Curso de Métodos experimentales
En la Física PCF UNAM
Cuernavaca, Agosto 2008
Clase 2, Sistemas de vacío
Dr. Antonio M. Juárez Reyes, ICF UNAM
Física Atómica, Molecular y óptica.
Cuernavaca, Agosto 2008
TEMARIO PARTE 1
I.- Instrumentos y conceptos básicos (Toño, 5 semanas)
I.1.- Conceptos básicos de instrumentación
-Conceptos generales de seguridad en el laboratorio (eléctrica, de gases
comprimidos, láseres y químicos.
--El proceso de medida y asignación de incertidumbres.
I.2.- Instrumentos básicos
2.1 sistemas de vacío.
-Conductancia, velocidad de bombeo,
-bombas: Rotatorias, de diafragma, difusoras, turbo, de sublimación,
ionicas. razón de compresión en bombas,
- transductores de presión, pirani, Bayer Alpert, Baratrón,
análisis de gases residuales.
2.2 Instrumentos básicos de electrónica:
-osciloscopios, generadores de señales, electrómetros,
2.3 Instrumentos avanzados
-Amplificador Lock In
-Integrador Boxcar
-Monocromadores
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Sistemas de vacío.
1.- Motivación. ¿En qué se emplean sistemas de vacío?
¿Por qué empleamos sistemas de vacío en el lab?
2.- Conceptos generales
2.1 Mean free path, coeficiente de knudsen
2.2 tasa de formación de monocapas
2.3 coeficiente de “pegajosidad” –sticking coefficient2.4 presión de vapor
3.- Conceptos específicos
3.1 Velocidad de bombeo
3.2 throughput
3.3 conductancia
4.- Tipos de bombas
5.- Procedimientos prácticos.
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¿Ideas?.
Mencionenme aplicaciones prácticas de vacío….
.
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Las aplicaciones del vacío en la vida diaria son inmumerables:
1.- Iluminación de ciudades ( las lámparas de las ciudades están evacuadas,
y después llenas Con gases nobles)
2.- Empaquetado de alimentos
3.- Criogenia.- Los contenedores de materiales criogénicos
tienen una pared en la cual se practica el vacío, que es el aislante
térmico ideal.
4.- Deposición de películas delgadas en lentes, joyas, etc..
.
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Las aplicaciones científicas son aún mas numerosas:
1.- Sistemas de soldado por impacto electrónico
2.- Microscopía electrónica
3.- Procesamiento de semiconductores por ataque de plasma o
Químico
4.- Aceleradores de partículas LHC
.
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Uno de los experimentos más cruciales de la física actual
Depende totalmente de sus sistemas de vacío.
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Rangos de vacío
Presión atmosférica 760 Torr
101.3 kPa
Vacío Bajo
760 to 25 Torr
100 to 3 kPa
Vacío medio
25 to 1×10-3 Torr
3 kPa to 100 mPa
Alto vacío
1×10-3 to 1×10-9
Torr
100 mPa to 100 nPa
Ultra alto vacío
1×10-9 to 1×10-12
Torr
100 nPa to 100 pPa
Vacío extremo
<1×10-12 Torr
<100 pPa
Espacio exterior
1×10-10to <3×10-17
Torr
100 µPa to <3fPa
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En el lab, nuestros experimentos abarcan
Las 3 primeras líneas
Presión
atmosférica
760 Torr
101.3 kPa
Vacío Bajo
760 to 25 Torr
100 to 3 kPa
Vacío medio
25 to 1×10-3 Torr
3 kPa to 100 mPa
Alto vacío
1×10-3 to 1×10-9
Torr
100 mPa to 100 nPa
Ultra alto vacío
1×10-9 to 1×10-12
Torr
100 nPa to 100 pPa
Vacío extremo
<1×10-12 Torr
<100 pPa
Espacio exterior
1×10-10to <3×10-17
Torr
100 µPa to <3fPa
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2.- Conceptos generales
2.1 Mean free path, y número de
knudsen
2.2 tasa de formación de monocapas
2.3 coeficiente de “pegajosidad” –
sticking coefficient2.4 presión de vapor
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Es posible probar que la
Trayectoria libre media de una
Molécula en un gas a presión P
Está dada por:
Rango
Presión
(mbar)
mean free
path
Presión
ambiente
68 nm
Vacío Bajo
0.1-100 μm
Medium
vacuum
0.1-100 mm
High vacuum
10 cm-1 km
Ultra high
vacuum
1 km-105 km
Extremely
high vacuum
>105 km
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Dependiendo del nivel de presión, y para propósitos de
Vacío, un gas puede considerarse como un fluido o como
Un conjunto de partículas individuales
( viscous flow or molecular flow, respectivamente)
En el primer caso, se pueden emplear las ecuaciones de
Navier-Stokes para modelar un fluido en un sistema de vacío.
En el segundo caso, se emplea mecánica estadística o
simulaciones
montecarlo
La distinción entre este tipo de regimenes se puede cuantificar
Empleando el número de knundsen, que se define, simplemente
Como:
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La distinción entre este tipo de regimenes se puede cuantificar
Empleando el número de knundsen, que se define, simplemente
Como:
Si Kn es muy pequeño, estamos en el régimen de fluidos.
Si Kn es igual o mayor que 1, se considera que el gas o fluido
se encuentra en el régimen molecular
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2.2 coeficiente de “pegajosidad”
–
sticking coefficient
2.3- tasa de formación de
monocapas
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2.2
coeficiente de “pegajosidad”
sticking coefficient
–
Se define, sencillamente, como la razón
de adsorción en una superfice, contra la
razón de impacto de una especie
molecular particular. Es inversamente
proporcional a la exponencial de la
temperatura y depende de la naturaleza
de la superfice.
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2.2
coeficiente de “pegajosidad”
sticking coefficient
–
¿Por qué es importante?
Especialmente
en
aplicaciones
de
semiconductores
o
materiales
nanoestructurados,
dependiendo
del
coeficiente de stickiness, es necesario
implementar sistemas de ultra-alto vacío
,con
el fin de evitar monocapas de
materiales indeseados.
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2.2
coeficiente de “pegajosidad”
sticking coefficient
–
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2.4 Presión de vapor. ( o presión de
equilibrio de vapor)
Es la presión a la cual una substancia
sólida ( dada una temperatura) se
encuentra en equilibrio dinámico con la
fase gaseosa.
Materiales con presión de vapor alta se
denominan “volátiles” y no son buenos
para ser usados en sistemas de vacío.
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Materiales con presión de vapor alta se
denominan “volátiles” y no son buenos
para ser usados en sistemas de vacío.
Los metales en general presentan
presiones de vapor muy bajas a
temperatura ambiente, por lo que se
emplean en sistemas de vacío
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3.- Conceptos específicos
3.1 Velocidad de bombeo
3.2 throughput
3.3 conductancia
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3.- Conceptos específicos
3.1 Velocidad de bombeo Se refiere al la
tasa de desalojo de volumen de un gas, ejercido por una
bomba. Esta cantidad se especifica en volumen/unidad
de tiempo :
dV/dt
3.2 throughput Q.- Se define como la
velocidad de bombeo multiplicada por la presión
del gas bombeado: p dV/dt. A una temperatura
constante, t, el throughput equivale al número de
moléculas bombeadas por unidad de tiempo.
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3.- Conceptos específicos
3.3 Conductancia de tubos
Debido a la viscosidad de un gas, los tubos y conductos
Que dirigen el flujo a través del sistema pueden presentar
Fuerzas viscosas, que dependen en general de la geometría
De los conductos. En general es un parámetro difícil de
Calcular. Sin embargo se puede aproximar en casos idealizados
La conductancia se define como el trhoughput del gas dividido
Entre el diferencial de presión:
Conductancia = throughput/ (P2-P1) = Q/DeltaP
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3.- Conceptos específicos
3.3 Conductancia de tubos (ejemplos)
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3.- Conceptos específicos
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3.1 Vacuum Concepts ¿How are they used in
practice?
a) System Volumes, Leak Rates and Pumping Speeds
The system to be pumped has a System Volume,
V, measured in liters, at pressure p (mbarr or Torr). It is
pumped with a pump, with a Pumping Speed, S liter/s.
There is a Leak Rate Q into the system, expressed in
(mbar or Torr)liters/s. The Pump-down equation, which
you can think about, is then:
pS = -Vdp/dt + Q.
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3.2 Vacuum Concepts
The leak rate is composed of two elements: Q = Ql +
Qo, where Ql is the true leak rate (i.e. due to a hole in
the wall) and Qo is a virtual leak rate. A virtual leak is
one which originates inside the system volume; it can
be caused by degasssing from the walls, or from
trapped volumes, which are to be strongly avoided.
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2.2 Vacuum Concepts
The solution of the pump-down equation has:
i) a short time limit: p = p0exp(-t/), with  =
V/S, where the leak rate is negliglible. This stage will
be essentially complete in 10.
Exercise 1. In the vaccucm system of the optogalvanic
experiment, assess the volume of the chamber and
tubes, and, using the rotary pump, determine thevalue of
S,the effective pumping speed, assuming the leak rate to
be negligible.
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2.2 Vacuum Concepts
ii) a long time limit: pu, the ultimate pressure =
Q/S. If we don’t have any true leaks, Q Qo, which
depends on the surface area, material and the treatment.
For example, if the system volume V = 50 liter, roughly
50x20x50 cm3, then A is roughly 1 m2. Qo = qA, with a
typical (good) value for q around 10-8 mbar.liter.m-2.s-1,
pu = 2x10-10 mbar. This is a pressure to aim for after
bakeout in surface science experiments. In plasma or
spectroscopic experiment, 1x10-7 or -8 is usually good
enough. The bakeout is required to desorb gases,
particularly H2O, from the walls.
What is the pump needed to reach the Pu value stated?
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b) The Idea of Conductance
The pumping speed of the pump is reduced by
the high impedance, or low conductance, of the
pipework between the pump and the vacuum chamber.
But, of course, large pipes increase both the system
volume and the internal surface area. So, one needs to
take care in the design of the system, to avoid obvious
pitfalls. Typically pipes have a conductance Ci, and
these are in series (draw). Then with the pump speed as
S0, we have the effective pumping speed S given by
S-1 = Ci-1 +S0-1,
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Exercise 2: using the value of S obtained in the exercise
1, and knowing the nominal value of the rotary pumps
speed ( check the manuals or read straight from the)
calculate the inverse of the effective conductance
Ci-1
of the whole vacuum tubing connecting the pump to the
chamber.
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where Ci are measured in liters/s. In this case, inverse
conductances and pumping speeds therefore add as add
as resistances in series.
Thus we need to choose Ci large enough so that S is not
<< S0; or equivalently, if S is sufficient, we can
economise on the size (S0) of the pump. As with all
design problems, we need to have enough in hand so
that our solution works routinely and is reliable. On the
other hand, over-provision is (very) expensive.
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-bombas: Rotatorias, de diafragma, difusoras, turbo, de
sublimación, ionicas. razón de compresión en
bombas,
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BOMBAS DE SUBLIMACION
Comparacion
Masss quadrupole
Se aplica un campo de
radiofrecuencia ( con frecuencia
variable) ( ver notas)
Solo algunas de las partículas, con
razones q/m
Dadas atraviesan el campo
cuadrupolar sin deflectarse. Esas son
detectadas por una Faraday cup o un
channeltron.
Un espectro de masas como función
de la frecuencia determina las
especies presentes en el gas
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Incluye material complementario y notas de cuadrupolo