El ultra alto vacío (a menudo escrito ultrahigh 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 de 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 mayor que aproximadamente 40 km, por lo que el gas está en 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 varias superficies de la cámara.
Las condiciones de ultra alta volatilidad son fundamentales para la investigación científica. Los experimentos de ciencia de superficies a menudo requieren una superficie de muestra químicamente limpia y sin adsorbentes 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 de ultra alta volatilidad para la transmisión de haces de electrones o iones. Por la misma razón, los conductos de haces en aceleradores de partículas, como el Gran Colisionador de Hadrones, se mantienen en ultra alta volatilidad. [1]
Para mantener las condiciones de ultra alta temperatura es necesario utilizar materiales poco habituales en los equipos. Algunos conceptos útiles para la ultra alta temperatura son:
Por lo general, el UHV requiere:
El hidrógeno y el monóxido de carbono son los gases de fondo más comunes en un sistema de ventilación ultraalta bien diseñado y bien horneado. Tanto el hidrógeno como el CO se difunden a través de los límites de grano en el 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 mediante un manómetro no absoluto que mide una propiedad del vacío relacionada con la presión. Véase, por ejemplo, Pacey. [2] Estos manómetros deben calibrarse. [3] Los manómetros capaces de medir las presiones más bajas son los manómetros magnéticos basados en la dependencia de la presión de la corriente en una descarga de gas espontánea en campos eléctricos y magnéticos que se cruzan. [4]
Las presiones UHV se miden con un medidor de iones , ya sea del tipo de filamento caliente o de magnetrón invertido.
En cualquier sistema de vacío, con el tiempo, algo de gas seguirá escapando hacia la cámara y aumentará lentamente la presión si no se bombea hacia afuera. [5] Esta tasa de fuga generalmente se mide en mbar L/s o torr L/s. Si bien es inevitable que se libere algo de gas, si la tasa de fuga es demasiado alta, puede ralentizar o incluso impedir que el sistema alcance una presión baja.
Existen diversas razones posibles para un aumento de la presión. Estas incluyen simples fugas de aire, fugas virtuales y desorción (ya sea de superficies o de volumen). Existe una variedad de métodos para la detección de fugas. Las fugas grandes se pueden encontrar presurizando la cámara y buscando burbujas en agua jabonosa, 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 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 está dentro del sistema. Los materiales que generalmente no se consideran absorbentes pueden desgasificar, incluidos la mayoría de los plásticos y algunos metales. Por ejemplo, los recipientes revestidos con un material altamente permeable al gas 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 que 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 cuando 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 200 a 400 °C (392 a 752 °F) mientras las bombas de vacío están en funcionamiento. Durante el uso de la cámara, las paredes de la cámara pueden enfriarse utilizando nitrógeno líquido para reducir aún más la desgasificación.
Para alcanzar bajas presiones, suele ser útil calentar todo el sistema por encima de los 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 "encender" el equipo en la atmósfera. Este proceso acelera significativamente el proceso de desgasificación, lo que permite alcanzar bajas presiones mucho más rápido. Después del horneado, para evitar que la humedad vuelva a entrar en el sistema después de que se exponga 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 adecuado para cada bomba. En la primera etapa, una bomba de desbaste elimina la mayor parte del gas de la cámara. A continuación, se utilizan una o más bombas de vacío que funcionan a bajas presiones. Las bombas que se utilizan habitualmente en esta segunda etapa para lograr el vacío ultraalto incluyen:
Las bombas turbo y las bombas de difusión dependen del ataque supersónico a las moléculas del sistema por parte de las aspas 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 esclusa de carga [6] . El volumen con esclusa de aire tiene una puerta o válvula, como una válvula de compuerta o una válvula angular 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 está cerrada, el volumen con esclusa de aire normalmente se bombea hasta un vacío medio-alto. En algunos casos, la propia pieza de trabajo se seca al horno o se limpia previamente de otro modo bajo este vacío medio-alto. A continuación, se abre la puerta de acceso a la cámara UHV, se transfiere la pieza de trabajo a la UHV por medios robóticos o por otro dispositivo si es necesario, y se vuelve a cerrar la válvula UHV. Mientras se procesa la pieza de trabajo inicial bajo UHV, se puede introducir una muestra posterior en el volumen con esclusa de aire, limpiarla previamente, y así sucesivamente, 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 ser horneados y el UHV puede mejorar con el tiempo incluso a medida que se introducen y retiran las piezas de trabajo.
Se emplean sellos de metal, con bordes afilados en ambos lados que cortan una junta blanda de cobre. 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 calibradores de espesores de tamaño decreciente con cada iteración, siempre que los bordes afilados estén en perfectas condiciones. Para las cavidades de SRF, los sellos de indio se utilizan más comúnmente para sellar dos superficies planas juntas utilizando abrazaderas para unir las superficies. Las abrazaderas deben apretarse lentamente para garantizar que los sellos de indio se compriman uniformemente por todos lados.
Muchos materiales comunes se utilizan con moderación o no se utilizan debido a la alta presión de vapor, la alta adsorción o absortividad que resulta en una desgasificación problemática posterior, o la alta permeabilidad frente a la presión diferencial (es decir: "gasificación pasante"):
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 rotatorio, 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, se emplean comúnmente 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 lado del aire al lado del vacío: o un sello deslizante usando grasas especiales de muy baja presión de vapor o fluido ferromagnético. Estas grasas especiales pueden superar los USD $400 por kilogramo. [ cita requerida ] Existen 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 convectivo 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 una prueba 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 se polariza a un alto potencial negativo. El impacto de los electrones que bombardean la muestra a alta energía hace que se caliente. Para la radiación térmica, se monta un filamento cerca de la muestra y se calienta de manera resistiva a alta temperatura. La energía infrarroja del filamento calienta la muestra.
El ultra alto vacío es necesario para muchas técnicas de análisis de superficies, como:
La ultravacío es necesaria para estas aplicaciones a fin de reducir 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.
El UHV también es necesario para:
Si bien no es obligatorio, puede resultar beneficioso en aplicaciones como: