Tecnolog

1
Tecnología de Vacío

• Ingeniería Técnica Mecánica

2
3. Diseño de sistemas de vacío.
3
(No Transcript)
4
(No Transcript)
5
(No Transcript)
6
3.1.2. Bombeo de un sistema
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

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3.1.2. Bombeo de un sistema

• Objetivos
• Obtención de bajas presiones en el sistema de
  vacío
• Velocidad de Bombeo alta
• Flujo gaseoso por fugas y desgasificación bajo
• Rapidez 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

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3.1.2. Bombeo de un sistema
Evolución Temporal


9
3.1.3. Sistema de Vacío con Bombeo Discreto
? (Pa m3 s-1) es el flujo de gas (equivale a
molec. s-1)? c (m3 s-1) es la conductancia P (Pa)
es la presión en el segmento x (m) es la
distancia en el eje del cilindro
10
(No Transcript)
11
3.1.3. Sistema de Vacío con Bombeo Discreto

• 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

Condición de máximo en el centro del tubo
Presión en los extremos del tubo fijada por la
velocidad de bombeo 2S
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3.1.3. Sistema de Vacío con Bombeo Discreto

• La presión promedio ltPgt
• La presión está limitada por la conductancia
  específica, c, aunque la velocidad de bombeo sea
  infinita, existe una presión mínima

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3.2. Producción de vacío Bombas de vacío.
14
3.2. Producción de vacío Bombas de vacío.
Parámetros a estudiar
15
3.2. Producción de vacío Bombas de vacío.
Gases a bombear Principio de
funcionamiento Rango de presiones
Gases a bombear Principio de
funcionamiento Rango de presiones

• Tipos de Bombas
• Mecánicas
• Rotatoria
• Pistón
• Roots
• Ejectores
• Difusión
• Turbomolecular
• Captura o Ingestión
• Getters
• Titanio Sublimado (TSP)?
• No Evaporables (NEG)?
• Iónicas
• de Condensación
• de Absorción
• Criogénicas

• Vació Grueso y Medio
• Vació Medio y Alto
• Vacío Ultra-Alto

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3.2. Producción de vacío Bombas de vacío.
17
3.2. Producción de vacío Bombas de vacío.
Rangos de actuación
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3.2. Producción de vacío Bombas de vacío.
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

19
3.2.2. Bombas rotatorias.
20
3.2.2. Bombas rotatorias.

• Principio de funcionamiento

400 600 rpm 60ºC 1500 1725 rpm 80ºC
21
(No Transcript)
22
3.2.2. Bombas rotatorias.
Tipos

• Bomba cicloidal

• Bomba rotatoria de doble etapa

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3.2.2. Bombas rotatorias.
Tipos

• Bomba rotatoria de pistón

24
3.2.2. Bombas rotatorias.
Tipos

• Bomba Roots

• Mayores tolerancias
• Disminuye la fricción
• Ausencia de lubricante
• Altas velocidades
• de giro (3500 rpm)?

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3.2.2. Bombas rotatorias.
Curvas características

• Bomba rotatoria

10 m3/h 200m3/h
26
3.2.2. Bombas rotatorias.
Curvas características

• Bomba rotatoria de pistón

30 m3/h 1500m3/h
27
3.2.2. Bombas rotatorias.
Curvas características

• Bomba Roots

Relación de compresión
Velocidad de bombeo
28
3.2. Producción de vacío Bombas de vacío.
Bombas mecánicas de vacío medio y alto (flujo
molecular)?
Turbomoleculares Difusion
29
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
30
(No Transcript)
31
3.2.3. Bombas cinéticas o de arrastre
Bombas Turbomoleculares
Velocidad de Bombeo Relación de Compresión

• Gi Nº moléculas que atraviesan la superficie i
  p.u.d.t. ZAA
• 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 G1 G1a12 G2a21
Y considerando T cte
32
3.2.3. Bombas cinéticas o de arrastre
Bombas Turbomoleculares
Velocidad de Bombeo Relación de Compresión
Las Fracción Transmitida son calculables
mediante Monte Carlo
a) Kmax (W 0)?
b) Wmax (K 1)?
c) Caso General
33
3.2.3. Bombas cinéticas o de arrastre
Bombas Turbomoleculares
Velocidad de Bombeo Relación de Compresión
a) Kmax (W 0)?
Para sr lt 1.5 Kmax exp(sr)?
34
3.2.3. Bombas cinéticas o de arrastre
Bombas Turbomoleculares
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?
35
3.2.3. Bombas cinéticas o de arrastre
Bombas Turbomoleculares
Velocidad de Bombeo Relación de Compresión
b) Wmax (K 1)?
Para sr lt 1.5 Wmax sr
Además S Vb S (M?) gt S (M?)? Nº de álabes ?
W? (ligeramente hasta un límite de saturación)?
36
3.2.3. Bombas cinéticas o de arrastre
Bombas Turbomoleculares
Velocidad de Bombeo Relación de Compresión
c) Caso General
37
3.2.3. Bombas cinéticas o de arrastre
Bombas Turbomoleculares
Velocidad de Bombeo Relación de Compresión
c) Caso General
38
(No Transcript)
39
3.2.3. Bombas cinéticas o de arrastre
Bombas Turbomoleculares
Presión Final
Desgasificación (qPV) y SI Kmax y P2
P1

• Restricciones
• P(H2) f(K)?
• Caudal de desgasificación y fugas

40
3.2.3. Bombas cinéticas o de arrastre
Bombas Turbomoleculares
Diseño de álabes
qPV cte ? SP cte en la bomba Primeros
álabes S ?, P ? (K ?)? Últimos álabes S ?, P ?
(K ?)?
41
3.2.3. Bombas cinéticas o de arrastre
Bombas de Difusión Altas Velocidades de
Bombeo Presiones Finales Bajas Menos Problemas
con Hidrógeno que TMP Problemas con Retro-flujo
de Hidrocarburos Gran Difusión y Fiabilidad.
Bajo Coste
42
3.2.3. Bombas cinéticas o de arrastre
Bombas de Difusión
Principio de Funcionamiento Bomba de chorro de
vapor Velocidad de supersónica del chorro
Velocidad térmica de las moléculas Choque
moléculacorriente de vapor Transferencia
de momento Fluidos Hidrocarburos Aceites
orgánicos Mercurio
43
3.2.3. Bombas cinéticas o de arrastre
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
44
3.2.3. Bombas cinéticas o de arrastre
Bombas de Difusión
Etapas Habitualmente de 3 a 5 Primera Etapa S?
Q? Última Etapa Q ? S? Presión Final En el
rango 10-5 10-9 Pa Velocidad de Bombeo
45
3.2.3. Bombas cinéticas o de arrastre
Bombas de Difusión
Bombeo según gases Peor Límite de Presión para
elementos ligeros Mayor Velocidad de Bombeo para
elementos ligeros
46
3.2.3. Bombas cinéticas o de arrastre
Bombas de Difusión
Límites a la presión final Definida por la
relación de compresión (H2, He,...)?
Definida por el flujo de desgasificación (N2,
Ar,...)?
47
3.2.3. Bombas cinéticas o de arrastre
Bombas de Difusión
Retro-flujo de vapor Fluidos de baja presión de
vapor Trampas(de Nitrógeno líquido)?
Pérdidas de vapor hacia la bomba de apoyo Trampas
48
3.2.3. Bombas cinéticas o de arrastre
Bombas de Difusión
Retro-flujo de vapor Fluidos de baja presión de
vapor Trampas(de Nitrógeno líquido)?
Pérdidas de vapor hacia la bomba de apoyo Trampas
49
3.2. Producción de vacío Bombas de vacío.
Bombas de captura o ingestión.
Getters de Superficie TSP (Titanium
Sublimation Pump)? de Volumen NEG (Non
Evaporable Getters)? Bombas Iónicas SIP
(Sputter Ion Pump)?
50
3.2.4. Bombas de captura o ingestión
Getters
Altas Velocidades de Bombeo a Bajas
Presiones Presiones Finales Bajas Problemas con
elementos inactivos Limpias ()? Habitualmente
en combinación con Bombas Iónicas
51
3.2.4. Bombas de captura o ingestión
Getters
Principio de Funcionamiento 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, ...
52
3.2.4. Bombas de captura o ingestión
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
53
3.2.4. Bombas de captura o ingestión
Getters de superficie
Metales Reactivos Ti Mo Ni Ta Zc Al ... Bombean
Gases Activos Bomba de Sublimación de Titanio
(TSP)? Elección del Titanio Barato Reacciona
con un amplio Rango de Gases Atmosféricos Tempe
ratura de Sublimación Baja
54
3.2.4. Bombas de captura o ingestión
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
55
3.2.4. Bombas de captura o ingestión
Getters de superficie TSP
Bombeo 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 lt
T lt 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)?
56
3.2.4. Bombas de captura o ingestión
Getters de superficie TSP
Preferencia de Gases Ciertas reacciones son
preferentes Posibilidad de desorpción de gases
en una atmósfera con gases preferentes Desplazami
ento de gases
57
3.2.4. Bombas de captura o ingestión
Getters de superficie TSP
Presión de Funcionamiento A presiones altas, el
Titanio no sublima P lt 10-1Pa Necesidad de
equipo paralelo de apoyo Habitual aislamiento
posterior del sistema de apoyo (Válvula)?
58
3.2.4. Bombas de captura o ingestión
Getters de superficie TSP
Velocidad de Bombeo Depende del tiempo que tarda
en saturarse el Titanio Sublimado P lt
10-4Pa Película delgada activa en todo momento P
gt 10-4Pa Ti Sublimado reacciona con gases antes
de depositarse
59
3.2.4. Bombas de captura o ingestión
Getters de superficie TSP
Velocidad de Bombeo
Importancia de la Conductancia S-1 Si-1
C-1 Velocidad Intrínseca de Bombeo
Ejemplo TSP con carcasa de D5cm y H10cm.
60
3.2.4. Bombas de captura o ingestión
Getters de superficie TSP
Gases no bombeables Funcionamiento en paralelo
(con Bomba Iónica generalmente)?
61
3.2.4. Bombas de captura o ingestión
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

62
3.2.4. Bombas de captura o ingestión
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
63
3.2.4. Bombas de captura o ingestión
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 lt 1Pa
para que e- tengas suficiente energía para
ionizar P gt 10-2 para que e- choquen con
moléculas (?P cte)? Solución Confinamient
o que impida choque inmediato con paredes Campo
Eléctrico Campo Magnético
64
3.2.4. Bombas de captura o ingestión
Bombas iónicas (SIP)?
Descripción Celda Penning ( 10 x 10 x 20mm y
4mm espaciado ánodo cátodo)? Campo eléctrico
cátodo ánodo ( 5kV )? Campo magnético (
0.2T )?
65
(No Transcript)
66
3.2.4. Bombas de captura o ingestión
Bombas iónicas (SIP)?
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
  reemitidos.
• Presión límite mínima
• Memoria de la Bomba (!)?

67
3.2.4. Bombas de captura o ingestión
Bombas iónicas (SIP)?
Bombeo según gases Moléculas Orgánicas Adsorció
n o Precipitación tras Disociación por bombardeo
electrónico Gases Activos (O2, CO2, N2,
...)? Reacción con Ti depositado en el ánodo
tras Sputtering Enterramiento de Iones en el
cátodo H2 Masa Pequeña ? Bajo
Sputtering Enterramiento de Iones y Adsorción
de Moléculas Neutras Difunde al interior
(favorecido por Ar e inhibido por N2)? Gases
Nobles Enterramiento de Iones en el
cátodo Enterramiento de Iones en el cátodo
68
3.2.4. Bombas de captura o ingestión
Bombas iónicas (SIP)?
Rango de Operación 10-2Pa lt P lt 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
69
3.3. Medidores de vacío
70
3.3. Medidores de vacío
Parámetros a estudiar
Rangos de uso. Principio de funcionamiento. Efec
tos en el sistema
71
3.3. Medidores de vacío
Tipos

• Medidores de Presión Total

72
3.3. Medidores de vacío
Tipos

• Medidores de Presión Parcial

73
3.3. Medidores de vacío
Rango de Uso

• Medidores de Presión Total

74
3.3. Medidores de vacío
Rango de Uso

• Medidores de Presión Parcial

Cuadrupolos, etc P lt 10-3 mbar Convertidores
de Presión P gt 10-3 mbar
75
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
76
3.3.2. Medidores de vacío de presión total
Medidor de Capacitancia 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 lt P lt
104Pa Salto máximo de 105
77
3.3.2. Medidores de vacío de presión total
Medidor de Capacitancia Sensibilidad Sensible
a deflexiones de hasta 10-9 cm AC Control.
Unidad electrónica de bajo ruido Estabilidad de
los electrodos (Temperatura constante, etc.)?
78
3.3.2. Medidores de vacío de presión total
Medidores de Conductividad Térmica Galga
Pirani k k(P) para 0.01 lt Kn lt
1 Convección f(P) para Kn lt 0.01
Necesidad de reducir pérdidas para Kn gt
1 Radiación Conducción a través de los
extremos de la galga
Rango 10-2 Pa lt P lt 103 Pa
79
3.3.2. Medidores de vacío de presión total
Medidores de Conductividad Térmica Galga
Pirani Medida mediante puente de
Wheastone Calibración previa de
R4 Tipos Intensidad
Constante Voltaje Constante Temperatura
Constante
80
3.3.2. Medidores de vacío de presión total
Medidores de Conductividad Térmica Galga
Pirani Calibración según gases dominantes
81
(No Transcript)
82
3.3.2. Medidores de vacío de presión total
Medidores de Ionización (BAG)? Principio de
funcionamiento Calibración. Sensibilidad
del medidor, s (torr-1). Factor de corrección, F
Trayectorias iniciales de varios electrones en
una BAG
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3.3.2. Medidores de vacío de presión total
Medidores de Ionización (BAG)? Rango de
funcionamiento 1E-3 mbar a 1E-13
mbar Limitaciones Límites 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. ?? ? la efectividad de los
electrones para formar iones disminuye ?
84
3.3.2. Medidores de vacío de presión total
Medidores de Ionización (BAG)? Estabilidad Esta
bilidad del filamento Impurezas en el
colector Impurezas en la rejilla Mejoras
BAG de modulador BAG de extractor
85
(No Transcript)
86
(No Transcript)
87
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
88
3.3.3. Medidores de vacío de presión parcial
Analizadores de gas residual (RGA)? Espectrómetro
de masas cuadrupolar
89
3.3.3. Medidores de vacío de presión parcial
Analizadores de gas residual (RGA)? Espectrómetro
de masas cuadrupolar Campo eléctrico creado
por el cuadrupolo
90
(No Transcript)
91
3.3.3. Medidores de vacío de presión parcial
Analizadores de gas residual (RGA)? Espectrómetro
de masas cuadrupolar 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