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NOTAS DE ALLECTRA PARA LA PRÁCTICA DE ALTO VACÍO Y UHV
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Para comprender los retos asociados a la consecución y el trabajo con el alto vacío (HV) y el ultra alto vacío (UHV) es necesario examinar las diferencias (a nivel molecular) entre los distintos niveles de vacío.
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El rango de presión de UHV está entre 10-7 mbar y 10-12 mbar (10-5 Pa a 10-10 Pa) y el de HV entre 10-7 mbar y 10-3 mbar (10-5 Pa a 10-1Pa). La UHV se asocia a la física de alta energía y a la investigación nuclear, como la que se lleva a cabo en el CERN, y la HV principalmente a las aplicaciones industriales y de investigación.
Las normas, reglas y protocolos establecidos que definen y gobiernan los factores y asuntos relacionados con el vacío, desde cómo obtener dichos niveles de vacío, la configuración de la bomba, las salvaguardias, los métodos de medición, así como la detección de fugas, todo ello debe ser reexaminado a fondo y rediseñado con frecuencia.
Hemos recopilado algunas notas sobre la práctica actual de alto vacío y UHV:
Niveles de vacío
Vacío aproximado
De la presión atmosférica a 1 mbar (105 Pa a 100 Pa)
Vacío medio
de 1 mbar a 10-3 mbar. (100 Pa a 0,1 Pa)
Este régimen de presión puede obtenerse únicamente con el uso de bombas de desbaste.
Alto vacío
De 10-3 mbar a 10-7 mbar. (0,1 Pa a 10-5 Pa)
Se requiere un bombeo adicional de, por ejemplo, una bomba de difusión, una bomba turbo o una criobomba.
Vacío ultra alto (UHV)
Por debajo de 10-7 mbar. (por debajo de 10-5 Pa)
El UHV necesita bombas especiales y un horneado del sistema para reducir la desgasificación.
Desagüe de los sistemas de vacío
Para garantizar que las superficies en vacío estén libres de gas absorbido (especialmente de vapor de agua), todo el sistema de vacío, incluidos los instrumentos conectados, debe hornearse. La temperatura típica de horneado para un sistema de acero inoxidable bombeado con bombas turbo moleculares es de 200ºC.
En el caso de una cámara de aluminio, esta temperatura puede ser mucho menor, ya que el aluminio es un buen conductor del calor, mientras que el acero inoxidable no lo es.
Velocidad de bombeo y conductancia
La velocidad de bombeo y la conductancia se miden en litros/segundo. El valor típico de la velocidad de bombeo para las bombas turbo-moleculares está entre 100 y 5000 litros/seg.
Si una bomba se conecta a través de un tubo estrecho de baja conductancia, la velocidad de bombeo obtenida será la conductancia del tubo estrecho, independientemente del tamaño de la bomba.
Detección de fugas
Es muy importante que los componentes y las cámaras para uso en alto vacío o UHV estén libres de fugas. Los componentes y cámaras de vacío se comprueban después de su fabricación con un detector de fugas.
El detector de fugas consiste en un espectrómetro de masas. Se trata de un instrumento que puede medir la presencia de determinadas moléculas. El instrumento está ajustado para detectar moléculas de helio. El helio es un gas incoloro y no tóxico que puede pasar a través de aberturas muy pequeñas. Se lanza un chorro desde una botella de gas al exterior de un componente de vacío. El detector de fugas mide la velocidad de flujo del gas helio que llega a su sensor.
La tasa de fuga se expresa en unidades de volumen de gas por segundo, mbar-litros por segundo (mbar-l/s).
Los componentes de alto vacío de Allectra están especificados para tener un índice de fuga inferior a 10-9 mbar-l/seg, mientras que los componentes UHV son mejores que 5 x 10-10 mbar-l/seg.
Presión final (base)
La presión final de un recipiente de vacío bombeado depende de la tasa de desgasificación (Q) y de la velocidad de bombeo (P), suponiendo que no haya fugas. Presión de base = Q/P
Índices de desgasificación de materiales comunes:
Índices de desgasificación aproximados para elegir los materiales de vacío o calcular las cargas de gas (todos los índices son para 1 hora de bombeo).
Material de vacío / Tasa de desgasificación (torr litro/seg/cm lineal)
Aluminio / 7 x 10-9
Acero dulce / 5 x 10-6
Latón / 4 x 10-6
Cerámica de alta densidad / 3 x 10-9
Pyrex / 8 x 10-9
Vitón (sin cocer) / 8 x 10-7
Vitón (cocido) / 4 x 10-8
Acero inoxidable / 6 x 10-9
La cocción suele reducir el Q en un factor de 100 para los metales y, por tanto, reduce la presión de base en la misma medida.
Presión final (base)
La presión final de un recipiente de vacío bombeado depende de la tasa de desgasificación (Q) y de la velocidad de bombeo (P), suponiendo que no haya fugas.
Presión base = Q/P
Por lo tanto, puede verse que el acero inoxidable, el aluminio y la cerámica son materiales adecuados para el alto vacío y el UHV. El Viton también puede utilizarse en pequeñas cantidades. Hay que evitar el acero dulce y el latón.
La cocción suele reducir Q en un factor de 100 para los metales y, por tanto, reduce la presión base en la misma medida.
Sistemas de rebordeado
CONFLAT también llamado FC o CF
La brida Conflat fue inventada y patentada por la empresa Varian hace unos 50 años. Consiste en una brida de acero inoxidable con orificios para los pernos y un perfil mecanizado con borde de cuchilla. Se atornillan dos bridas con una junta de cobre que se sitúa entre los bordes de la cuchilla. La fuerza ejercida por el apriete de los tornillos hace que el cobre fluya y selle cualquier imperfección en los bordes de las cuchillas de acero. Las juntas no son reutilizables. La junta es totalmente metálica (sin materiales poliméricos), hermética a las fugas UHV y horneable a 450ºC. La brida CF está ahora especificada por la norma ISO 3669.
NOTA
Las bridas suelen ser de acero inoxidable de grado 304 o 304L. Allectra especifica 316L que es una aleación más cara pero con mejores propiedades de soldadura.
Brida Klein, KF o Kwik Flange
Una brida simple muy utilizada, con una junta de polímero y una abrazadera externa, para aplicaciones de alto vacío.
Tamaños disponibles
DN10KF
DN16KF
DN40KF
ISO-K
Una brida de alto vacío para tamaños mayores, utilizada con una junta de polímero y una abrazadera externa.
DN63ISO-K
DN100ISO-K
DN160ISO-K
DN200ISO-K
DN250ISO-K y tamaños superiores
ISO-F
Una brida de alto vacío para tamaños mayores, utilizada con una junta de polímero y agujeros para tornillos.
DN63ISO-F
DN100ISO-F
DN160ISO-F
DN200ISO-F
DN250ISO-F - y tamaños superiores
Además, hay muchas formas personalizadas y diseños especiales de bridas, incluidas las planas que sellan con metal o mediante una ranura de junta tórica.