¿Qué es el análisis de gases y por qué es necesario?
Análisis de gases a bajas presiones mediante espectrometría de masas
Los análisis de gases a baja presión resultan útiles no solo al analizar los gases residuales de una bomba de vacío, al buscar fugas en conexiones de brida o para las líneas de suministro (aire comprimido, agua) en el vacío. También son esenciales en otros campos más amplios de las aplicaciones y procesos de la tecnología de vacío, por ejemplo, para el análisis de gases de proceso empleados en la aplicación de capas finas de recubrimientos a sustratos. Entre los equipos empleados para análisis cualitativos o cuantitativos de gases se encuentran espectrómetros de masas de un diseño especial con dimensiones extraordinariamente reducidas que, al igual que cualquier otro medidor de vacío, pueden conectarse directamente al sistema de vacío. La envergadura de estos instrumentos de medición los distingue de otros espectrómetros de masas, como los empleados para el análisis químico de gases. Estos últimos no son particularmente aptos, por ejemplo, para usarse a modo de equipos de medición de presión parcial ya que son demasiado grandes, necesitan de una línea de conexión larga con la cámara de vacío y no pueden ser calefactados con la propia cámara de vacío. La inversión en un espectrómetro de masas analítico resultaría injustificable, ya que, por ejemplo, los pertinentes requisitos de resolución son mucho menos exigentes que los de las mediciones de presiones parciales. Por presión parcial se entiende la ejercida por un cierto tipo de gas de una mezcla de gases. El total de las presiones parciales de todos los tipos de gases es la presión total. La distinción entre los diversos tipos de gases se fundamenta en sus masas molares. La finalidad principal del análisis es, por tanto, registrar de forma cualitativa las proporciones de gases de un sistema en lo que respecta a las masas molares y calcular de forma cuantitativa la cantidad de cada uno de los tipos de gases relativos a los diversos números atómicos.
Los dispositivos de medición de presión parcial utilizados habitualmente constan del sistema de medición correspondiente (el sensor) y el dispositivo de control necesario para su funcionamiento. El sensor incorpora la fuente de iones, el sistema de separación y la trampa iónica. La separación de aquellos iones que difieran en masa y carga suele llevarse a cabo aprovechando ciertos fenómenos que provocan que dichos iones resuenen en campos eléctricos y magnéticos.
Un estudio histórico de los espectrómetros de masas
Tras el primer intento de Thomson en 1897 de determinar la relación entre carga y masa e/m del electrón, pasó bastante tiempo (hasta entrada la década de 1950) hasta que empezaron a usarse una gran cantidad y variedad de sistemas de análisis en la tecnología del vacío. Entre estos se encontraban el Omegatron, el Topatron y, en última instancia, el espectrómetro de masas cuadrupolar propuesto por Paul y Steinwedel en 1958 (véase la Fig. 4.1). El primero hace uso de la espectrometría de masas en aplicaciones tecnológicas con procesos asistidos por vacío, que se remontan supuestamente a los trabajos de Backus de los años 1943 y 1944. Este llevó a cabo estudios en los laboratorios radiográficos de la Universidad de California. Se proponía separar isótopos de uranio, para lo que empleó un espectrómetro de campo de sectores de 180° conforme a los hallazgos de Dempster (1918) al que denominaba "analizador de vacío". Aun hoy en día se sigue usando habitualmente una denominación similar ("analizador de gases residuales" [residual gas analyzer, RGA]) en EE. UU. y el Reino Unido en lugar de la de "espectrómetro de masas". En la actualidad, las aplicaciones de monitorización de procesos se encuentran principalmente en la producción de componentes para semiconductores.
Fig. 4.1a: Sensores TRANSPECTOR.
a: Sensor de alto rendimiento con Channeltron
b: Sensor compacto con placa Micro-Channelplate
c: Sensor de alto rendimiento con cubeta de Faraday
Fig. 4.1b: Sensor TRANSPECTOR XPR
Inicialmente, las unidades de control eran bastante torpes y ofrecían opciones de manejo incontables. A menudo los únicos capaces de manejarlas y usarlas eran físicos. Con el nacimiento de los ordenadores personales, los requisitos para las unidades de control no hicieron sino aumentar. En primera instancia, contaban con interfaces de conexión con el ordenador. Posteriormente se intentó equipar los PC con tarjetas de circuitos de medición adicionales para controlar los sensores. Los sensores de hoy en día son, de hecho, transmisores que cuentan con una unidad de suministro eléctrico conectada directamente al lado atmosférico; por su parte, la comunicación con el PC desde este punto se lleva a cabo mediante puertos informáticos habituales. El software ejecutado en el PC facilita el uso.
Fundamentos de la tecnología de vacío
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Referencias
- Símbolos de vacío
- Glosario de unidades
- Referencias y fuentes
Símbolos de vacío
Un glosario de símbolos comúnmente utilizados en diagramas de tecnología de vacío como representación visual de tipos y piezas de bombas en sistemas de bombeo
Glosario de unidades
Una descripción general de las unidades de medida utilizadas en la tecnología de vacío y el significado de los símbolos, así como los equivalentes actuales de las unidades históricas
Referencias y fuentes
Referencias, fuentes y lecturas adicionales relacionadas con los conocimientos fundamentales sobre la tecnología de vacío
