Datos sobre la ciencia del vacío: invenciones y sus héroes Conozcamos más sobre los fundamentos de la tecnología de vacío
Héroes del vacío
Fernand Holweck: un héroe del vacío
El legendario científico francés Fernand Holweck nació en 1890 y tuvo un impacto significativo en una impresionante gama de actividades que siguen siendo muy relevantes hoy en día. Estudió en la Escuela de Física y Química y se graduó en 1910 después de haber estado entre luminarias como Pierre Curie y Paul Langevin.
En 1912 se convirtió en asistente de Marie Curie y desempeñó un papel intrínseco en el desarrollo del Instituto Curie. Fue un experimentador por excelencia y se le acredita que ha contribuido más que nadie a la sistematización de la técnica radiactiva, que se creó en el Laboratorio Curie y que desde entonces se ha extendido por todo el mundo.
Durante la Primera Guerra Mundial, trabajó con Louis de Broglie en el desarrollo de técnicas ultrasónicas para la detección de submarinos. En 1922 recibió su doctorado por sus estudios sobre rayos X blandos, cubriendo la brecha de comprensión entre la región ultravioleta lejana y los rayos X: un estudio clásico sobre los espectros de rayos X de los elementos de bajo número atómico. Entre otras contribuciones, Holweck desarrolló el péndulo gravimétrico (para topografía), un tubo de radio de alta potencia desmontable, trabajó en válvulas termoiónicas y construyó la primera cascada de tubos de rayos X de aceleración sucesiva. También fue el primero en desarrollar el enfoque de los electrones y la óptica de los electrones; en este sentido, fue pionero en el desarrollo de la televisión.
En estas últimas actividades, se amplió su uso de las técnicas de vacío y su interés por mejorarlas. Con este fin, diseñó y construyó la bomba de vacío molecular Holweck en 1920, alcanzando niveles de vacío de 10-6 mbar, lo que contribuyó significativamente a la investigación e industria dependientes del vacío. En la bomba molecular Holweck, la acción de bombeo se produce mediante un rotor, normalmente en forma de cilindro liso. El estátor está provisto de ranuras de guía en espiral. El diseño de la construcción también se puede invertir, con el estátor liso y el rotor con ranuras guía. El principio es uno de la explotación del arrastre molecular. Hoy en día, todavía existen bombas basadas totalmente en Holweck, pero el principio de Holweck se utiliza ahora principalmente en combinación con bombas turbomoleculares de paletas, en las que la etapa Holweck facilita el escape a altas presiones de refuerzo y proporciona un alto gas de proceso en todo momento. Estas bombas desempeñan un papel crucial e integral en las técnicas de vacío utilizadas en la producción microelectrónica contemporánea.
Holweck siguió utilizando esta bomba para su investigación en rayos X y aplicaciones radiobiológicas en el laboratorio Pasteur. En 1929 confirmó de forma independiente la interpretación cuantificada de la acción biológica de la radiación sobre microorganismos y, más tarde, sobre bacterias, hongos y virus.
En 1938-1939, Holweck se unió a un grupo de científicos del vacío franceses de la academia y la industria para formar la primera sociedad nacional del vacío con el objetivo de promover las ciencias y técnicas del vacío a través de la educación, que más tarde se convirtió en la “Sociedad francesa de ingenieros y técnicos de vacío”.
Durante la ocupación alemana de Francia en 1940, Holweck y su trabajo fueron estrechamente supervisados. Aunque su seguridad personal estaba en alto riesgo, se negó a abandonar París y se unió a la resistencia. Fue detenido por la Gestapo en diciembre de 1941 y murió poco después de su detención bajo tortura.
En 1945, las Sociedades Físicas francesas y británicas, en memoria de Fernand Holweck, iniciaron la medalla de Holweck. El premio lo entrega alternativamente el Consejo del Instituto de Física a un físico francés y el Consejo de la Sociedad Francesa a un físico con sede en el Reino Unido o Irlanda. La selección se realiza a partir de una lista de tres nominados presentados por el otro Consejo.
El legado de Holweck al vacío y a la ciencia en general es indiscutible, pero quizás sea mejor dejar las palabras finales a uno de sus obituaristas que escribió en 1942 en Science (Vol. 96 núm. 2493 pág. 33) «Ha pagado con su vida por su amor a la libertad y a su país. Su ejemplo inspirará a todos los científicos del mundo en su lucha por la causa de la libertad y la democrática".
Martin Knudsen - Un héroe del vacío
Martin Knudsen contribuyó enormemente a la ciencia del vacío y, especialmente, a la comprensión del flujo en diferentes partes del espectro de vacío. Nació en la región danesa de Fyn en 1871 y en 1896, después de 6 años de estudios, obtuvo un máster en ciencias con especialización en física (la disciplina relativamente nueva y establecida). Fue en la Universidad de Copenhague, donde trabajó como asistente de Christiansen, que poco después fue a guiar a Neils Bohr.
Knudsen estaba muy interesado en la teoría kintec de los gases y fue el primero en aplicarla a los gases raros para convertirse en el “padre” de la ciencia del vacío moderna. Sus habilidades experimentales supremas permitieron la verificación de la predicción de la distribución de Maxwell-Boltzmann del flujo de gases a través de una abertura. De ahí el concepto de una célula de Knusden, que es el elemento básico de la epitaxia de haz molecular.
Su análisis de los efectos térmicos en las superficies le llevó a desarrollar el calibre de Knusden e introducir los coeficientes de acomodación térmica. Más tarde, analizó un medidor de viscosidad analizando el movimiento de las moléculas de gas entre las placas móviles.
Knudsen es probablemente el más conocido y se recuerda que da su nombre al número de Knudsen Kn = λ/d, donde λ es la ruta libre media de una molécula de gas en el sistema y d es una dimensión característica (normalmente el diámetro de la tubería o la cámara o la longitud de la sección transversal).
El régimen de flujo continuo o viscoso ii en el que Kn < 0,01 y la molécula-molécula dominan el comportamiento del gas que se comporta como un fluido. En el flujo molecular o Knudsen donde Kn > 1 (o para algunos autores >0,5 o > 3) dominan las colisiones molécula-superficie y la interacción de una molécula de gas con, por ejemplo, una pared de cámara es crucial para comprender este régimen de flujo. El régimen de flujo transitorio es donde 1 > Kn > 0,01 es un régimen especialmente difícil de analizar.
Para una caja de longitud l, el número de colisiones molécula-superficie/molécula-molécula es 3 λ/l. Por lo tanto, el rango 1 < Kn < 10 se conoce como un paso “casi libre” de moléculas a través de un tubo. La aplicación de este hecho es especialmente importante en los cálculos de las probabilidades de transmisión molecular.
El análisis de Knudsen del comportamiento de las moléculas en una superficie también fue fundamental. Una molécula que incide en una superficie se acomoda a la superficie y después de un tiempo de permanencia (que puede variar en un amplio rango). Después de salir de la superficie (un proceso conocido como desorción), la molécula no tiene memoria de la dirección (o velocidad) que tomó para desplazarse a la superficie. Dado que las colisiones entre las paredes moleculares dominan el flujo molecular, esta acción en la interfaz entre las paredes moleculares dicta el comportamiento del flujo molecular.
Esta situación es la descrita por la ley cosena de Knudsen, que establece que la probabilidad relativa W de las moléculas que dejan una superficie en un ángulo sólido dω formando un ángulo θ; con la normal a la superficie es proporcional a cos? i.e. W = (d?/p)cos? o el flujo por unidad de ángulo sólido es donde J(0) es el flujo (por unidad de ángulo sólido) normal a la superficie (θ = 0), que es la dirección más probable. En promedio, las moléculas salen en un ángulo normal a la superficie.
Distribución del coseno de Knudsen El diagrama polar representa el locus del flujo (densidad numérica) de moléculas emitidas desde un elemento de superficie plano (promedio). La magnitud de cada vector es proporcional al coseno θ.
Curiosamente, esta comprensión de si la naturaleza específica de la desorción de gas corrigió las propuestas erróneas de Wolfgang Gaede.
Knudsen también tenía un gran interés en la hidrografía y desarrolló métodos para definir las propiedades del agua de mar (fue editor de las tablas hidrológicas en 1901), pero sus grandes contribuciones a la ciencia del vacío lo convierten en un verdadero héroe del vacío.
Bibliografía:
- Un primer artículo clásico procede de 1910 (con Willard Fisher): The Molecular and the Frictional Flow of Gases in Tubes:Physical Review (Serie I, Volumen 31, pág. 586 (1910).
- Sus ideas sobre la teoría cinética se resumen en su libro The Kinetic Theory of Gases (Londres, 1934).
- El artículo de Walter Steckelmacher: Knudsen fluye 75 años después (Reports on Progress in Physics , volumen 49, págs. 1083-1986) es un excelente resumen.
Mahne Siegbahn: un héroe del vacío
MKarl Manne Georg Siegbahn fue un físico sueco que ganó el Premio Nobel de Física en 1924 “por sus descubrimientos e investigaciones en el campo de la espectroscopia de rayos X”. Curiosamente, su hijo (Kai Manne Börje) también ganó el Premio Nobel de Física en 1981 “por su contribución al desarrollo de la espectroscopia de electrones de alta resolución”.
El trabajo muy temprano de Siegbahn senior se centró en los problemas de electricidad y magnetismo. Trabajó en la Universidad de Lund con Rydberg y, tras su muerte, se convirtió en profesor en 1920. Siegbahn se mudó en 1923 a una cátedra de Física en la Universidad de Uppsala y más tarde (1937) se convirtió en profesor de Investigación de Física Experimental en la Real Academia Sueca de Ciencias. Ese mismo año se convirtió en el primer director del recién creado Departamento de Física del Instituto Nobel de la Academia.
A partir de 1912, Seigbahn centró sus estudios en la espectroscopia de rayos X. Desarrolló nuevas técnicas y prácticas (por ejemplo, tubos y rejillas de rayos X) que permitieron aumentar la intensidad de la radiación y aumentar la precisión de las mediciones. En 1916descubrió el tercer grupo (serie M) de líneas espectrales. El trabajo posterior de Seigbahn en el Instituto consistió en supervisar el desarrollo de un ciclotrón para la investigación de física nuclear.
Siegbahn utilizó el vacío para sus experimentos y su búsqueda de niveles de vacío más altos llevó al desarrollo de la bomba Siegbahn. Se trataba de un mecanismo de arrastre que difiería de las bombas Gadae y Holweck en que un disco gira dentro de una carcasa con ranuras en espiral. Se solicitaron patentes unos años después de que la bomba se construyera por primera vez en 1926. No se sabe si Siegbahn era consciente de la patente de la bomba de arrastre Holweck Desde 1926-1940 se construyeron unidades en el taller de maquinaria de la universidad y Leybold tenía una licencia de producción hasta 1931.
Las primeras bombas eran relativamente pequeñas, de 220 mm de diámetro, con una presión final de 1e-5 mbar y una presión previa de 0,1 mbar. Su velocidad de bombeo era de tan solo 2 l/s. Después de un mayor desarrollo, se produjo una bomba con una velocidad de 30 l/s en 1943. Más tarde, Siegbahn describió un mecanismo híbrido Seigbhan-Gaede con una velocidad de 48 l/s.
En el Instituto Nobel se construyó una bomba grande (disco de 540 mm de diámetro) para el ciclotrón, que tenía 3 ranuras en espiral (en paralelo) y una velocidad de bombeo de 73 l/s.
Generalmente, el mecanismo Holweck se emplea más ampliamente en bombas de arrastre o etapas de arrastre de una bomba turbomolecular. Dado que la bomba Siegbahn es una serie de discos en lugar de cilindros, ofrece una bomba más compacta. En este caso, aunque el mecanismo Holweck es más eficiente, la Siegbahn tiene más etapas y esto proporciona un mayor rendimiento.
Referencia: http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1924/siegbahn-bio.html
Wolfgang Gaede: un héroe del vacío
Nacido en 1878, en lo que ahora es el puerto alemán de Bremerhaven, Wolfgang Gaede hizo contribuciones únicas a las aplicaciones teóricas y prácticas de la tecnología de vacío durante la era de la aceleración de la industrialización que tuvo lugar en la última parte del siglo 19 y la primera mitad del siglo 20.
Wolfgang Gaede se graduó en física en la Universidad de Friburgo en 1901, después de haber estudiado medicina. Desarrolló la primera de sus bombas de vacío en respuesta a las necesidades de sus estudios de asistencia cuando solo había disponible una bomba Sprengel. Su bomba rotativa de mercurio (alto vacío) se patentó en 1905, un año después de que Alfred Schmidt de Leybold se pusiera en contacto con él para producir la bomba. Leybold había perdido a Pfeiffer, que tenía licencia para fabricar una bomba Geryk, pero el mecanismo de Gaede cubrió la brecha en la línea de negocio de vacío de Leybold y fue el inicio de una larga (y en ninguna medida lucrativa) asociación. De hecho, sus realezas financiaron parcialmente su laboratorio privado, donde con financiación adicional de Leybold desarrolló productos exclusivamente para que Leybold los fabricara y comercializara. Las pruebas sugieren que Gaede nunca desarrolló una bomba a petición de Leybold y la glorificó a mano alzada. En 1915, Gaede inventó la bomba de difusión de vapor de mercurio de alto vacío que permitía una presión de alto vacío inigualable hasta ahora.
Gaede tenía una serie de intereses fuera del vacío con patentes que incluían la tecnología inalámbrica y los refrigeradores, y recibió una profesión completa en 1919 en el Instituto de Tecnología de Karlsruhe. Fue un homólogo reconocido de los científicos del vacío de luminarias de la época. Sin embargo, tenía una creencia equivocada sobre la naturaleza de la desorción (antagonista de la ley cosinusoidal de Knuden), pero a pesar de ello reconoció el potencial de arrastre molecular (fricción) para desarrollar la bomba molecular Gaede (19). El proceso de arrastre es el principio de los mecanismos de bombeo de arrastre molecular en la tecnología contemporánea. En la década de 1930, Gaede desarrolló aún más las bombas de paletas rotativas de gran capacidad y el principio del lastre de gas, una elegante aplicación de la termodinámica y la teoría cinética. El lastre de gas es un flujo controlado de gas hacia la cámara de una bomba rotativa antes de alcanzar la compresión máxima. Esto permite la descarga de vapor sin condensación, lo que permite el bombeo de vapor sin las consecuencias de calado y los efectos dañinos en la bomba resultantes de la condensación.
En 1934, Gaede se convirtió en víctima de las “cazas de brujas” de las universidades de la Gestapo del gobierno nazi y se vio obligado a retirarse prematuramente de su cargo. Más tarde se trasladó a los laboratorios de Múnich. Leybold pagó sus gastos y indemnizaciones, ya que Gaede siguió siendo titular de la licencia, pero sin recibir ninguna regalía. Los bombardeos aliados destruyeron sus edificios de laboratorio en 1944 y Gaede murió en 1945.
Bibliografía:
- H. Henning Vakuum en investigación y práctica Volumen 13, Edición 3 , Páginas 180 - 186 (2001)
- Ciencia y tecnología del vacío: pioneros del siglo 20 P. A. Redhead Springer (1994) p43 ISBN 1563962489
Marcello Stefano Pirani - Un héroe del vacío
Nacido en Berlín en 1880, de ascendencia italiana, Marcello Pirani estaba destinado a aportar una gran contribución a la tecnología de vacío desde muy temprana edad. Finalizó sus estudios en Matemáticas y Física y luego se graduó en investigación en 1904, después se incorporó a la fábrica de lámparas incandescentes Siemens & Halske (Gluhampenwerk). Se dedicaba principalmente a las fuentes de luz, pero también a la fabricación de lámparas de tántalo, cuya fabricación requería un vacío más alto que las lámparas de filamento de carbono.
Un problema particular fue el uso de medidores McLeod de vidrio para la medición de vacío. Presentaban problemas al ser operados manualmente y especialmente sensibles a la rotura; derramar mercurio venenoso al hacerlo. Pirani consideró este problema y, como resultado, en 1906 publicó su artículo titulado “Directly Indicating Vacuum Gauge” (Indicador de vacío de indicación directa), que se conoció como el “indicador Pirani”: el primer indicador de lectura automática.
El manómetro Pirani se diseñó para medir presiones bajas utilizando la variación de la pérdida de calor de un cable con la presión del entorno. Un filamento metálico calentado (normalmente platino en los calibres modernos) pierde calor al gas debido a las colisiones de las moléculas de gas con el alambre. La pérdida de calor depende del número de colisiones realizadas con el cable y, por lo tanto, de la presión/densidad del gas. A medida que aumente el nivel de vacío, el número de moléculas presentes disminuirá proporcionalmente. Esto tiene un efecto de enfriamiento reducido para el cable.
La resistencia eléctrica de un cable varía con su temperatura. El manómetro Pirani funciona en uno de tres modos: tensión constante, corriente constante o resistencia constante (es decir, temperatura). El circuito de puente de Wheatstone se suele utilizar cuando el filamento del manómetro Pirani es un brazo de un puente de cuatro brazos. Las lecturas del manómetro deben corregirse o calibrarse para diferentes gases (que tienen diferentes conductividades térmicas). En comparación con el indicador McLeod, el indicador Pirani tiene la ventaja de ser automático. Los manómetros modernos pueden medir desde 100/10 hasta 10-4 mbar con una extensión a una presión más alta aprovechando la dependencia de la presión de las pérdidas por convección.
Pirani continuó trabajando en mediciones ópticas de altas temperaturas y luego se unió a Osram en 1919 como jefe de la oficina científica y técnica. Allí realizó amplias investigaciones sobre temas que van desde la sorción de gases por tántalo hasta la transición de las lámparas incandescentes a las de descarga de gas. Durante su tiempo en la industria, ocupó varios puestos en la Universidad Técnica y la Escuela Superior Técnica, ambas en Berlín.
Desde 1936, Pirani trabajó en el Reino Unido en actividades tan variadas como materiales resistentes a altas temperaturas o la utilización de polvo fino de carbón. Volvió a Alemania en 1953 asesorando a Osram antes de fallecer a los 88 años en la ciudad donde nació.
Pieter Clausing: un héroe del vacío
Nacido en 1898 en los Países Bajos, Pieter Clausing tuvo la buena suerte de recibir formación en las Universidades de Ámsterdam y Leiden por parte de famosos luminarios como Onnes, Lorentz y Ehrenfest.
Después de unirse a los laboratorios de investigación de Philips en 1923, trabajó primero en la teoría de los gases raros y los tiempos de residencia (de las moléculas en una superficie), que fue objeto de su tesis de doctorado en 1928. Clausing persiguió una amplia gama de actividades, incluidas investigaciones sobre materiales para tubos y lámparas de electrones, producción de dispositivos de alto vacío y un fuerte interés personal en estudios formales en teología; sobre los que publicó varios libros.
Algunas de las áreas más significativas del trabajo de Clausing (en el período 1926-1933) relacionadas con la física del vacío se centraron en varias áreas:
- sobre el soporte para la reflexión difusa de moléculas de superficies
- desarrollo de fórmulas para el flujo en tubos de cualquier longitud en flujo molecular y tabulación asociada de factores de Clausing (o probabilidades de paso)
- artículos fundamentales “La ley del coseno como consecuencia de la segunda ley principal de la termodinámica” y “El flujo de gases altamente raros a través de tubos de longitud arbitraria”
- identificación del efecto de “haz” (o patrón de “chorro”) asociado con el perfil de las moléculas que salen de los tubos y las aberturas “largas”. Esto debía mostrar una desviación muy significativa de la ley del coseno para los tubos que salen del flujo y las aberturas “largas”, por lo que la ley del coseno solo se aplicaba a la desorción de superficies y al flujo a través de aberturas muy finas.
Clausing trabajó (en materiales y vacío) publicando muchos artículos y patentes en los laboratorios de investigación de Philips hasta que se jubiló en 1961. En esta etapa, Philips se estableció completamente como un centro líder mundial para la investigación del vacío y el trabajo de Clausing se aplica a la actualidad.
Este artículo se basó en el perfil de Pieter Clausing en Ciencia y Tecnología del Vacío: pioneros del siglo 20 pág. 28. Editado por P A Redhead, American Vacuum Society (1994)
Mahne Siegbahn: un héroe del vacío
Karl Manne Georg Siegbahn fue un físico sueco que ganó el Premio Nobel de Física en 1924 “por sus descubrimientos e investigaciones en el campo de la espectroscopia de rayos X”. Notablemente, su hijo (Kai Manne Börje), también ganó el Premio Nobel de Física en 1981 “por su contribución al desarrollo de la espectroscopia de electrones de alta resolución”.
El trabajo muy temprano de Siegbahn senior se centró en los problemas de electricidad y magnetismo. Trabajó en la Universidad de Lund con Rydberg y, tras su muerte, se convirtió en profesor en 1920. Siegbahn se mudó en 1923 a una cátedra de Física en la Universidad de Uppsala y más tarde (1937) se convirtió en profesor de Investigación de Física Experimental en la Real Academia Sueca de Ciencias. Ese mismo año se convirtió en el primer director del recién creado Departamento de Física del Instituto Nobel de la Academia.
A partir de 1912, Seigbahn centró sus estudios en la espectroscopia de rayos X. Desarrolló nuevas técnicas y prácticas (por ejemplo, tubos y rejillas de rayos X) que permitieron aumentar la intensidad de la radiación y aumentar la precisión de las mediciones. En 1916descubrió el tercer grupo (serie M) de líneas espectrales. El trabajo posterior de Seigbahn en el Instituto consistió en supervisar el desarrollo de un ciclotrón para la investigación de física nuclear.
Siegbahn utilizó el vacío para sus experimentos y su búsqueda de niveles de vacío más altos llevó al desarrollo de la bomba Siegbahn. Se trataba de un mecanismo de arrastre que difiería de las bombas Gadae y Holweck en que un disco gira dentro de una carcasa con ranuras en espiral. Se solicitaron patentes unos años después de que la bomba se construyera por primera vez en 1926. No se sabe si Siegbahn era consciente de la patente de la bomba de arrastre Holweck Desde 1926-1940 se construyeron unidades en el taller de maquinaria de la universidad y Leybold tenía una licencia de producción hasta 1931.
Las primeras bombas eran relativamente pequeñas, de 220 mm de diámetro, con una presión final de 1e-5 mbar y una presión previa de 0,1 mbar. Su velocidad de bombeo era de tan solo 2 l/s. Después de un mayor desarrollo, se produjo una bomba con una velocidad de 30 l/s en 1943. Más tarde, Siegbahn describió un mecanismo híbrido Seigbhan-Gaede con una velocidad de 48 l/s.
En el Instituto Nobel se construyó una bomba grande (disco de 540 mm de diámetro) para el ciclotrón, que tenía 3 ranuras en espiral (en paralelo) y una velocidad de bombeo de 73 l/s.
Generalmente, el mecanismo Holweck se emplea más ampliamente en bombas de arrastre o etapas de arrastre de una bomba turbomolecular. Dado que la bomba Siegbahn es una serie de discos en lugar de cilindros, ofrece una bomba más compacta. En este caso, aunque el mecanismo Holweck es más eficiente, la Siegbahn tiene más etapas y esto proporciona un mayor rendimiento.
Referencia: http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1924/siegbahn-bio.html
