La culata está configurada para concentrar el
retorno de flujo magnético en la misma con el fin de maximizar la
intensidad de campo entre los polos magnéticos en el volumen de
celda de ánodo. Esta configuración reduce también los campos
magnéticos dispersos en el exterior del volumen de la bomba que
podrían interferir con cualquier sistema en el que esté instalada la
bomba de iones, tal como un haz de partículas cargadas en un
instrumento científico, un acelerador de partículas o una válvula
de potencia de RF. La culata 150 se podría hacer de un material muy
permeable tal como el acero bajo en carbono según normas AISI 1006
o AISI 1010 o un acero aleado comercial El espesor y la anchura de
los imanes primarios y secundarios, el espesor y la forma de la
culata de imán y la distancia entre imanes se pueden variar para
optimizar la intensidad del campo magnético y la calidad del campo.
Esta optimización podría requerirse para bombas de iones con
diferentes requisitos de bombeo, diferentes especies de gas, y
diferentes requisitos físicos de espacio.
Se conocen en la técnica una variedad de
configuraciones diferentes de bombas de pulverización de iones. La
Figura 9 presenta un diagrama esquemático simplificado de una bomba
de diodos para pulverización de iones, que corresponde a la bomba
de pulverización de iones mostrada en las Figuras 3 a 5 y
anteriormente descrita. A los elementos similares en las Figuras 3
a 5 y 9 se les han asignado los mismos números de referencia. Para
facilidad de la ilustración, se ha omitido el conjunto de imanes de
la Figura 9. Sin embargo, la bomba de diodos para pulverización de
iones de la Figura 9 podría incluir un conjunto de imanes como el
mostrado en las Figuras 3 a 5 y descrito anteriormente.
Como se muestra en la Figura 9, las placas de
cátodo 124 y 126 están fijadas a la envuelta al vacío 200, y la
envuelta al vacío 200 está conectada a una tensión de referencia,
tal como una tierra. Las celdas de ánodo 120a,
120b, ... 120n están polarizadas en una tensión positiva por la fuente de alimentación 130. Las placas de cátodo 124 y 126 están separadas de las celdas de ánodo 120a, 120b, etc.
120b, ... 120n están polarizadas en una tensión positiva por la fuente de alimentación 130. Las placas de cátodo 124 y 126 están separadas de las celdas de ánodo 120a, 120b, etc.
En la Figura 10 se muestra un diagrama
esquemático de una bomba de triodo para pulverización de iones, a
los elementos similares en las Figuras 9 y 10 se les han asignado
los mismos números de referencia. La bomba de triodos para
pulverización de iones incluye un cátodo de rejilla 400 separado de
un primer extremo de celdas de ánodo 120a, 120b, ... 120n y un
cátodo de rejilla 402 separado de un segundo extremo de celdas de
ánodo 120a, 120b, ... 120n, Los cátodos de rejilla 400 y 402 están
separados de la envuelta al vacío 200. En la bomba de triodo para
iones de la Figura 10, las celdas de ánodo 120a, 120b, ... 120n y la
envuelta al vacío 200 están conectados a una tensión de referencia,
tal como tierra. Los cátodos de rejilla 400 y 402 están polarizados
en una tensión negativa por la fuente de alimentación 130.
La bomba de pulverización de iones se ha
descrito anteriormente con celdas de ánodo cilíndricas. Sin embargo,
en la técnica son conocidas un número de configuraciones diferentes
de celda de ánodo. En general, las celdas de ánodo podrían tener
una sección transversal que fuese redonda, cuadrada o con una forma
arbitraria. Una configuración de bomba de pulverización de iones
conocida como "Celda en estrella" utiliza cátodos formados con
un patrón como de estrella. La bomba de pulverización de iones
"Celda en estrella" la fabrica y vende la firma Varian, Inc.
Otra configuración de celda de ánodo utiliza múltiples tiras
metálicas formadas en una configuración parecida a una onda y
fijadas juntas para formar celdas de ánodo. Las formas de sección
transversal de las celdas de ánodo dependen de las formas de las
tiras metálicas componentes, pero pueden asemejarse a un círculo
ovalado o deformado.
Se entenderá que el conjunto de imanes mostrado
en las Figuras 3 a 5 y descrito anteriormente se podría utilizar
con cualquier configuración de bomba de pulverización de iones,
incluyendo, sin carácter limitativo, la configuración de diodo y la
configuración de triodo. Además, el conjunto de imanes mostrado en
las Figuras 3 a 5 y descrito anteriormente se podría utilizar con
cualquier configuración de bomba de pulverización de iones para
proveer un campo magnético de intensidad sustancialmente uniforme y
una dirección axial sustancialmente uniforme en las celdas de
ánodo.
Habiendo descrito así varios aspectos de al
menos una realización de este invento, se apreciará que a los
expertos en la técnica les resultarán evidentes diversas
alteraciones, modificaciones y perfeccionamientos De acuerdo con
ello, la descripción anterior y los dibujos se considerarán
solamente a título de ejemplo.
Claims (18)
1. Una bomba de iones que comprende:
una o más celdas de ánodo (120a, 120b, ... 120n)
de bomba;
un cátodo (124, 126) situado en proximidad a las
una o más celdas de ánodo (120a, ... 120n) de bomba en el que la
bomba de iones está adaptada para un campo eléctrico a aplicar entre
el cátodo (124, 126) y las una o más celdas de ánodo (120a, ...
120n) de bomba; y un conjunto de imanes para producir un campo
magnético en las una o más celdas de ánodo (120a, ... 120n), cuyo
conjunto de imanes comprende:
- unos imanes primarios (142, 144) de polaridades contrarias dispuestos en extremos opuestos de las celdas de ánodo (120a, ... 120n); y caracterizada por:
- unos imanes secundarios (160, 162) dispuestos en lados opuestos de las celdas de ánodo (120a, ... 120n) de bomba.
2. La bomba de iones según se ha definido en la
reivindicación 1, en la que dicho conjunto de imanes comprende
además una culata (150) de imán que tiene una configuración
generalmente rectangular que incluye unos lados opuestos primero y
segundo (150c, 150d) y unos extremos opuestos primero y segundo
(150l, 150b) que definen una región interior (170).
3. La bomba de iones según se ha definido en
la reivindicación 2, en la que dichos imanes primarios (142, 144) y
dichos imanes secundarios (160, 162) están configurados para
producir un campo magnético sustancialmente uniforme en la región
interior (170) de la culata (150) de imán.
4. La bomba de iones según se ha definido en
las reivindicaciones 2 ó 3, en la que dichos imanes primarios (142,
144) están dispuestos en los extremos primero y segundo (150a, 150b)
de la culata (150) de imán y en la que dichos imanes secundarios
(160, 162) están dispuestos en los lados primero y segundo (150c,
150d) de la culata (1509 de imán.
5. La bomba de iones según se ha definido en
la reivindicación 4, en la que dichos imanes secundarios (160, 162)
comprenden imanes de polaridades contrarias dispuestos en el primer
lado (150c) de la culata (150) de imán e imanes de polaridades
contrarias dispuestos en el segundo lado (150d) de la culata (150)
de imán, en el que cada uno de los imanes secundarios está situado
junto a un imán primario de la misma polaridad.
6. La bomba de iones según se ha definido en
una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que
dichos imanes primarios y dichos imanes secundarios están
configurados para producir un campo magnético sustancialmente
uniforme en las una o más celdas de ánodo de bomba.
7. La bomba de iones según se ha definido en
una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que
dichas una o más celdas de ánodo (120a, ... 120n) de bomba tienen
unos extremos primero y segundo y en la que dichos imanes primarios
(142, 144) están separados de los extremos primero y segundo de las
celdas de ánodo (120a, ... 120n) de bomba.
8. La bomba de iones según se ha definido en
una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que dicho
cátodo (124, 126) comprende placas de cátodo separadas de los
extremos primero y segundo de las una o más celdas de ánodo (120a,
... 120n).
9. La bomba de iones según se ha definido en
una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende
además una fuente de alimentación (130) acoplada entre el cátodo
(124, 126) y las una o más celdas de ánodo
(120a, ... 120n) de bomba.
(120a, ... 120n) de bomba.
10. La bomba de iones según se ha definido en
una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que
dichas una o más celdas de ánodo (120a, ... 120n) de bomba y dicho
cátodo (124, 126) tienen una configuración de bomba de iones con
diodo.
11. La bomba de iones según se ha definido en
una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en la que dichas una
o más celdas de ánodo (120a, ... 120n) de bomba y dicho cátodo (124,
126) tienen una configuración de bomba de iones con triodo.
12. La bomba de iones según se ha definido en
una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que dicho
conjunto de imanes provee un campo magnético sustancialmente
uniforme en la dirección axial de las celdas de ánodo (120a, ...
120n) y por lo mismo está destinado a aumentar la velocidad de
bombeo de la bomba de iones.
13. La bomba de iones según se ha definido en
una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que los
imanes secundarios (160, 162) incluyen unos imanes secundarios
primero y segundo de polaridades contrarias dispuestos en el primer
lado de la culata (150) de imán y unos imanes secundarios tercero y
cuarto de polaridades contrarias dispuestos en el segundo lado de
la culata (150) de imán, en la que cada uno de los imanes
secundarios está situado junto a un imán primario (142, 144) de la
misma polaridad.
14. Un método para hacer funcionar una bomba de
iones que incluye una o más celdas de ánodo (120a, ... 120n) y un
cátodo (124, 126), cuyo método comprende:
aplicar un campo eléctrico entre el cátodo (124,
126) y las una o más celdas de ánodo (120a, ... 120n) de bomba;
y
producir un campo magnético en las una o más
celdas de ánodo (120a, ... 120n) con un conjunto de imanes que
incluye unos imanes primarios (142, 144) en extremos opuestos de las
celdas de ánodo (120a, ... 120n) de bomba y caracterizado
por unos imanes secundarios (160, 162) en los lados opuestos de las
celdas de ánodo (120a, ... 120n) de bomba.
15. El método según se ha definido en la
reivindicación 14, en el que la etapa de producir un campo magnético
comprende producir un campo magnético axial sustancialmente
uniforme en las una o más celdas de ánodo (120a, ... 120n) de
bomba.
16. El método según se ha definido en las
reivindicaciones 14 ó 15, en el que la etapa de producir un campo
magnético comprende proveer una culata (150) de imán que tiene una
configuración generalmente rectangular que incluye unos lados
opuestos primero y segundo (150c, 150d) y unos extremos opuestos
primero y segundo (150a, 150b) que definen una región interior
(170), situar dichos imanes primarios (142,144) en los extremos
primero y segundo (150a, 150b) de la culata (150) de imán y situar
los imanes secundarios (160, 162) en los lados primero y segundo
(150c, 150d) de la culata (150) de imán.
17. El método según se ha definido en la
reivindicación 16, en el que la etapa de situar los imanes
secundarios (160, 162) comprende situar imanes secundarios de
polaridades contrarias en el primer lado de la culata (150) de imán
y situar imanes secundarios de polaridades contrarias en el segundo
lado de la culata (150) de imán, en el que cada uno de los imanes
secundarios está situado junto a un imán primario de la misma
polaridad.
18. El método según se ha definido en una
cualquiera de las reivindicaciones 14 a 17, en el que dicho conjunto
de imanes provee un campo magnético sustancialmente uniforme en la
dirección axial de las celdas de ánodo (120a, ... 120n) y de ese
modo aumenta la velocidad de bombeo de la bomba de iones.
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