Cómo lograr y mantener los niveles de UHV y XHV 22 de diciembre de 2020
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La espectroscopia requiere presiones entre 10-6 y 10-9 mbar, definidas como vacío ultraalto (UHV), para funcionar de forma eficaz. Otro proceso que requiere este nivel de vacío es la deposición de capa atómica. Para aceleradores de partículas como el Colisionador de Hadrones Grandes, ciertas partes del sistema requieren presiones aún más bajas entre 10 -9 y 10 -12 mbar, designadas como Alto Vacío Extremado (XHV).
Para alcanzar estos niveles de vacío, no solo se requiere el tren de bombeo correcto, sino también una técnica de medición de presión precisa. Además, la elección del material para el sistema de vacío es primordial. Como veremos, mantener estas bajas presiones requiere un análisis detallado del sistema de vacío.
Sistemas de bombas de vacío para vacío ultraalto y extremadamente alto
Al igual que con los requisitos de alto vacío, se necesita una combinación de bombas de vacío previo y de alto vacío. Las bombas de vacío en seco son esenciales para las aplicaciones UHV y XHV. Las bombas preferidas serían bombas scroll, bombas de tornillo y bombas previas multietapa. La elección final dependería de los requisitos de velocidad de bombeo.
Para lograr la UHV, las TMP con una etapa de arrastre para bombear gases ligeros son una opción común. Sin embargo, como veremos más adelante, a menudo se necesitan altas velocidades de bombeo para el vapor de agua y, en este caso, las bombas criogénicas serían un buen candidato. Es posible que se requiera un bombeo adicional cuando la vibración sea un problema, como en el análisis de superficies, por ejemplo. En este caso, las bombas de iones se emplean habitualmente porque no tienen piezas móviles. Además, la adición de esta tecnología al tren de bombeo se utiliza habitualmente en aplicaciones XHV.
Cuando la presión dentro del cuerpo de la bomba es de 10-4 mbar o superior, se aplica una alta tensión a los electrodos de titanio, lo que provoca una descarga de electrones. Los potentes imanes, típicamente de 1200 Gauss, atraen y mantienen estos electrones dentro del anillo del ánodo como un plasma.
Los gases residuales dentro del conjunto del ánodo chocarán con estos electrones libres. Como resultado de estas interacciones, los electrones se eliminan de las valencias de los elementos y moléculas gaseosos. Las especies gaseosas positivas resultantes se repelen del ánodo positivo a las placas de cátodo de titanio.
Cuando los iones gaseosos positivos chocan con el cátodo, parte del titanio se pulveriza desde la superficie. A continuación, las especies gaseosas reaccionan química y físicamente con el titanio y quedan atrapadas, proporcionando así un mecanismo de bombeo similar a las bombas criogénicas.
Manómetros para medir vacío ultra alto y extremadamente alto
Tanto los medidores de penning (cátodo frío) como los de iones (cátodo caliente) medirán en la región UHV, pero los medidores de iones ofrecen la mayor sensibilidad, es decir, 10-11 mbar.
A continuación se muestra una ilustración de un medidor de iones:
Manómetro de ionización “Cátodo caliente”
El manómetro de ionización de cátodo caliente inicia un flujo constante de electrones desde el cátodo incandescente (fuente de electrones) hasta el ánodo (drenaje de electrones). Estos electrones golpean una cantidad dependiente de la presión de moléculas de gas, que se convierten en iones positivos. Esto hace que se registre una corriente relacionada con la presión en el colector de iones.
Además, el límite inferior de los medidores de ionización de cátodo caliente se debe al factor de rayos X. Los electrones emitidos por el impacto del cátodo en el ánodo provocan una liberación de fotones (rayos X suaves) que activa la emisión de electrones desde las superficies del colector de iones, lo que provoca una corriente desplazada. Para superar este problema, se ha desarrollado un sistema de “extracción” que reduce el efecto de los rayos X al blindar el colector de iones. El sistema de extracción, al enfocar los iones positivos, mantiene la corriente de iones en un nivel aceptable y, como resultado, amplía el rango de medición más allá de 10-12 mbar.
Sellos adecuados para UHV y XHV
Para aplicaciones de alto vacío, es decir, de 10-3 a 10-6 mbar, las juntas tóricas de polímero y goma funcionan satisfactoriamente. Sin embargo, para los procesos UHV y XHV, sus tasas de permeación son demasiado altas. Por consiguiente, se deben utilizar juntas de metal. Las juntas de cobre son el material más común, aunque se puede utilizar indio. Una ventaja adicional de los sellos metálicos es su capacidad para mantener la integridad del vacío hasta 450 °C. Esto, como veremos, es importante a la hora de considerar la desgasificación. A diferencia de las juntas tóricas, que se pueden romper y fabricar muchas veces sin problemas, si es necesario romper una junta metálica, no se puede reutilizar.
Desgasificación en niveles de vacío ultraalto y extremadamente alto
La desgasificación es uno de los principales obstáculos para alcanzar y mantener los niveles de vacío por debajo de 10-6 mbar.
El principal culpable es el vapor de agua, pero si un proceso incorpora especies orgánicas volátiles, también deben abordarse. Para minimizar la adsorción de vapores que luego se desgasifican lentamente, es importante tener en cuenta y seguir las siguientes directrices:
- minimizar el área de superficie interna de la cámara
- Soldar sólo desde el interior
- utilice materiales con bajas tasas de desorción/desgasificación
- tratar previamente los materiales de forma adecuada (p. ej., electropulido)
- asegúrese de que no haya espacios internos ni volúmenes atrapados (por ejemplo, agujeros ciegos roscados)
- reducir el número de sellos, pasos, etc.
- emplear el calentamiento de trazas para aumentar las tasas de desgasificación, lo que es posible cuando se utilizan sellos metálicos
Detección de fugas en condiciones de UHV y XHV
Para mantener los niveles de vacío UHV y XHV, se requieren tasas de fuga inferiores a 10-7 mbar l/s. Un detector de fugas de helio ofrece la solución más práctica para medir estos valores de forma fiable.
Un método local de detección de fugas como el que se muestra a continuación puede medir tasas de fuga de hasta 10-12 mbar.
Método de vacío: según DIN EN 1779 A3
- A la hora de elegir el sistema de bombeo, se debe tener en cuenta el nivel de vacío exacto y si la vibración es un problema
- Para aplicaciones sensibles a las vibraciones o donde se necesite XHV, la adición de bombas de iones es una buena opción
- Los medidores de iones calientes son una opción común para una medición de presión precisa y fiable en la región de UHV
- Los calibres extractores son el tipo preferido en la región XHV
- La minimización de la desgasificación es esencial y la elección de los materiales y el diseño del sistema son clave
- El uso de un detector de fugas de helio es esencial para mantener un vacío fiable
