Cómo generar ultra vacío para configuraciones de investigación

En este artículo se explica por qué la UHV es importante, qué efectos físicos la limitan y cómo diseñar un programa de investigación que alcance la UHV de forma fiable.

Por qué es importante la UHV

La UHV se define como una presión inferior a 10−⁷ hPa (1 hPa = 1 mbar). Con esta presión, la interacción de las partículas de gas se reduce a un nivel muy bajo. Se producen más colisiones entre las partículas y las paredes que entre las partículas. Esta baja interacción de partículas es fundamental en muchos campos de investigación.

En los aceleradores de partículas, el recorrido libre medio debe ser lo suficientemente largo como para minimizar las colisiones entre las partículas y el gas residual. En la ciencia de superficies, por ejemplo, en la microscopía de túnel de escaneo, la superficie de la muestra debe permanecer limpia durante el tiempo suficiente para obtener mediciones significativas. En la investigación espacial, la UHV es necesaria para reproducir una condición de presión semejante a la que se encuentra en el espacio.

Todas estas aplicaciones tienen algo en común: requieren un entorno de vacío que no solo sea bajo en presión, sino también estable, limpio y reproducible.

La UHV comienza por el diseño del sistema adecuado

Una configuración práctica de UHV incluye los siguientes elementos:


Una configuración sencilla podría ser como el esquema que se muestra en la figura 1.

Además de los componentes anteriormente mencionados, las válvulas son medidas de seguridad útiles que protegen el equipo de corrientes de aire repentinas.

Los puntos enumerados anteriormente mencionan tres efectos físicos que pueden retrasar o incluso impedir lograr la UHV. Como estos puntos son muy importantes, pero a menudo no se tratan en detalle, se describirán detalladamente en el siguiente capítulo. El capítulo también explica cómo se pueden minimizar estos efectos.

Los tres factores principales que limitan la UHV

A la hora de planificar un experimento de UHV, hay tres efectos físicos que merecen especial atención: la desorción, la permeabilidad y la conductancia.

1. Desorción
La desorción, o desgasificación, suele ser la carga de gas dominante en un sistema de UHV. Las moléculas de gas se liberan de las paredes de la cámara y de cualquier contaminación de la superficie. Si la tasa de desgasificación es demasiado alta, el sistema tardará mucho tiempo en bombear o nunca alcanzará la UHV.

Por este motivo, el material de la cámara y la calidad de la superficie son muy importantes. El acero inoxidable austenítico es el material estándar para cámaras de UHV porque combina una baja desgasificación, una alta resistencia mecánica y una buena compatibilidad con el horneado. Las superficies electropulidas reducen aún más la liberación de gas y aumentan el comportamiento de evacuación.

Una manipulación limpia es igualmente importante. Los componentes de UHV solo deben manipularse con guantes limpios y sin pelusas. Incluso una única huella dactilar puede añadir suficiente contaminación para evitar que se alcance la presión requerida.

Para reducir la desorción, seque el sistema y ventílelo con nitrógeno seco en vez de aire ambiente. Una cámara limpia con baja desgasificación siempre alcanzará la presión objetivo más rápido y de modo más reproducible que una contaminada.

2. Permeación
La permeación describe el transporte de gas hacia un sistema de vacío por difusión molecular a través de materiales sólidos, como juntas de goma y, en menor medida, barreras metálicas. Este mecanismo está impulsado por un gradiente de presión y es relevante en especial para especies pequeñas y altamente móviles, como el helio. A diferencia de los efectos transitorios de la liberación de gas, la permeación constituye una carga de gas casi constante y, por lo tanto, define un límite fundamental para la presión mínima alcanzable. La definición del caudal de permeación j _perm en condición estacionaria se muestra en la ecuación 1:

La magnitud del caudal de gas de permeación se determina por la permeabilidad del material k, el grosor de pared d y la diferencia de presión entre el interior p_i y el exterior p_o. En condiciones de alto y ultra vacío, la permeación puede convertirse en un componente no despreciable del caudal total de gas. En los sistemas de UHV, las juntas de goma suelen ser un punto débil porque los gases pueden pasar lentamente por ellas. Estos sellados añaden una carga de gas continua, lo que puede limitar la presión final alcanzable. Por este motivo, los sistemas de UHV deben utilizar sellados metálicos siempre que sea posible. Las conexiones de brida totalmente metálicas, como las bridas CF, son la opción estándar porque brindan una conexión estable y hermética con una permeabilidad muy baja.

3. Conductancia
Incluso una bomba potente no puede funcionar bien si la ruta del gas hacia la bomba tiene una conductancia deficiente. Las tuberías largas y estrechas o las válvulas subdimensionadas generan resistencia al flujo y reducen el caudal efectivo en la cámara. La conductancia c _pipe,mol. de una tubería en flujo molecular se define en la ecuación 2:

La ecuación 2 muestra la influencia del diámetro d y la longitud l. Este efecto se suele subestimar. Una bomba de vacío turbomolecular con un caudal nominal de 60 l/s puede reducirse a un caudal efectivo de 10 l/s por una tubería de entrada desfavorable con un diámetro de 25 mm y una longitud de 100 mm. Incluso una bomba mucho más grande, por ejemplo, 5000 l/s, con la misma configuración de línea de entrada puede suministrar únicamente 14 l/s en la cámara. Dicho de otra forma, una bomba más grande no puede compensar una geometría incorrecta.

Para evitar estas pérdidas, las tuberías y válvulas del lado de aspiración deben tener el mismo diámetro nominal que la entrada para la bomba de vacío turbomolecular. Además, la conexión debe ser lo más corta y directa posible.

El sistema de bombeo: bomba de vacío turbomolecular más bomba primaria

La UHV se suele generar con una combinación de una bomba de vacío turbomolecular y una bomba de evacuación previa libre de aceite.

La bomba de vacío turbomolecular genera alto y ultra vacío. Su acción de bombeo se basa en múltiples etapas de rotor y estátor que generan una relación de compresión elevada. Para aplicaciones de UHV, las bombas de vacío turbomolecular de alta compresión son ventajosas porque ofrecen una compresión mucho mayor para gases ligeros. La elevada relación de compresión hace que el retorno de gases ligeros al sistema sea más difícil, lo que se traduce en presiones más bajas. Como se puede ver en la figura 2, el hidrógeno es la especie dominante en un espectro de gas residual en los sistemas de UHV. Otros gases, p. ej., el agua (m/z=18) o el nitrógeno (m/z=28), solo desempeñan un papel menor.

Por lo tanto, una bomba de vacío turbomolecular con una tasa de compresión elevada para gases ligeros es la mejor opción para aplicaciones de UHV. Dicha bomba de vacío turbomolecular reduce la presión parcial del hidrógeno de forma más eficaz que las bombas de vacío turbomolecular estándar, lo que permite alcanzar presiones más bajas.

Al mismo tiempo, la bomba de vacío turbomolecular no puede funcionar por sí sola. Siempre requiere una bomba primaria para mantener la presión de la línea de pre-vacío. Esta necesidad hace que la bomba primaria sea una pieza fundamental del sistema de UHV y no un accesorio.

La correspondencia entre la bomba de vacío turbomolecular y la bomba primaria debe llevarse a cabo con cuidado. Las bombas de vacío turbomolecular de alta compresión pueden tolerar presiones de la línea de suministro de hasta 30 hPa (mbar). Las bombas con etapas turbo puras suelen tener un límite muy inferior, alrededor de 2 a 3 hPa (mbar). Además, el valor permitido también depende del tipo de gas. Si se supera continuamente la presión máxima de la línea de pre-vacío, la bomba puede sobrecalentarse, dañar sus rodamientos o fallar por completo.

Por este motivo, la bomba primaria no debe seleccionarse únicamente en función del caudal nominal. Debe ser capaz de mantener la presión requerida de la línea de pre-vacío con un margen suficiente en condiciones de trabajo reales.

Un punto más es importante en la práctica. Las turbobombas con etapas de compresión adicionales muy estrechas no deben ser la primera opción para procesos que impliquen condensación, sublimación o formación de partículas. En dichos casos, pueden formarse depósitos en espacios estrechos y afectar al rendimiento de la bomba.

Medición de presión y monitorización del sistema

Se requieren medidores de presión tanto del lado de alto vacío como en la línea de pre-vacío. Confirman si el sistema funciona dentro del rango previsto y ayudan a identificar el origen de un problema si no se alcanza la presión objetivo.

Sin una medición de presión fiable, la solución de problemas se convierte en una cuestión de conjeturas. Con los medidores adecuados instalados, es mucho más fácil distinguir entre la carga de gas relacionada con la cámara, los problemas de la línea de pre-vacío y las limitaciones de rendimiento de la bomba.

Adiciones útiles para un funcionamiento robusto

Unos pocos componentes adicionales pueden hacer que un sistema de UHV sea más robusto y fácil de mantener.

Una válvula de seguridad en la línea de pre-vacío puede proteger la bomba de vacío turbomolecular si falla la bomba de primaria. Sin protección, la cámara puede ventilarse desde el lado de respaldo. En sistemas grandes, esta entrada de aire puede crear una gran carga mecánica en el rotor de la bomba de vacío turbomolecular.

Una pieza en T en la línea de pre-vacío, combinada con una válvula adicional, permite conectar un detector de fugas. Esta configuración es muy útil cuando no se puede alcanzar el vacío límite y existe sospecha de fuga. En estos casos, la detección de fugas suele ser la forma más rápida de identificar la causa real.

En función de la aplicación, también pueden ser útiles otros accesorios, como las protecciones contra astillas.

Conclusión

La UHV no se genera por una bomba. Se genera mediante un sistema limpio y bien diseñado.

Consideraciones clave sobre esto:


Si todos estos elementos se tratan como un sistema coordinado, la UHV se convierte en una condición de servicio reproducible, en lugar de un ejercicio de prueba y error.

Bibliografía
[1] K. Jousten (ed.), Wutz Handbuch Vakuumtechnik, Tomo I, 8.a edición, Springer Fachmedien, Wiesbaden, 2004.
[2] Pfeiffer Vacuum GmbH, The Vacuum Technology Book Volumen II, Tomo 2 - Libro de conocimientos, Aßlar, 2013.