Una bomba criogénica o "bomba criogénica" es una bomba de vacío que atrapa gases y vapores condensándolos en una superficie fría, pero solo es eficaz con algunos gases. La eficacia depende de los puntos de congelación y ebullición del gas en relación con la temperatura de la criobomba. A veces se utilizan para bloquear contaminantes concretos, por ejemplo, delante de una bomba de difusión para atrapar el petróleo que fluye hacia atrás, o delante de un medidor McLeod para evitar la entrada de agua. En esta función se les llama criotrampa , bomba de agua o trampa de frío , aunque el mecanismo físico es el mismo que el de una criobomba.
La criotrampa también puede referirse a un efecto algo diferente, en el que las moléculas aumentarán su tiempo de residencia en una superficie fría sin llegar a congelarse ( sobreenfriamiento ). Hay un retraso entre la molécula que incide sobre la superficie y el rebote de ella. La energía cinética se habrá perdido a medida que las moléculas se desaceleren. Por ejemplo, el hidrógeno no se condensa a 8 kelvin , pero puede quedar criotrampado. Esto atrapa eficazmente las moléculas durante un período prolongado y, por lo tanto, las elimina del entorno de vacío, como si se tratara de un criobombeo.
Los primeros experimentos sobre criotrampa de gases en carbón activado se llevaron a cabo ya en 1874. [1]
Las primeras bombas criogénicas utilizaban principalmente helio líquido para enfriar la bomba, ya sea en un gran depósito de helio líquido o mediante flujo continuo hacia la criobomba. Sin embargo, con el tiempo, la mayoría de las bombas criogénicas se rediseñaron para utilizar helio gaseoso, [2] gracias a la invención de mejores crioenfriadores . La tecnología de refrigeración clave fue descubierta en la década de 1950 por dos empleados de la empresa Arthur D. Little Inc. , con sede en Massachusetts , William E. Gifford y Howard O. McMahon . Esta tecnología pasó a ser conocida como crioenfriador Gifford-McMahon . [3] [4] [5] [6] En la década de 1970, Helix Technology Corporation y su filial Cryogenic Technology Inc. utilizaron el crioenfriador Gifford-McMahon para fabricar una bomba de vacío. En 1976, las criobombas comenzaron a utilizarse en IBM. Fabricación de circuitos integrados. [7] El uso de bombas criogénicas se volvió común en la fabricación de semiconductores en todo el mundo, con expansiones como una empresa de criogenia fundada conjuntamente por Helix y ULVAC (jp:アルバック) en 1981.
Las criobombas se enfrían comúnmente con helio comprimido, aunque también pueden usar hielo seco , nitrógeno líquido o las versiones independientes pueden incluir un crioenfriador incorporado . A menudo se colocan deflectores en el cabezal frío para ampliar la superficie disponible para la condensación, pero también aumentan la absorción de calor radiativo de la criobomba. Con el tiempo, la superficie finalmente se satura con condensado y, por lo tanto, la velocidad de bombeo cae gradualmente hasta cero. Retendrá los gases atrapados mientras permanezca frío, pero no condensará los gases frescos provenientes de fugas o reflujos hasta que se regenere. La saturación ocurre muy rápidamente en vacíos bajos, por lo que las criobombas generalmente solo se usan en sistemas de vacío alto o ultraalto.
La criobomba proporciona un bombeo rápido y limpio de todos los gases en el rango de 10 −3 a 10 −9 Torr . La criobomba funciona según el principio de que los gases se pueden condensar y mantener a presiones de vapor extremadamente bajas, logrando altas velocidades y rendimientos. La cabeza fría consta de un cilindro de cabeza fría de dos etapas (parte del recipiente de vacío) y un conjunto de desplazador de unidad motriz. Estos juntos producen refrigeración de ciclo cerrado a temperaturas que oscilan entre 60 y 80 K para la estación fría de primera etapa y entre 10 y 20 K para la estación fría de segunda etapa, por lo general.
Algunas criobombas tienen múltiples etapas a diferentes temperaturas bajas, y las etapas externas protegen las etapas internas más frías. Las etapas externas condensan gases de alto punto de ebullición, como agua y aceite, ahorrando así área de superficie y capacidad de refrigeración de las etapas internas para gases de bajo punto de ebullición, como el nitrógeno.
A medida que las temperaturas de enfriamiento disminuyen cuando se usa hielo seco, nitrógeno líquido y luego helio comprimido, los gases de menor peso molecular pueden quedar atrapados. Atrapar nitrógeno, helio e hidrógeno requiere temperaturas extremadamente bajas (~10 K) y una gran superficie, como se describe a continuación. Incluso a esta temperatura, los gases más ligeros, el helio y el hidrógeno, tienen una eficiencia de captura muy baja y son las moléculas predominantes en los sistemas de vacío ultraalto.
Las bombas criogénicas suelen combinarse con bombas de sorción recubriendo el cabezal frío con materiales altamente adsorbentes, como carbón activado o una zeolita . A medida que el sorbente se satura, la eficacia de una bomba de sorción disminuye, pero puede recargarse calentando el material de zeolita (preferiblemente en condiciones de baja presión) para desgasificarlo . La temperatura de descomposición de la estructura porosa del material de zeolita puede limitar la temperatura máxima a la que puede calentarse para su regeneración.
Las bombas de absorción son un tipo de bomba criogénica que se utiliza a menudo como bombas de desbaste para reducir presiones desde el rango atmosférico hasta el orden de 0,1 Pa (10 −3 Torr), mientras que se logran presiones más bajas utilizando una bomba de acabado (ver vacío ).
La regeneración de una criobomba es el proceso de evaporación de los gases atrapados. Durante un ciclo de regeneración, la criobomba se calienta a temperatura ambiente o más, lo que permite que los gases atrapados cambien de un estado sólido a un estado gaseoso y, por lo tanto, se liberen de la criobomba a través de una válvula de alivio de presión a la atmósfera.
La mayoría de los equipos de producción que utilizan una criobomba tienen un medio para aislar la criobomba de la cámara de vacío para que la regeneración se lleve a cabo sin exponer el sistema de vacío a gases liberados, como el vapor de agua. El vapor de agua es el elemento natural más difícil de eliminar de las paredes de la cámara de vacío al exponerse a la atmósfera debido a la formación de monocapas y enlaces de hidrógeno. Agregar calor al gas de purga de nitrógeno seco acelerará el calentamiento y reducirá el tiempo de regeneración.
Cuando se complete la regeneración, la criobomba se desbastará a 50 μm (50 miliTorr o μmHg), se aislará y se controlará la velocidad de aumento (ROR) para probar una regeneración completa. Si el ROR supera los 10 μm/min, la criobomba requerirá un tiempo de purga adicional.