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Bomba de arrastre molecular

Una bomba de arrastre molecular es un tipo de bomba de vacío que utiliza el arrastre de las moléculas de aire contra una superficie giratoria. [1] El subtipo más común es la bomba Holweck , que contiene un cilindro giratorio con ranuras en espiral que dirigen el gas desde el lado de alto vacío de la bomba al lado de bajo vacío de la bomba. [2] El diseño más antiguo de la bomba Gaede es similar, pero es mucho menos común debido a las desventajas en la velocidad de bombeo. [3] En general, las bombas de arrastre molecular son más eficientes para gases pesados, por lo que los gases más ligeros ( hidrógeno , deuterio , helio ) constituirán la mayoría de los gases residuales que quedan después de hacer funcionar una bomba de arrastre molecular. [4]

La bomba turbomolecular, inventada en la década de 1950, es una versión más avanzada basada en un funcionamiento similar y, a menudo, se utiliza una bomba Holweck como bomba auxiliar. La bomba Holweck puede producir un vacío de tan solo 1 × 10 −8  mmHg (1,3 × 10 −6  Pa).

Historia

Gaede

La primera bomba de arrastre molecular fue creada por Wolfgang Gaede , quien tuvo la idea de la bomba en 1905, y pasó varios años en correspondencia con Leybold tratando de construir un dispositivo práctico. [5] El primer dispositivo prototipo que cumplió con las expectativas se completó en 1910, logrando una presión de menos de mbar . [6] Para 1912, se habían creado doce bombas, y el concepto fue presentado en la reunión de la Sociedad de Física en Münster el 16 de septiembre de ese año, y fue generalmente bien recibido. [5]

Gaede publicó varios artículos sobre los principios de esta bomba molecular, [7] [8] y patentó el diseño. [9] El principio de funcionamiento es que el gas en la cámara está expuesto a un lado de un cilindro que gira rápidamente. Las colisiones entre el gas y el cilindro giratorio dan a las moléculas de gas un impulso en la misma dirección que la superficie del cilindro, que está diseñado para alejarse de la cámara de vacío y dirigirse hacia una línea delantera. Se utiliza una bomba de respaldo separada para reducir la presión en la línea delantera (salida de la bomba molecular), ya que para funcionar, la bomba molecular necesita operar bajo presiones lo suficientemente bajas como para que el gas en el interior esté en libre flujo molecular . Una medida importante de la bomba es la relación de compresión, . Esta es la relación entre la presión del vacío, y la presión a la salida, y es aproximadamente constante a diferentes presiones, pero depende del gas individual. [10]

La relación de compresión se puede estimar utilizando la teoría cinética de los gases calculando el flujo debido a las colisiones con las superficies giratorias y la tasa de difusión en la dirección inversa. [11] La relación de compresión tiende a ser mejor para las moléculas pesadas, ya que la velocidad térmica de los gases más ligeros es mayor y la velocidad del cilindro giratorio tiene un efecto menor en estos gases más ligeros y de movimiento más rápido.

Esta "bomba molecular de Gaede" se utilizó en un experimento temprano para probar medidores de vacío . [12]

Holweck

El diseño mejorado de Holweck fue inventado a principios de la década de 1920 por Fernand Holweck [13] [14] como parte de su aparato para su trabajo en el estudio de los rayos X suaves . Fue fabricado por el fabricante de instrumentos científicos francés, Charles Beaudouin. [15] Solicitó una patente para el dispositivo en 1925. [16] La principal diferencia con la bomba de Gaede era la adición de una espiral, cortada en el cilindro giratorio o en la carcasa estática. Las bombas Holweck se han modelado con frecuencia de forma teórica. [2] [17] [18] El compañero de clase y colaborador de Holweck, H. Gondet, sugeriría más tarde otras mejoras al diseño. [5] [19]

Ferrocarril de Siegbahn

Otro diseño fue proporcionado por Manne Siegbahn . [20] Había producido una bomba que se utilizó en 1926. [21] Alrededor de 50 de las bombas de Siegbahn se fabricaron entre 1926 y 1940. [5] Estas bombas eran generalmente más lentas que las bombas de difusión comparables, por lo que eran raras fuera de la Universidad de Uppsala . Las bombas más grandes y rápidas del tipo Siegbahn comenzaron a fabricarse alrededor de 1940 para su uso en un ciclotrón . [22] En 1943, Seigbahn publicó un artículo sobre estas bombas, que se basaban en un disco giratorio. [23]

Uso en bombas turbomoleculares

Si bien las bombas de arrastre molecular de Gaede, Holweck y Siegbahn son diseños funcionales, han seguido siendo relativamente poco comunes como bombas independientes. Un problema era la velocidad de bombeo: las alternativas como la bomba de difusión son mucho más rápidas. En segundo lugar, un problema importante con estas bombas es la confiabilidad: con un espacio entre las partes móviles de decenas de micrómetros , cualquier cambio de polvo o temperatura amenaza con hacer que las partes entren en contacto y provoque la falla de la bomba. [24]

La bomba turbomolecular superó muchas de estas desventajas. Muchas bombas turbomoleculares modernas contienen etapas de arrastre molecular incorporadas, lo que les permite funcionar a presiones de línea delantera más altas.

Como etapa en las bombas turbomoleculares, el diseño más utilizado es el tipo Holweck, debido a una velocidad de bombeo significativamente mayor que el diseño Gaede. Si bien es más lento, el diseño Gaede tiene la ventaja de tolerar una presión de entrada más alta para la misma relación de compresión y ser más compacto que el tipo Holweck. [3] Si bien los diseños Gaede y Holweck son significativamente más utilizados, los diseños tipo Siegbahn continúan siendo investigados, debido a su diseño significativamente más compacto en comparación con las etapas Holweck. [25]

Véase también

Referencias

  1. ^ Duval, P.; Raynaud, A.; Saulgeot, C. (1988). "La bomba de arrastre molecular: Principio, características y aplicaciones". Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films . 6 (3). Sociedad Americana del Vacío: 1187–1191. Bibcode :1988JVSTA...6.1187D. doi :10.1116/1.575674. ISSN  0734-2101.
  2. ^ ab Naris, Steryios; Koutandou, Eirini; Valougeorgis, Dimitris (2012). "Diseño y optimización de una bomba Holweck mediante teoría cinética lineal". Journal of Physics: Conference Series . 362 (1): 012024. Bibcode :2012JPhCS.362a2024N. doi : 10.1088/1742-6596/362/1/012024 . ISSN  1742-6596.
  3. ^ ab Conrad, A; Ganschow, O (1993). "Comparación de las etapas de bombeo de Holweck y Gaede". Vacuum . 44 (5–7). Elsevier BV: 681–684. Bibcode :1993Vacuu..44..681C. doi :10.1016/0042-207x(93)90123-r. ISSN  0042-207X.
  4. ^ A. Bhatti, J; K. Aijazi, M; Q. Khan, A (2001). "Características de diseño de bombas de arrastre molecular". Vacío . 60 (1–2). Elsevier BV: 213–219. Código Bibliográfico :2001Vacuu..60..213A. doi :10.1016/s0042-207x(00)00374-2. ISSN  0042-207X.
  5. ^ abcd Redhead, PA (1994). Ciencia y tecnología del vacío: pioneros del siglo XX: historia de la ciencia y tecnología del vacío, volumen 2. Nueva York, NY: AIP Press para la American Vacuum Society. págs. 114-125. ISBN 978-1-56396-248-6.OCLC 28587335  .
  6. ^ Henning, Hinrich (2009). "Renaissance einer Hundertjährigen. Die Molekularpumpe von Wolfgang Gaede" [Renacimiento de un siglo: la bomba molecular de Wolfgang Gaede]. Vakuum in Forschung und Praxis (en alemán). 21 (4). Wiley: 19-22. doi :10.1002/vipr.200900392. ISSN  0947-076X. S2CID  94485485.
  7. ^ Gaede, W. (1912). "Die äußere Reibung der Gase und ein neues Prinzip für Luftpumpen: Die Molekularluft-pumpe" [La fricción exterior de los gases y un nuevo principio para las bombas de aire: la bomba de aire molecular]. Physikalische Zeitschrift (en alemán). 13 : 864–870.
  8. ^ Gaede, W. (1913). "Die Molekularluftpumpe" [La bomba de aire molecular]. Annalen der Physik (en alemán). 346 (7). Wiley: 337–380. Código bibliográfico : 1913AnP...346..337G. doi : 10.1002/andp.19133460707. ISSN  0003-3804.
  9. ^ Patente estadounidense 1069408, Wolfgang Gaede, "Método y aparato para producir altos vacíos", expedida el 5 de agosto de 1913 
  10. ^ Dushman, Saul (julio de 1920). "La producción y medición de altos vacíos: Parte II Métodos para la producción de bajas presiones". General Electric Review . 23 (7): 612–614.
  11. ^ Jacobs, Robert B. (1951). "El diseño de bombas moleculares". Revista de Física Aplicada . 22 (2). AIP Publishing: 217–220. doi :10.1063/1.1699927. ISSN  0021-8979.
  12. ^ Dushman, Saul (1 de febrero de 1915). "Teoría y uso del calibre molecular". Physical Review . 5 (3). American Physical Society (APS): 212–229. Bibcode :1915PhRv....5..212D. doi :10.1103/physrev.5.212. ISSN  0031-899X.
  13. ^ Holweck, M. (1923). "Physique Moléculaire - pompe moléculaire hélicoïdale" [Física molecular - bomba molecular helicoidal]. Comptes rendus de l'Académie des Sciences (en francés). 177 : 43–46.
  14. ^ Elwell, CF (1927). "La válvula de tipo desmontable Holweck". Institution of Electrical Engineers - Actas de la Sección de Radio de la Institución . 2 (6). Institution of Engineering and Technology (IET): 155–156. doi :10.1049/pws.1927.0011. ISSN  2054-0655.
  15. ^ Beaudouin, Denis (2006). "Charles Beaudouin, una historia de instrumentos científicos". Boletín de la Sociedad de Instrumentos Científicos . Vol. 90. pág. 34.
  16. ^ Patente francesa 609813, Fernand-Hippolyte-Lo Holweck, "Pompe moléculaire" 
  17. ^ Skovorodko, Petr A. (2001). Flujo molecular libre en la bomba Holweck . Actas de la conferencia AIP. Problemas no resueltos de ruido y fluctuaciones . Vol. 585. AIP. p. 900. doi :10.1063/1.1407654. ISSN  0094-243X.
  18. ^ Naris, S.; Tantos, C.; Valougeorgis, D. (2014). "Modelado cinético de una bomba Holweck cónica" (PDF) . Vacío . 109 . Elsevier BV: 341–348. Código Bibliográfico :2014Vacuu.109..341N. doi :10.1016/j.vacuum.2014.04.006. ISSN  0042-207X.
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  20. ^ GB 332879A, "Mejoras en o relacionadas con las bombas de vacío rotativas", publicada el 31 de julio de 1930, asignada a Karl Manne Georg Siegbahn 
  21. ^ Kellström, Gunnar (1927). "Präzisionsmessungen in derK-Serie der Elemente Palladium und Silber" [Medidas de precisión de la serie K de Paladio y Plata]. Zeitschrift für Physik A (en alemán). 41 (6–7). Springer Science y Business Media LLC: 516–523. Código Bib : 1927ZPhy...41..516K. doi :10.1007/bf01400210. ISSN  0939-7922. S2CID  124854698.
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  23. ^ Siegbahn, M. (1943). "Un nuevo diseño para una bomba de alto vacío". Arkiv för Matematik, Astronomi och Fysik . 30B (2): 261. ISSN  0365-4133.vía Power, Basil Dixon (1966). Equipos de bombeo de alto vacío . Chapman y Hall. pág. 190.
  24. ^ Henning, Hinrich (1998). "Bombas turbomoleculares". Manual de ciencia y tecnología del vacío . Elsevier. págs. 183-213. doi :10.1016/b978-012352065-4/50056-0. ISBN . 978-0-12-352065-4.
  25. ^ Giors, S.; Campagna, L.; Emelli, E. (2010). "Nuevo diseño de etapa de arrastre molecular en espiral para bombas de arrastre turbomolecular compactas de alta relación de compresión". Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films . 28 (4). Sociedad Americana de Vacío: 931–936. doi :10.1116/1.3386591. ISSN  0734-2101.

Lectura adicional