El vacío ultraalto (a menudo escrito ultraalto en inglés americano, UHV ) es el régimen de vacío caracterizado por presiones inferiores a aproximadamente 1 × 10 −6 pascales (1,0 × 10 −8 mbar ; 7,5 × 10 −9 Torr ). Las condiciones UHV se crean bombeando el gas fuera de una cámara UHV. A estas bajas presiones, el camino libre medio de una molécula de gas es superior a aproximadamente 40 km, por lo que el gas se encuentra en un flujo molecular libre y las moléculas de gas chocarán con las paredes de la cámara muchas veces antes de chocar entre sí. Por lo tanto, casi todas las interacciones moleculares tienen lugar en distintas superficies de la cámara.
Las condiciones UHV son parte integral de la investigación científica. Los experimentos de ciencia de superficies a menudo requieren una superficie de muestra químicamente limpia y sin adsorbatos no deseados . Las herramientas de análisis de superficies, como la espectroscopia de fotoelectrones de rayos X y la dispersión de iones de baja energía, requieren condiciones UHV para la transmisión de haces de electrones o iones. Por la misma razón, los tubos de rayos en aceleradores de partículas como el Gran Colisionador de Hadrones se mantienen en UHV. [1]
Mantener las condiciones UHV requiere el uso de materiales inusuales para los equipos. Los conceptos útiles para UHV incluyen:
Normalmente, UHV requiere:
El hidrógeno y el monóxido de carbono son los gases de fondo más comunes en un sistema UHV bien diseñado y bien horneado. Tanto el hidrógeno como el CO se difunden desde los límites de los granos del acero inoxidable. El helio podría difundirse a través del acero y el vidrio desde el aire exterior, pero este efecto suele ser insignificante debido a la baja abundancia de He en la atmósfera.
La medición del alto vacío se realiza utilizando un manómetro no absoluto que mide una propiedad del vacío relacionada con la presión. Véase, por ejemplo, Pacey. [2] Estos medidores deben calibrarse. [3] Los manómetros capaces de medir las presiones más bajas son manómetros magnéticos basados en la dependencia de la presión de la corriente en una descarga espontánea de gas en campos eléctricos y magnéticos que se cruzan. [4]
Las presiones UHV se miden con un manómetro de iones , ya sea del tipo filamento caliente o magnetrón invertido.
En cualquier sistema de vacío, algo de gas seguirá escapando hacia la cámara con el tiempo y aumentará lentamente la presión si no se bombea. [5] Esta tasa de fuga generalmente se mide en mbar L/s o torr L/s. Si bien es inevitable una cierta liberación de gas, si la tasa de fuga es demasiado alta, puede ralentizar o incluso impedir que el sistema alcance una presión baja.
Hay una variedad de posibles razones para un aumento de presión. Estas incluyen fugas de aire simples, fugas virtuales y desorción (ya sea de superficies o de volumen). Existe una variedad de métodos para la detección de fugas. Se pueden encontrar fugas grandes presurizando la cámara y buscando burbujas en agua con jabón, mientras que las fugas pequeñas pueden requerir métodos más sensibles, hasta el uso de un gas trazador y un espectrómetro de masas de helio especializado .
La desgasificación es un problema para los sistemas UHV. La desgasificación puede ocurrir a partir de dos fuentes: superficies y materiales a granel. La desgasificación de materiales a granel se minimiza mediante la selección de materiales con bajas presiones de vapor (como vidrio, acero inoxidable y cerámica ) para todo lo que se encuentra dentro del sistema. Los materiales que generalmente no se consideran absorbentes pueden desgasificarse, incluidos la mayoría de los plásticos y algunos metales. Por ejemplo, los recipientes revestidos con un material altamente permeable a los gases como el paladio (que es una esponja de hidrógeno de alta capacidad ) crean problemas especiales de desgasificación.
La desgasificación de las superficies es un problema más sutil. A presiones extremadamente bajas, se adsorben más moléculas de gas en las paredes de las que flotan en la cámara, por lo que la superficie total dentro de una cámara es más importante que su volumen para alcanzar el UHV. El agua es una fuente importante de desgasificación porque una fina capa de vapor de agua se adsorbe rápidamente en todo cada vez que la cámara se abre al aire. El agua se evapora de las superficies demasiado lentamente para eliminarse por completo a temperatura ambiente, pero lo suficientemente rápido como para presentar un nivel continuo de contaminación de fondo. La eliminación de agua y gases similares generalmente requiere hornear el sistema UHV a una temperatura de 200 a 400 °C (392 a 752 °F) mientras las bombas de vacío están funcionando. Durante el uso de la cámara, las paredes de la cámara se pueden enfriar usando nitrógeno líquido para reducir aún más la desgasificación.
Para alcanzar presiones bajas, suele ser útil calentar todo el sistema por encima de 100 °C (212 °F) durante muchas horas (un proceso conocido como horneado ) para eliminar el agua y otros gases traza que se adsorben en las superficies de la Cámara. Esto también puede ser necesario al "ciclar" el equipo a la atmósfera. Este proceso acelera significativamente el proceso de desgasificación, permitiendo alcanzar bajas presiones mucho más rápido. Después del horneado, para evitar que la humedad regrese al sistema después de exponerlo a la presión atmosférica, se puede mantener un flujo de gas nitrógeno que crea una pequeña presión positiva para mantener el sistema seco.
No existe una única bomba de vacío que pueda funcionar desde la presión atmosférica hasta el vacío ultraalto. En su lugar, se utiliza una serie de bombas diferentes, según el rango de presión apropiado para cada bomba. En la primera etapa, una bomba preliminar limpia la mayor parte del gas de la cámara. A esto le siguen una o más bombas de vacío que funcionan a bajas presiones. Las bombas comúnmente utilizadas en esta segunda etapa para lograr UHV incluyen:
Las bombas turbo y las bombas de difusión dependen del ataque supersónico a las moléculas del sistema por parte de las palas y la corriente de vapor de alta velocidad, respectivamente.
Para ahorrar tiempo, energía e integridad del volumen UHV, a menudo se utiliza un sistema de vacío con esclusa de aire o de carga [6] . El volumen de la esclusa de aire tiene una puerta o válvula, como una válvula de compuerta o una válvula de ángulo UHV, [7] orientada hacia el lado UHV del volumen, y otra puerta contra la presión atmosférica a través de la cual se introducen inicialmente las muestras o piezas de trabajo. Después de la introducción de la muestra y de asegurarse de que la puerta contra la atmósfera esté cerrada, el volumen de la esclusa de aire generalmente se bombea hasta un vacío medio-alto. En algunos casos, la propia pieza de trabajo se hornea o se limpia previamente bajo este vacío medio-alto. Luego se abre la puerta de entrada a la cámara UHV, la pieza de trabajo se transfiere al UHV por medios robóticos o mediante otro dispositivo si es necesario, y se vuelve a cerrar la válvula UHV. Mientras la pieza de trabajo inicial se procesa bajo UHV, se puede introducir una muestra posterior en el volumen de la esclusa de aire, limpiarla previamente, etc., ahorrando mucho tiempo. Aunque generalmente se libera una "bocanada" de gas en el sistema UHV cuando se abre la válvula del volumen de la esclusa de aire, las bombas del sistema UHV generalmente pueden extraer este gas antes de que tenga tiempo de adsorberse en las superficies del UHV. En un sistema bien diseñado con esclusas de aire adecuadas, los componentes del UHV rara vez necesitan horneado y el UHV puede mejorar con el tiempo incluso cuando se introducen y retiran piezas de trabajo.
Se emplean sellos metálicos, con bordes de cuchillo en ambos lados cortando en una junta de cobre suave. Este sello de metal a metal puede mantener presiones de hasta 100 pPa (7,5 × 10 −13 Torr). Aunque generalmente se considera de un solo uso, el operador experto puede obtener varios usos mediante el uso de galgas de espesores de tamaño decreciente con cada iteración, siempre que los filos de las cuchillas estén en perfectas condiciones. Para las cavidades SRF, los sellos de indio se usan más comúnmente para sellar dos superficies planas usando abrazaderas para unir las superficies. Las abrazaderas deben apretarse lentamente para garantizar que los sellos de indio se compriman uniformemente por todas partes.
Muchos materiales comunes se utilizan con moderación, o se utilizan en absoluto, debido a la alta presión de vapor, la alta adsortividad o absortividad que resulta en una desgasificación problemática posterior, o una alta permeabilidad frente a la presión diferencial (es decir, "gasificación a través"):
Limitaciones técnicas:
Un manipulador UHV permite posicionar mecánicamente un objeto que se encuentra dentro de una cámara de vacío y bajo vacío. Puede proporcionar movimiento giratorio, movimiento lineal o una combinación de ambos. Los dispositivos más complejos dan movimiento en tres ejes y rotaciones alrededor de dos de esos ejes. Para generar el movimiento mecánico dentro de la cámara, comúnmente se emplean tres mecanismos básicos: un acoplamiento mecánico a través de la pared de vacío (usando un sello hermético al vacío alrededor del acoplamiento: un fuelle metálico soldado, por ejemplo), un acoplamiento magnético que transfiere el movimiento del aire -lado al lado de vacío: o una junta deslizante utilizando grasas especiales de muy baja presión de vapor o fluido ferromagnético. Estas grasas especiales pueden superar los 400 dólares por kilogramo. [ cita necesaria ] Hay varias formas de control de movimiento disponibles para manipuladores, como perillas, volantes, motores, motores paso a paso , motores piezoeléctricos y neumáticos . El uso de motores en un entorno de vacío a menudo requiere un diseño especial u otras consideraciones especiales, ya que el enfriamiento por convección que se da por sentado en condiciones atmosféricas no está disponible en un entorno UHV.
El manipulador o portamuestras puede incluir características que permitan un control y pruebas adicionales de una muestra, como la capacidad de aplicar calor, enfriamiento, voltaje o un campo magnético. El calentamiento de la muestra se puede lograr mediante bombardeo de electrones o radiación térmica. Para el bombardeo de electrones, el portamuestras está equipado con un filamento que emite electrones cuando está polarizado a un alto potencial negativo. El impacto de los electrones que bombardean la muestra con alta energía hace que ésta se caliente. Para la radiación térmica, se monta un filamento cerca de la muestra y se calienta resistivamente a alta temperatura. La energía infrarroja del filamento calienta la muestra.
El vacío ultraalto es necesario para muchas técnicas de análisis de superficies, como:
El UHV es necesario para que estas aplicaciones reduzcan la contaminación de la superficie, al reducir la cantidad de moléculas que llegan a la muestra durante un período de tiempo determinado. A 0,1 milipascales (7,5 × 10 −7 Torr), solo se necesita 1 segundo para cubrir una superficie con un contaminante, por lo que se necesitan presiones mucho más bajas para experimentos largos.
También se requiere UHV para:
Si bien no es obligatorio, puede resultar beneficioso en aplicaciones como: