Introducción a la desgasificación 11 de enero de 2022
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Existen varias contribuciones a la carga de gas de un sistema. A presiones inferiores a ~0,1 mbar, la más dominante suele ser la “desgasificación”.
La desgasificación es el resultado de la desorción de moléculas previamente adsorbidas, la difusión a granel, la permeación y la vaporización. La adsorción se produce a través de dos procesos principales, fisisorción y quimiosorción, y se puede describir utilizando cinco (o seis) isotérmicas clasificadoras.
Si se observa la tasa de desorción, la velocidad de bombeo y la readsorción en las superficies, se puede calcular la desgasificación neta del sistema. En este artículo, compartimos más información sobre el proceso de desgasificación y las tasas de desgasificación de los materiales comunes. La reducción de la tasa de desgasificación permite alcanzar presiones de vacío más bajas.
Cargas de gas
Como se observa en el diagrama 1, las contribuciones a la carga de gas de un sistema pueden provenir de lo siguiente:
- Gas inicial o "a granel" en el sistema
- Carga del proceso
- Contracorriente
- Fugas
- Desgasificación
En el caso de un sistema hermético a fugas en alto vacío (HV, del inglés High Vacuum) sin carga del proceso, la desgasificación podría contribuir hasta al 100 % de la carga de gas.
Diagrama 1: Cargas de gas en un sistema de vacío
La contribución relativa de diferentes especies a la carga de gas varía con la presión. Para muchas aplicaciones de alta tensión, el vapor de agua es la principal preocupación en términos de desgasificación. Sin embargo, para lograr la UHV en todos los sistemas metálicos, la desgasificación de H2 es fundamental. La siguiente tabla comparte las principales cargas de gas típicas a diferentes presiones.
| Presión (mbar) | Carga de gas importante |
| Atmósfera | Aire (N2, O2, H2 O, Ar, CO2) |
| 10-3 | Vapor de agua (75-95 %), N2, O2 |
| 10-6 | H2O, CO, CO2, N2 |
| 10-9 | CO, H2 CO2, H2O |
| 10-10 | H2, CO |
| 10-11 | H2, CO |
Hay 4 mecanismos principales que contribuyen a la desgasificación (se muestran en el siguiente diagrama):
- Vaporización del material de superficie real en sí mismo (en metales, esto es insignificante a temperaturas operativas típicas)
- Desorción: este es el proceso inverso a la adsorción. La liberación de moléculas unidas en las superficies de la cámara y los dispositivos internos
- Difusión: este es el movimiento de moléculas desde la estructura interna del material hacia la superficie
- Permeación: este es el movimiento de moléculas desde la atmósfera externa a través del granel hacia la superficie de vacío
La medida en que cada uno de ellos afecta a la desgasificación depende de la composición del gas y del material de superficie (y su historial). Las tasas de desgasificación son la suma de estas contribuciones.
Diagrama 2: mecanismos que contribuyen a la desgasificación
Cálculo mediante la ecuación de la tasa de desgasificación
El siguiente gráfico muestra cómo calcular las cargas de gas utilizando la ecuación de tasa de desgasificación.
Tenga en cuenta que el valor de la constante de decadencia proporciona una indicación del material y el mecanismo de desgasificación. Por ejemplo:
- α ≈ 1,1-1,2 superficies metálicas ultralimpias
- α ≈ 1 metales, vidrios y cerámica
- α ≈ 0,4-0,8 polímeros
- α ≈ 0,5-0,7 superficies muy porosas
- α ≈ 0,5 desgasificación controlada por difusión desde el volumen
Valores típicos de desgasificación
En la siguiente tabla, compartimos los valores típicos de desgasificación, donde t = 1 hora.
Material de trabajo |
Promedio (mbarls -1cm -2) |
Aluminio |
3,0 X 10-7 |
Hierro |
2,7 X 10-7 |
Latón |
1,5 x 10-6 |
Cobre |
2,3 x 10 -8 |
Oro |
1,1 x 10 -7 |
Acero al carbono |
6,2 x 10 -7 |
Acero fino inoxidable |
1,9 x 10 -7 |
Zinc |
2,6 x 10 -7 |
Titanio |
1,0 x 1,0 -8 |
Pyrex |
9,9 x 10 -9 |
Neopreno |
4,0 x 10 -5 |
Viton A |
1,1 x 10-6 |
PVC |
3,2 x 10-6 |
PTFE |
1,4 x 10-6 |
Resumen
La desgasificación suele ser el mayor contribuyente a la carga de gas de un sistema (especialmente por debajo del vacío medio) y limita la presión máxima alcanzable. Se produce a través de varios procesos, incluida la vaporización, la desorción, la difusión y la permeación. Las principales contribuciones a la desgasificación dependen del nivel de vacío, pero en HV proviene principalmente del vapor de agua, mientras que el hidrógeno es más común cuando se trabaja con metales en UHV.
Hay muchas tasas de desgasificación disponibles en la bibliografía, pero existe una variación significativa en estas. Aunque las variaciones en las tasas de desgasificación pueden atribuirse principalmente al método de medición utilizado y a la preparación de la muestra, el desarrollo de un estándar para las técnicas de medición de tasas sería valioso.
