Tecnología de Vacío Ingeniería Técnica Mecánica. 3. Diseño de sistemas de vacío.

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


Evolución Temporal


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


• 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


• 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


3.2. 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.


Rangos de uso. Principio de funcionamiento.

Curvas características.

Dimensionado de bombas.

Sistemas de bombas. Bombas de apoyo.

Tiempo de bombeo.

Parámetros a estudiar


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


Rangos de actuación


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.



400 – 600 rpm 60ºC

1500 – 1725 rpm 80ºC


Problema: Condensación por compresión

Bomba rotatoria con “gas ballast”

T

PT

PP

s


Bomba rotatoria de doble etapa Bomba cicloidal

Tipos


Tipos

Bomba rotatoria de pistón


Tipos

Bomba Roots

•Mayores tolerancias

•Disminuye la fricción

•Ausencia de lubricante

•Altas velocidades de giro (3500 rpm)


Bomba rotatoria

Curvas características

10 m3/h200m3/h


Bomba rotatoria de pistón


30 m3/h1500m3/h


Bomba Roots


Relación de compresión

Velocidad de bombeo


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



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



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




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




21

12

1

2

a

a

P

PK

a) Kmax (W = 0)

Para sr < 1.5

Kmax ~ exp(sr)



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?




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)




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




maxmax

1K

K

W

W

c) Caso General



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



Presión Final

RestriccionesP(H2) ~ f(K)

Caudal de desgasificación y fugas

Desgasificación (qPV) y SI

Kmax y P2

P1



Diseño de álabes

qPV = cte → S·P = cte en la bomba

Primeros álabes S ↑, P ↓ (K ↓)

Últimos álabes S ↓, P ↑ (K ↑)


Bombas de Difusión

Altas Velocidades de Bombeo


Menos Problemas con Hidrógeno que TMP

Problemas con Retro-flujo de Hidrocarburos

Gran Difusión y Fiabilidad. Bajo Coste


Bombas de Difusión


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


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


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


Bombas de Difusión

Bombeo según gases

Peor Límite de Presión para elementos ligeros

Mayor Velocidad de Bombeo para elementos ligeros


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,...)


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)


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


Problemas con elementos inactivos

Limpias (¿)

Habitualmente en combinación con Bombas Iónicas


Getters


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, ...


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


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


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


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)



Preferencia de Gases

Ciertas reacciones son preferentes

Posibilidad de desorpción de gases en una atmósfera con gases preferentes

Desplazamiento de gases



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)



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


4

s'cA Si


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



Gases no bombeables

Funcionamiento en paralelo (con Bomba Iónica generalmente)


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


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


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



Descripción

Celda Penning ( ~10 x 10 x 20mm y ~4mm espaciado ánodo – cátodo)

Campo eléctrico cátodo – ánodo ( ~ 5kV )

Campo magnético ( ~ 0.2T )




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



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 (¡!)


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



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.


Parámetros a estudiar

Rangos de uso.

Principio de funcionamiento.

Efectos en el sistema


Tipos

• Medidores de Presión Total


Tipos

• Medidores de Presión Parcial


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


3.3.2. 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



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



Sensibilidad:

Sensible a deflexiones de hasta 10-9 cm

AC Control. Unidad electrónica de bajo ruido

Estabilidad de los electrodos (Temperatura constante,

etc.)


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



Medida mediante puente de Wheastone

Calibración previa de R4

Tipos:

Intensidad Constante

Voltaje Constante

Temperatura Constante



Calibración según gases dominantes


Medidores de Ionización

Bayard-Alpert Gauge (BAG)


• 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


Medidores de Ionización (BAG)


Calibración. Sensibilidad del medidor, s (torr-1). Factor de corrección, F

Trayectorias iniciales de varios electrones en una BAG

PI

Is

)·( FsI

IP



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

↓



Estabilidad

Estabilidad del filamento

Impurezas en el colector

Impurezas en la rejilla

Mejoras

BAG de modulador

BAG de extractor



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



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




Campo eléctrico creado por el cuadrupolo

( , , )( )

x y zx y

roo

2 2

22


xe

mrx

oo

..

20

ye

mry

oo

..

20

z..0

o U V t cos



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.




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

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