Sistema de bombeo combinado que comprende una bomba de captación y una bomba iónica.

Sistema de bombeo combinado, que comprende una bomba de captación (120;

220) y una bomba iónica (130; 230), caracterizado porque dichas bombas captadora e iónica están montadas en serie y dispuestas, respectivamente, en lados opuestos de una brida (111; 211), la bomba iónica está conectada a un orificio (260) de la brida mediante un conducto (136; 236), dicha brida está adaptada para montar directamente el sistema de bombeo combinado en una pared (240) de la cámara de vacío, y porque la bomba de captación es exterior al conducto que conecta la bomba iónica al orificio de la brida.

Sistema de bombeo combinado que comprende una bomba de captación y una bomba iónica La presente invención se refiere a un sistema de bombeo combinado que comprende una bomba de captación (bomba “getter”) y una bomba iónica.

Existen numerosos instrumentos o sistemas científicos e industriales, tales como por ejemplo aceleradores de partículas y microscopios electrónicos, cuyo funcionamiento requiere condiciones de vacío ultra elevado (indicado en el sector técnico como UHV) , es decir, con valores de presión menores que 10-6 Pa. De modo general, se utilizan sistemas de bombeo que comprenden una bomba que se define como primaria, por ejemplo una bomba rotativa o de membrana, y una bomba secundaria, seleccionada entre una bomba turbomolecular, de captación, iónica o criogénica, para crear estos niveles de vacío. La bomba primaria comienza a funcionar a presión atmosférica y puede reducir la presión en el interior de la cámara hasta valores de aproximadamente 10-1-10-2 Pa; la bomba UHV se activa a estas presiones, reduciendo la presión en el sistema hasta valores de aproximadamente 10-7-10-9 Pa.

Entre las bombas UHV más comunes, las iónicas y turbomoleculares pueden sorber casi todos los gases.

Las bombas turbomoleculares son apreciadas debido a su reducida contaminación por aceite (si no, incluso nula) de la cámara de vacío, en comparación con otras bombas mecánicas, pero el valor final eficaz del vacío está relacionado con el índice de compresión más bien bajo para gases ligeros (hidrógeno y helio) y con la posible introducción de pequeñas cantidades de estos gases desde el entorno exterior a través de la propia bomba.

Las bombas iónicas, en cambio, no tienen ni partes móviles ni aceite, de manera que se caracterizan por un bajo mantenimiento, muy limpio, y por un mejor aislamiento del entorno exterior. Además, pueden proporcionar una indicación aproximada del valor de la presión en el interior de la cámara en la que se hace el vacío. Esta característica es particularmente apreciada por fabricantes y usuarios de instrumentos de vacío, puesto que permite supervisar las condiciones del sistema e interrumpir el funcionamiento de la bomba cuando la presión en el interior de la cámara aumenta hasta valores críticos.

Las bombas iónicas están constituidas por un conjunto de una serie de elementos iguales entre sí. En cada uno de dichos elementos, se generan iones y electrones a partir de los gases presentes en la cámara por medio de campos eléctricos elevados; un imán dispuesto alrededor de cada elemento hace que los electrones tengan una trayectoria no recta (de modo general, una trayectoria helicoidal) a efectos de mejorar su capacidad para ionizar otras moléculas presentes en la cámara. Los iones producidos de esta manera son atrapados por las paredes del elemento, parcialmente mediante implantación iónica hacia el interior de las paredes y parcialmente debido a un efecto de enterramiento debajo de las capas de titanio formadas mediante átomos (o “grupos” de átomos) generados por la erosión de las paredes después del bombardeo iónico y depositados de nuevo. El titanio tiene asimismo una capacidad de captación intrínseca, es decir, es un metal que puede interaccionar con moléculas gaseosas sencillas, fijándolas mediante la formación de compuestos químicos.

Un problema de las bombas iónicas lo constituye la posibilidad de generar hidrógeno como efecto de la disociación de metano, siendo éste un fenómeno que puede implicar dificultades para conseguir las condiciones de vacío deseadas, es decir, para alcanzar presiones del sistema menores que valores de aproximadamente 10-8-10-9 Pa, tal como se da a conocer en la publicación científica “Pumping of Helium and Hydrogen by Sputter-Ion Pumps. II. Hydrogen Pumping” (“Bombeo de helio e hidrógeno mediante bombas de pulverización iónica. II. Bombeo de hidrógeno”) , por K.L. Welch y otros, publicada en J. Vac. Sci. Technol. A, American Vacuum Society, 1994, página 861. La generación de hidrógeno y de otros elementos gaseosos no deseados da como resultado la presencia de un flujo molecular colimado desde la bomba iónica hacia la cámara de vacío, conocido, de modo general, como “efecto de emisión”.

Una segunda clase de problema puede consistir en la formación de partículas de polvo en el interior del tubo emisor en algunas aplicaciones, tal como se da a conocer en la publicación científica “Dust in Accelerator Vacuum Systems” (“Polvo en sistemas aceleradores de vacío”) , por D.R.C. Kelly, publicada en el Proceedings of the Particle Accelerator Conference, 1997, volumen 3, página 3.547.

Otros límites no secundarios de las bombas iónicas son su tamaño y su peso relativamente grandes, lo que hace difícil su aplicación en sistemas compactos o portátiles.

Estos problemas son particularmente importantes para aplicaciones tales como microscopios electrónicos, aceleradores de partículas y sistemas de análisis superficial.

Las bombas de captación funcionan en base al principio de la sorción química de elementos gaseosos reactivos, tales como oxígeno, hidrógeno, agua y óxidos de carbono, mediante elementos fabricados de materiales captadores no evaporables (conocidos en el sector técnico como NEG) . Los materiales NEG más importantes son aleaciones con base de zirconio o titanio; las bombas de captación se dan a conocer, por ejemplo, en las patentes U.S.A.

5.324.172 y U.S.A. 6.149.392. Dichas bombas tienen, para el mismo tamaño, una velocidad de sorción de gas que es notablemente mayor que la velocidad de sorción de las bombas iónicas y pueden extraer hidrógeno mucho más eficazmente que estas últimas; en oposición a estas ventajas, el rendimiento de bombeo de las bombas de captación es deficiente en caso de hidrocarburos (tales como por ejemplo metano a temperatura ambiente) y nulo en caso de gases raros. Además, las bombas de captación no pueden proporcionar una medida de la presión en el interior de la cámara.

Para mejorar el bombeo en una cámara UHV, la utilización combinada de diferentes bombas secundarias puede superar los límites anteriormente descritos.

La utilización de una bomba de captación antes de una bomba turbomolecular se da a conocer en la publicación de patente internacional WO 98/58173. Esta solicitud da a conocer la combinación de una bomba turbomolecular y una captadora particular para superar los inconvenientes de rendimiento, de conductancia y térmicos de las configuraciones anteriores, relacionadas estrictamente con la estructura mecánica de la primera bomba. Un límite poderoso de la solución dada a conocer es el requisito de una bomba de captación especial, fabricada de manera adecuada para ser utilizada con bombas turbomoleculares. De hecho, se propone un filamento en zigzag como elemento de captación para superar los problemas técnicos observados en la utilización de una bomba NEG de fabricación estándar. Por lo tanto, en el sistema de bombeo combinado descrito no es posible la utilización de una bomba de captación menos costosa y más eficiente.

El documento WO 00/23173 da a conocer la utilización de una bomba de captación y una bomba turbomolecular en línea. Las bombas tienen una configuración “en serie” con respecto a la cámara de vacío y necesitan la utilización de un dispositivo de protección móvil sensible a la temperatura, para limitar la transmisión de calor desde la bomba de captación y la turbomolecular. La utilización del elemento de protección descrito permite minimizar la reducción de la conductancia del flujo de gas a la bomba turbomolecular, pero la conductancia total del sistema de bombeo combinado está limitada de todas maneras por el orificio que conecta el sistema a la cámara de vacío y, en el caso de la bomba turbomolecular, por el volumen eficaz que ocupa la bomba de captación en el conducto.

La utilización combinada de bombas iónicas y bombas de captación proporciona sistemas de bombeo particularmente eficientes para el UHV. En un sistema de bombeo combinado las bombas iónica y captadora pueden estar dispuestas en paralelo o en serie, tal como se da a conocer, por ejemplo, en la publicación científica “Foundation of Vacuum Science and Technology” (Fundamentos de la ciencia del vacío y su tecnología) por M. Lafferty, publicada en 1998 por la firma Wiley-Interscience, John Wiley & Sons.

Dichos sistemas de bombeo se han dado a conocer, por ejemplo, en la solicitud de patente JP 58-117371 o en la patente U.S.A. 5.221.190, que se refieren a sistemas de vacío como tales, y por las solicitudes de patente JP-A-06140193 o JP-A-07-263198, que se refieren... [Seguir leyendo]

1. Sistema de bombeo combinado, que comprende una bomba de captación (120; 220) y una bomba iónica (130; 230) , caracterizado porque dichas bombas captadora e iónica están montadas en serie y dispuestas,

respectivamente, en lados opuestos de una brida (111; 211) , la bomba iónica está conectada a un orificio (260) de la brida mediante un conducto (136; 236) , dicha brida está adaptada para montar directamente el sistema de bombeo combinado en una pared (240) de la cámara de vacío, y porque la bomba de captación es exterior al conducto que conecta la bomba iónica al orificio de la brida.

2. Sistema, según la reivindicación 1, en el que la bomba de captación (120; 220) intercepta con su volumen un eje de simetría del orificio (260) de la brida.

3. Sistema, según la reivindicación 1, en el que dichas bombas (120, 130; 220, 230) están montadas con sus ejes paralelos entre sí y a un eje de simetría de rotación del orificio (260) de la brida. 15

4. Sistema, según la reivindicación 1, en el que dichas bombas (120, 130; 220, 230) están montadas coaxialmente una con respecto a la otra.

5. Sistema, según la reivindicación 1, en el que la bomba de captación (120; 220) comprende una serie de discos 20 (121, 121’; 221) fabricados de un material captador no evaporable, apilados sobre uno o varios soportes (122; 222) .

6. Sistema, según la reivindicación 5, en el que dichos discos (221) de material captador están dispuestos en el interior de una estructura metálica (250) acoplada al orificio (260) de la brida (211) a través de un segundo conducto (270) adecuado para conectar la bomba de captación (220) con la bomba iónica (230) . 25

7. Sistema, según la reivindicación 6, en el que dicho segundo conducto (270) está dotado de una serie de aberturas laterales en sus paredes, adecuadas para conectar directamente la cámara de vacío a la bomba iónica (230) .

8. Sistema, según la reivindicación 7, en el que, en el segundo conducto (270) , la serie de aberturas laterales da 30 como resultado una relación entre un área vacía y un área lateral total, mayor que 0, 2.

9. Sistema, según la reivindicación 7, en el que, en el segundo conducto (270) , la serie de aberturas laterales da como resultado una relación entre un área vacía y un área lateral total, mayor que 0, 4.

10. Sistema, según la reivindicación 6, en el que dicho segundo conducto (270) tiene una estructura de jaula.

11. Sistema, según la reivindicación 5, en el que dichos discos (221) de material captador están dispuestos en el interior de una estructura metálica (250) acoplada al orificio (260) de la brida (211) a través de una estructura metálica, abierta lateralmente, adecuada para soportar los elementos de la bomba de captación (120, 220) .