tecnología de vacío ingeniería técnica mecánica. 3. diseño de sistemas de vacío
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Tecnología de Vacío
Ingeniería Técnica Mecánica
3. Diseño de sistemas de vacío.
3.1. Parámetros fundamentales. 3.1.1. Velocidad de bombeo. 3.1.2. Bombeo de un sistema. 3.1.3. Sistemas de bombeo discreto.
3.2. Producción de vacío: Bombas de vacío. 3.2.1. Tipos de bombas de vacío. Rangos de uso. 3.2.2. Bombas rotatorias 3.2.3. Bombas cinéticas o de arrastre molecular 3.2.4. Bombas de captura o ingestión.
3.3. Medida de vacío: Medidores de presión 3.3.1. Introducción 3.3.2. Medidores de presión total. 3.3.3. Medidores de presión parcial.
3.4. Otros aspectos de interés 3.4.1. Regulación y control de sistemas de vacío. 3.4.2. Materiales para sistemas de vacío. 3.4.3. Sistemas auxiliares.
3.1. Parámetros fundamentales
Bombade Vacío
Conducciones
Sistema de Vacío
P
qV qM qPV
qL
qO
Atmósfera o Bomba auxiliar
3.1.1. Velocidad de Bombeo
P
qS PV
CSSP
qS
efSV
PVef
111
Bombade Vacío
Conducciones
Sistema de Vacío
PSV
qPV
P es la presión en el plano en el que se mide la velocidad. En una bomba de vacío, se considera la presión en el extremo de baja presión.
Unidades: m3/s litro/s
Velocidad de bombeo efectivaEs el flujo volumétrico medido en el sistema de vacío.
PSqqdt
dPV efLO
ef
LO
S
qqP
ef
LOt
V
S
S
qqePPtP
ef
)0()(
Bombade Vacío
Conducciones
Sistema de VacíoP
qPV
qL
qO
V
Ecuación de la evolución temporal
Condiciones estacionarias
Transitorio
3.1.1. Velocidad de Bombeo
LÍMITES A LA PRESIÓN FINAL
Flujos de Gas
Fugas (reales o internas)
Retorno de la bomba
Desgasificación
Vaporización
Desorpción superficial (natural o estimulada)
Difusión
Permeabilidad
3.1.2. Bombeo de un sistema
ef
LVPDSDt
V
S
S
qqqqqePPtP
ef
)0()(
ObjetivosObtención de bajas presiones en el sistema de vacío
Velocidad de Bombeo alta
Flujo gaseoso por fugas y desgasificación bajoRapidez de establecimiento de las condiciones en el sistema de vacío
Velocidad de Bombeo alta
El Flujo gaseoso por desgasificación es una variable temporal
Evolución Temporal
3.1.2. Bombeo de un sistema
Evolución Temporal
3.1.2. Bombeo de un sistema
2S 2S
2L
x x+x
(x)
x=0 x=2L
eje X
q
dx
dPLcx ·)(
(Pa m3 s-1) es el flujo de gas (equivale a molec. s-1)c (m3 s-1) es la conductanciaP (Pa) es la presión en el segmentox (m) es la distancia en el eje del cilindro
3.1.3. Sistema de Vacío con Bombeo Discreto
xdxxLLO
Ls dx
dPcL
dx
dPcL
L
dxAqxdxxdx
L
Aq
dt
dPdxA
2
)()(2
El cambio en la densidad de moléculas en el volumen elemental, AS dx es:
(1) (2) (3)
(1) es la derivada respecto del tiempo del número de partículas contenido en el volumen As dx expresada en Pa m3 s-1
(2) es la cantidad de moléculas desorbidas o fugadas hacia el sistema
(3) es la diferencia entre las moléculas que entran y las que salen del volumen elemental
x x+dx
(x) (x +dx)
q” Eje x
AS
AL
3.1.3. Sistema de Vacío con Bombeo Discreto
• En régimen estacionario, la ecuación diferencial que gobierna el flujo en el segmento es:
• Las condiciones de contorno son:
• La solución es una parábola de ecuación:
222
2
··2··2 Lc
Q
Lc
Aq
dx
Pd LLO
S
Qx
Lc
Qx
Lc
QxP
224)( 2
2
Lxdx
dP para0
SQ
LxP2
)2,0(
Condición de máximoen el centro del tubo
Presión en los extremos del tubo fijadapor la velocidad de bombeo 2S
2
2
2 dx
PdcL
L
Aq
dt
dPA LLO
s
3.1.3. Sistema de Vacío con Bombeo Discreto
• La presión promedio <P> :
• La presión está limitada por la conductancia específica, c, aunque la velocidad de bombeo sea infinita, existe una presión mínima
c
QP
6min
ScQP
2
1
6
1
3.1.3. Sistema de Vacío con Bombeo Discreto
3.2. Producción de vacío: Bombas de vacío.
3.2.1. Tipos de bombas de vacío. Rangos de uso. 3.2.2. Bombas rotatorias
3.2.3. Bombas cinéticas o de arrastre molecular
3.2.4. Bombas de captura o ingestión.
3.2. Producción de vacío: Bombas de vacío.
Rangos de uso. Principio de funcionamiento.
Curvas características.
Dimensionado de bombas.
Sistemas de bombas. Bombas de apoyo.
Tiempo de bombeo.
Parámetros a estudiar
3.2. Producción de vacío: Bombas de vacío.
Gases a bombear
Principio de funcionamiento
Rango de presiones
Tipos de Bombas
MecánicasRotatoriaPistónRootsEjectoresDifusiónTurbomolecular
Captura o IngestiónGetters
Titanio Sublimado (TSP)No Evaporables (NEG)
Iónicasde Condensaciónde AbsorciónCriogénicas
Gases a bombearPrincipio de funcionamiento
Rango de presiones
•Vació Grueso y Medio
•Vació Medio y Alto
•Vacío Ultra-Alto
3.2. Producción de vacío: Bombas de vacío.
3.2. Producción de vacío: Bombas de vacío.
Rangos de actuación
3.2. Producción de vacío: Bombas de vacío.
Bombas mecánicas de vacío grueso y medio (flujo viscoso)
Rotatorias•Tradicional•Doble etapa•Rotatoria de pistón•Roots•De anillo líquido
Pistón
Diafragma
Ejectores•De vapor•De líquido•De gas
Turbina
3.2.2. Bombas rotatorias.
3.2.2. Bombas rotatorias.
Principio de funcionamiento
400 – 600 rpm 60ºC
1500 – 1725 rpm 80ºC
3.2.2. Bombas rotatorias.
Problema: Condensación por compresión
Bomba rotatoria con “gas ballast”
T
PT
PP
s
3.2.2. Bombas rotatorias.
Bomba rotatoria de doble etapa Bomba cicloidal
Tipos
3.2.2. Bombas rotatorias.
Tipos
Bomba rotatoria de pistón
3.2.2. Bombas rotatorias.
Tipos
Bomba Roots
•Mayores tolerancias
•Disminuye la fricción
•Ausencia de lubricante
•Altas velocidades de giro (3500 rpm)
3.2.2. Bombas rotatorias.
Bomba rotatoria
Curvas características
10 m3/h200m3/h
3.2.2. Bombas rotatorias.
Bomba rotatoria de pistón
Curvas características
30 m3/h1500m3/h
3.2.2. Bombas rotatorias.
Bomba Roots
Curvas características
Relación de compresión
Velocidad de bombeo
3.2. Producción de vacío: Bombas de vacío.
Bombas mecánicas de vacío medio y alto (flujo molecular)
Turbomoleculares
Difusion
3.2.3. Bombas cinéticas o de arrastre
Bombas Turbomoleculares
Altas Velocidades de Bombeo
Presiones Finales Bajas
Problemas con Hidrógeno
Sin Retro-flujo de Hidrocarburos
3.2.3. Bombas cinéticas o de arrastre
Bombas Turbomoleculares
Principio de Funcionamiento
Alabes girando a 20000 – 60000rpm
Velocidad de Punta de Álabe ~ Velocidad térmica de las
moléculas
Choque molécula–álabe: Transferencia de momento
Alabes en ángulo : Probabilidad mayor de flujo en una
dirección
Etapas de Álabes Rotor – Estator (en direcciones contrarias)
Funcionan en la zona de flujo molecular
Ausencia de par viscoso
Necesidad de bomba de apoyo
3.2.3. Bombas cinéticas o de arrastre
Bombas Turbomoleculares
2121
12
1
2
a
W
a
a
Velocidad de Bombeo – Relación de Compresión
Γi = Nº moléculas que atraviesan la superficie i p.u.d.t. ≡ ZA·A
a = Fracción Transmitida (de 1 a 2 o de 2 a 1)
W = Coeficiente de Ho: Flujo que atraviesa el elemento de bomba frente al flujo que llega a ella (que sería el máximo que la podría atravesar)
Flujo = W Γ1 = Γ1a12 – Γ2a21
Y considerando T = cte
2121
12
1
2
a
W
a
a
P
PK
3.2.3. Bombas cinéticas o de arrastre
Bombas Turbomoleculares
Velocidad de Bombeo – Relación de Compresión
2121
12
1
2
a
W
a
a
P
PK
21
12
1
2
a
a
P
PK
a) Kmax (W = 0)
Las Fracción Transmitida son calculables mediante Monte Carlo
b) Wmax (K = 1)
2112 aaW
c) Caso General
3.2.3. Bombas cinéticas o de arrastre
Bombas Turbomoleculares
Velocidad de Bombeo – Relación de Compresión
21
12
1
2
a
a
P
PK
a) Kmax (W = 0)
Para sr < 1.5
Kmax ~ exp(sr)
3.2.3. Bombas cinéticas o de arrastre
Bombas Turbomoleculares
Problema
Calcular la relación de compresión máxima
en un disco (estator + rotor) para
Hidrógeno y Nitrógeno en una bomba
turbomolecular que funciona a 60000rpm
con alabes de radio 7cm.
Calcular la relación de compresión máxima
para una bomba de 5 discos.
¿Cuántos discos tiene la bomba del
gráfico, suponiendo que funciona con los
datos aportados?
3.2.3. Bombas cinéticas o de arrastre
Bombas Turbomoleculares
Velocidad de Bombeo – Relación de Compresión
Para sr < 1.5
Wmax ~ sr
2112 aaW
b) Wmax (K = 1)
Además
S ~ Vb
S (M↓) >~ S (M↑)
Nº de álabes ↑ W↑ (ligeramente hasta un límite de saturación)
3.2.3. Bombas cinéticas o de arrastre
Bombas Turbomoleculares
Velocidad de Bombeo – Relación de Compresión
max
max
max
max
11
1
1
K
K
K
KK
W
W
c) Caso General
2121
12
1
2
a
W
a
a
P
PK
3.2.3. Bombas cinéticas o de arrastre
Bombas Turbomoleculares
Velocidad de Bombeo – Relación de Compresión
maxmax
1K
K
W
W
c) Caso General
3.2.3. Bombas cinéticas o de arrastre
Bombas Turbomoleculares
2
3
1
2
P
PK
S
S
P
PK
BII
BII
BIBI
Bomba de Apoyo
Si Kmax > 104 Se usa 50 < K < 100
Si Kmax < 500 (¡ H2 !) Se usa 10 < K < 20 ¡SBII grande!
S
BI
BII
3.2.3. Bombas cinéticas o de arrastre
Bombas Turbomoleculares
Presión Final
RestriccionesP(H2) ~ f(K)
Caudal de desgasificación y fugas
Desgasificación (qPV) y SI
Kmax y P2
P1
3.2.3. Bombas cinéticas o de arrastre
Bombas Turbomoleculares
Diseño de álabes
qPV = cte → S·P = cte en la bomba
Primeros álabes S ↑, P ↓ (K ↓)
Últimos álabes S ↓, P ↑ (K ↑)
3.2.3. Bombas cinéticas o de arrastre
Bombas de Difusión
Altas Velocidades de Bombeo
Presiones Finales Bajas
Menos Problemas con Hidrógeno que TMP
Problemas con Retro-flujo de Hidrocarburos
Gran Difusión y Fiabilidad. Bajo Coste
3.2.3. Bombas cinéticas o de arrastre
Bombas de Difusión
Principio de Funcionamiento
Bomba de chorro de vapor
Velocidad de supersónica del chorro ~
Velocidad térmica de las moléculas
Choque molécula–corriente de vapor:
Transferencia de momento
Fluidos : Hidrocarburos
Aceites orgánicos
Mercurio
3.2.3. Bombas cinéticas o de arrastre
Bombas de Difusión
Proceso
Calentamiento del fluido hasta vaporización
Ascensión del vapor por las chimeneas
Salida por las toberas en flujo supersónico
Condensación en las paredes y caída: Recirculación
PEvaporador = 200 Pa
PSalida = 25 – 75 Pa
Si es mayor: Onda de choque
Necesidad de bomba de apoyo
3.2.3. Bombas cinéticas o de arrastre
Bombas de Difusión
EtapasHabitualmente de 3 a 5Primera Etapa: S↑ Q↓Última Etapa: Q ↑ S↓
Presión FinalEn el rango 10-5 – 10-9 Pa
Velocidad de Bombeo
3.2.3. Bombas cinéticas o de arrastre
Bombas de Difusión
Bombeo según gases
Peor Límite de Presión para elementos ligeros
Mayor Velocidad de Bombeo para elementos ligeros
3.2.3. Bombas cinéticas o de arrastre
Bombas de Difusión
...,,
2
2 He
Hea
H
Ha
K
P
K
PP
...2
2 Ar
Ar
N
N
S
Q
S
QP
Límites a la presión final
Definida por la relación de compresión (H2, He,...)
Definida por el flujo de desgasificación (N2, Ar,...)
3.2.3. Bombas cinéticas o de arrastre
Bombas de Difusión
Pérdidas de vapor hacia la bomba de apoyo
Trampas
Retro-flujo de vapor
Fluidos de baja presión de vapor
Trampas(de Nitrógeno líquido)
3.2.3. Bombas cinéticas o de arrastre
Bombas de Difusión
Pérdidas de vapor hacia la bomba de apoyo
Trampas
Retro-flujo de vapor
Fluidos de baja presión de vapor
Trampas(de Nitrógeno líquido)
3.2. Producción de vacío: Bombas de vacío.
Bombas de captura o ingestión.
Getters
de Superficie: TSP (Titanium Sublimation Pump)
de Volumen: NEG (Non Evaporable Getters)
Bombas Iónicas: SIP (Sputter Ion Pump)
3.2.4. Bombas de captura o ingestión
Getters
Altas Velocidades de Bombeo a Bajas Presiones
Presiones Finales Bajas
Problemas con elementos inactivos
Limpias (¿)
Habitualmente en combinación con Bombas Iónicas
3.2.4. Bombas de captura o ingestión
Getters
Principio de Funcionamiento
Bombas de ingestión
No transportan los gases hacia la atmósfera exterior
Sensibles al tipo de gas (activos, intermedios, nobles)
Reaccionan con los gases o los difunden en su interior
Metales, Materiales porosos
Son Limpias (¿?)
No producen retro-flujo de moléculas orgánicas
Pueden producir retro-flujo de H2, CH4, CO2, ...
3.2.4. Bombas de captura o ingestión
Getters
Dos Procesos Diferentes
Reacción con gases (O2) para formar compuestos (TiO)
Difusión de gases (H2) en el interior del getter
Velocidad de Bombeo
Coeficiente de Adherencia
Coeficiente de Difusión
Tipos de Getters
Getters de Superficie Adherencia Bajas Temperaturas
Getters de Volumen Difusión Altas Temperaturas
3.2.4. Bombas de captura o ingestión
Getters de superficie
Metales Reactivos: Ti Mo Ni Ta Zc Al ...
Bombean Gases Activos
Bomba de Sublimación de Titanio (TSP)
Elección del Titanio:BaratoReacciona con un amplio Rango de Gases AtmosféricosTemperatura de Sublimación Baja
3.2.4. Bombas de captura o ingestión
Getters de superficie: TSP
Funcionamiento
Calentamiento eléctrico de un filamento de Ti. Sublimación
Deposición de una película delgada sobre paredes refrigeradas (H2O, N2)
Saturación de la superficie
Generación de una nueva película periódicamente
3.2.4. Bombas de captura o ingestión
Getters de superficie: TSPBombeo según gases
Gases Activos (COx, O2, H2O, C2H2, ...)
Coeficientes de Adherencia Altos
Bombeo de H2O por disociación en H y O
Independencia de la Temperatura (Rango 77K < T < 300K)
Gases Intermedios (N2, H2, ...)
Coeficientes de Adherencia Dependientes de la Temperatura
Bajos a Temperatura Ambiente
Medio-Altos a T ~ 77K
H2 Difunde al interior tras adherirse
Gases Activos (He, Ar, CH4, ...)
No son bombeados
Metano es ligeramente bombeado a T ~ 77K (van der Waals)
3.2.4. Bombas de captura o ingestión
Getters de superficie: TSP
Preferencia de Gases
Ciertas reacciones son preferentes
Posibilidad de desorpción de gases en una atmósfera con gases preferentes
Desplazamiento de gases
3.2.4. Bombas de captura o ingestión
Getters de superficie: TSP
Presión de Funcionamiento
A presiones altas, el Titanio no sublima
P < 10-1Pa
Necesidad de equipo paralelo de apoyo
Habitual aislamiento posterior del sistema de apoyo (Válvula)
3.2.4. Bombas de captura o ingestión
Getters de superficie: TSP
Velocidad de Bombeo
Depende del tiempo que tarda en saturarse el Titanio Sublimado
P < 10-4Pa Película delgada activa en todo momento
P > 10-4Pa Ti Sublimado reacciona con gases antes de depositarse
3.2.4. Bombas de captura o ingestión
4
s'cA Si
Getters de superficie: TSP
Velocidad de Bombeo
Importancia de la Conductancia S-1 = Si-1 + C-1
Velocidad Intrínseca de Bombeo
Ejemplo:TSP con carcasa de D=5cm y
H=10cm.
l/s1400
8.0'
300
/10·32
O
l/s1430
4.0'
78
/10·2
H
0181.04
·32.8·810·5·
3
2
3
2
3
Si
s
KT
molkgPM
Si
s
KT
molkgPM
PM
Ts'
s'PM
T
Si
3.2.4. Bombas de captura o ingestión
Getters de superficie: TSP
Gases no bombeables
Funcionamiento en paralelo (con Bomba Iónica generalmente)
3.2.4. Bombas de captura o ingestión
Getters de volumen
Non Evaporable Getters (NEG)
• Adsorción superficial + Difusión hacia el interior
• Operación a altas temperaturas
• No bombean gases inertes o metano, pues no
son adsorbidos por la superficie
• Compuestos de Zr – Al – V – Ti, etc.
• Velocidades de Bombeo 10 – 500l/s
• Con el apoyo de sistemas que bombeen los
gases inertes, P ~10-9Pa
3.2.4. Bombas de captura o ingestión
Bombas iónicas (Sputter Ion Pumps)
Altas Velocidades de Bombeo a Presiones de Vacío Medio-Alto
Presiones Finales de Ultra-alto Vacío
Bajo Bombeo de Gases Nobles
Desorpción de Hidrógeno
3.2.4. Bombas de captura o ingestión
Bombas iónicas (SIP)
Características Básicas
Bombea al producir Iones por bombardeo electrónico
Los Iones son más reactivos con las superficies
Los Iones pueden acelerarse fácilmente, enterrándose en superficies.
Límites y problemática:
P < 1Pa para que e- tengas suficiente energía para ionizar
P > 10-2 para que e- choquen con moléculas (λ·P = cte)
Solución:
Confinamiento que impida choque inmediato con paredes
Campo Eléctrico + Campo Magnético
3.2.4. Bombas de captura o ingestión
Bombas iónicas (SIP)
Descripción
Celda Penning ( ~10 x 10 x 20mm y ~4mm espaciado ánodo – cátodo)
Campo eléctrico cátodo – ánodo ( ~ 5kV )
Campo magnético ( ~ 0.2T )
3.2.4. Bombas de captura o ingestión
Bombas iónicas (SIP)
Principio de Funcionamiento
Órbitas Espirales por la combinación de campos eléctricos y magnéticos.
Colisión electrón – molécula de gas
Creación de un Ion y Aceleración del Ion
Choque del Ion con el cátodo: Pulverización Catódica (Sputtering)
Generación de electrones secundarios
Otros Procesos:Disociación MolecularÁtomos Neutros de Alta Energía
3.2.4. Bombas de captura o ingestión
Bombas iónicas (SIP)
Mecanismos de Bombeo
Adsorción o Precipitación tras Disociación Molecular
Gettering en el cátodo (de Ti) tras Sputtering
Enterramiento del Ion bajo material de Sputtering
Enterramiento del Ion en otra superficie
Enterramiento de Átomos Neutros de Alta Energía
Casi todos los gases bombeados pueden ser re–emitidos.
• Presión límite mínima
• Memoria de la Bomba (¡!)
3.2.4. Bombas de captura o ingestión
Bombas iónicas (SIP)Bombeo según gases
Moléculas OrgánicasAdsorción o Precipitación tras Disociación por bombardeo electrónico
Gases Activos (O2, CO2, N2, ...)
Reacción con Ti depositado en el ánodo tras SputteringEnterramiento de Iones en el cátodo
H2
Masa Pequeña → Bajo SputteringEnterramiento de Iones y Adsorción de Moléculas NeutrasDifunde al interior (favorecido por Ar e inhibido por N2)
Gases NoblesEnterramiento de Iones en el cátodoEnterramiento de Iones en el cátodo
3.2.4. Bombas de captura o ingestión
Bombas iónicas (SIP)
Rango de Operación
10-2Pa < P < 10-9Pa
Velocidad de Bombeo
S = S (Campo Magnético, Campo Eléctrico, Dimensiones de la Celda)
P alta: La descarga eléctrica produce calentamiento → Desorpción de H2
P baja: Disminuyen los procesos de Ionización y Sputtering
Vida Media
Definida por el proceso de Sputtering
10-3Pa → ~ 5000 horas
10-4Pa → ~ 50000 horas
3.3. Medidores de vacío
3.3.1. Introducción 3.3.2. Medidores de presión total.
3.3.2.1. Capacitancia 3.3.2.2. Pirani
3.3.2.3. Ionización
3.3.3. Medidores de presión parcial.
3.3. Medidores de vacío
Parámetros a estudiar
Rangos de uso.
Principio de funcionamiento.
Efectos en el sistema
3.3. Medidores de vacío
Tipos
• Medidores de Presión Total
3.3. Medidores de vacío
Tipos
• Medidores de Presión Parcial
3.3. Medidores de vacío
Rango de Uso
• Medidores de Presión Total
Rango de Uso
• Medidores de Presión Parcial
Cuadrupolos, etc P < 10-3 mbar
Convertidores de Presión P > 10-3 mbar
3.3. Medidores de vacío
3.3.2. Medidores de vacío de presión total
Medidor de Capacitancia
Es un medidor de Diafragma:Mide la variación de la posición del diafragma, según
cual sea la diferencia de presiones a la que se le somete.
Diafragma Metálico Flexible + 2 Electrodos
3.3.2. Medidores de vacío de presión total
Medidor de Capacitancia
Tipos:
Un lado (existencia de partículas, corrosión, etc.)
Ambos lados (si la constante dieléctrica es similar)
Evacuables
Evacuados (+ Getter) P ~ 10-5Pa
Rango
10-5Pa < P < 104Pa
Salto máximo de 105
3.3.2. Medidores de vacío de presión total
Medidor de Capacitancia
Sensibilidad:
Sensible a deflexiones de hasta 10-9 cm
AC Control. Unidad electrónica de bajo ruido
Estabilidad de los electrodos (Temperatura constante,
etc.)
3.3.2. Medidores de vacío de presión total
Medidores de Conductividad Térmica: Galga Pirani
k = k(P) para 0.01 < Kn < 1
Convección = f(P) para Kn < 0.01
Necesidad de reducir pérdidas para Kn > 1
Radiación
Conducción a través de los extremos de la galga
Rango 10-2 Pa < P < 103 Pa
3.3.2. Medidores de vacío de presión total
Medidores de Conductividad Térmica: Galga Pirani
Medida mediante puente de Wheastone
Calibración previa de R4
Tipos:
Intensidad Constante
Voltaje Constante
Temperatura Constante
3.3.2. Medidores de vacío de presión total
Medidores de Conductividad Térmica: Galga Pirani
Calibración según gases dominantes
3.3.2. Medidores de vacío de presión total
Medidores de Ionización
Bayard-Alpert Gauge (BAG)
Principio de funcionamiento
• Calentamiento de un Filamento de material termoiónico
• Liberación de electrones
• Aceleración de e- hacia la rejilla mantenida a un potencial V+
• Oscilación alrededor de la rejilla
• Choque con un átomo de gas residual y generación de un ión
• Ión recogido en el colector, mantenido a un potencial V-
• Medida de la corriente en el colector
A) FilamentoB) RejillaC) Colector
A C B
3.3.2. Medidores de vacío de presión total
Medidores de Ionización (BAG)
Principio de funcionamiento
Calibración. Sensibilidad del medidor, s (torr-1). Factor de corrección, F
Trayectorias iniciales de varios electrones en una BAG
PI
Is
)·( FsI
IP
3.3.2. Medidores de vacío de presión total
Medidores de Ionización (BAG)
Rango de funcionamiento1E-3 mbar a 1E-13 mbar
LimitacionesLímites de baja presión por aparición de corrientes residuales indep. de la
presión Rayos X
1E-8 Torr a 1E-13 Torr según geometría
choques e--rejilla → rayos X → colector →
fotoelectrones Desorpción de moléculas e
iones de la rejilla por impacto de electrones.
Medidores contaminados por gases activos
Corriente residual dependiente de la intensidad de
emisión.
Pequeño efecto, similar al de rayos X( iones emitidos
escapan, E ~ 1-10 eV)
Efecto inverso de rayos X
rayos X → encapsulado/cámara electrones → ↑
intensidad de emisión.
Límite de alta presión
~ 1E-3 Torr
Se pasa a una zona no lineal de medida.
λ↓ → la efectividad de los electrones para formar iones disminuye
↓
3.3.2. Medidores de vacío de presión total
Medidores de Ionización (BAG)
Estabilidad
Estabilidad del filamento
Impurezas en el colector
Impurezas en la rejilla
Mejoras
BAG de modulador
BAG de extractor
3.3.2. Medidores de vacío de presión total
Medidores de Ionización (BAG)
Mejoras
BAG de modulador
Principio de modulación
Se introduce un segundo colector,
desplazado (modulador).
El potencial del modulador salta entre los
niveles del colector y de la rejilla
Si el modulador actúa de colector, recoge
un % k de los iones
Comparando I en el colector con (I+m) y sin
modulador (I+) recogiendo, se
puede eliminar la parte de la señal que no depende de la presión.
A) FilamentoB) RejillaC) ColectorD) Modulador
A M C B
I I Ip r
I k I Im p r ( )1
II I
kpm
PI I
kI Sm
3.3.2. Medidores de vacío de presión total
Medidores de Ionización (BAG)
Mejoras
BAG de extractor (mejora el límite de rayos X)
3.3.3. Medidores de vacío de presión parcial
Analizadores de gas residual (RGA)
Iones → Campo electromagnético → Diferentes trayectorias
f(m/e).
Espectrómetro de masas cuadrupolar
Componentes
3.3.3. Medidores de vacío de presión parcial
Analizadores de gas residual (RGA)
Espectrómetro de masas cuadrupolar
3.3.3. Medidores de vacío de presión parcial
Analizadores de gas residual (RGA)
Espectrómetro de masas cuadrupolar
Campo eléctrico creado por el cuadrupolo
( , , )( )
x y zx y
roo
2 2
22
3.3.3. Medidores de vacío de presión parcial
xe
mrx
oo
..
20
ye
mry
oo
..
20
z..0
o U V t cos
Analizadores de gas residual (RGA)
Espectrómetro de masas cuadrupolar
Trayectoria de un ión que atraviesa longitudinalmente el cuadrupolo
El movimiento en los ejes x e y depende de la variación temporal del
potencial Ф.
3.3.3. Medidores de vacío de presión parcial
Analizadores de gas residual (RGA)
Espectrómetro de masas cuadrupolar
Trayectoria de un ión que atraviesa longitudinalmente el cuadrupolo (U y V
fijos)
Variando U y V se consigue hacer pasar otras relaciones m/e
Un sensor a la salida mide la presión (nº de iones) parcial para dicha relación
m/e