Bomba criogénica

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Una criobomba o "bomba criogénica" es una bomba de vacío que atrapa gases y vapores condensándolos en una superficie fría, pero solo es eficaz con algunos gases. La eficacia depende de los puntos de congelación y ebullición del gas en relación con la temperatura de la criobomba. A veces se utilizan para bloquear contaminantes específicos, por ejemplo, delante de una bomba de difusión para atrapar el petróleo que rebosa, o delante de un manómetro McLeod para impedir la entrada de agua. En esta función, se denominan criotrampa , bomba de agua o trampa fría , aunque el mecanismo físico es el mismo que el de una criobomba.

El crioatrapamiento también puede referirse a un efecto algo diferente, donde las moléculas aumentarán su tiempo de residencia en una superficie fría sin congelarse realmente ( sobreenfriamiento ). Hay un retraso entre el momento en que la molécula choca con la superficie y el momento en que rebota. La energía cinética se habrá perdido a medida que las moléculas se desaceleran. Por ejemplo, el hidrógeno no se condensa a 8 kelvin , pero puede ser crioatrapado. Esto atrapa efectivamente las moléculas durante un período prolongado y, por lo tanto, las elimina del entorno de vacío, al igual que el criobombeo.

Los primeros experimentos sobre el crioatrapamiento de gases en carbón activado se llevaron a cabo ya en 1874. ^[1]

Las primeras criobombas utilizaban principalmente helio líquido para enfriar la bomba, ya sea en un gran depósito de helio líquido o mediante un flujo continuo en la criobomba. Sin embargo, con el tiempo, la mayoría de las criobombas se rediseñaron para utilizar helio gaseoso, ^[2] gracias a la invención de mejores crioenfriadores . La tecnología de refrigeración clave fue descubierta en la década de 1950 por dos empleados de la empresa Arthur D. Little Inc. con sede en Massachusetts , William E. Gifford y Howard O. McMahon . Esta tecnología llegó a conocerse como crioenfriador Gifford-McMahon . ^{[3] [4] [5] [6]} En la década de 1970, Helix Technology Corporation y su filial Cryogenic Technology Inc. utilizaron el crioenfriador Gifford-McMahon para fabricar una bomba de vacío. En 1976, las criobombas comenzaron a utilizarse en la fabricación de circuitos integrados de IBM . ^[7] El uso de bombas criogénicas se volvió común en la fabricación de semiconductores en todo el mundo, con expansiones como una empresa de criogenia fundada conjuntamente por Helix y ULVAC (jp:アルバック) en 1981.

Las criobombas se suelen enfriar con helio comprimido, aunque también pueden utilizar hielo seco , nitrógeno líquido o las versiones independientes pueden incluir un crioenfriador incorporado . A menudo se colocan deflectores en el cabezal frío para ampliar la superficie disponible para la condensación, pero estos también aumentan la absorción de calor radiativo de la criobomba. Con el tiempo, la superficie acaba saturando con condensado y, por tanto, la velocidad de bombeo desciende gradualmente hasta cero. Mantendrá los gases atrapados mientras permanezca fría, pero no condensará los gases frescos de las fugas o del reflujo hasta que se regenere. La saturación se produce muy rápidamente en vacíos bajos, por lo que las criobombas suelen utilizarse solo en sistemas de vacío alto o ultraalto.

La criobomba permite bombear de forma rápida y limpia todos los gases en el rango de 10 ⁻³ a 10 ⁻⁹ Torr . La criobomba funciona según el principio de que los gases se pueden condensar y mantener a presiones de vapor extremadamente bajas, lo que permite alcanzar velocidades y rendimientos elevados. El cabezal frío consta de un cilindro de cabezal frío de dos etapas (parte del recipiente de vacío) y un conjunto de desplazador de unidad de accionamiento. En conjunto, estos producen refrigeración de ciclo cerrado a temperaturas que varían de 60 a 80 K para la estación fría de primera etapa a 10 a 20 K para la estación fría de segunda etapa, por lo general.

Algunas bombas criogénicas tienen varias etapas a distintas temperaturas bajas, y las etapas externas protegen a las etapas internas más frías. Las etapas externas condensan gases con puntos de ebullición altos, como agua y aceite, lo que permite ahorrar área de superficie y capacidad de refrigeración de las etapas internas para gases con puntos de ebullición más bajos, como el nitrógeno.

A medida que las temperaturas de enfriamiento disminuyen cuando se utiliza hielo seco, nitrógeno líquido y luego helio comprimido, se pueden atrapar gases de menor peso molecular. Para atrapar nitrógeno, helio e hidrógeno se requieren temperaturas extremadamente bajas (~10 K) y una gran superficie, como se describe a continuación. Incluso a esta temperatura, los gases más livianos, helio e hidrógeno, tienen una eficiencia de captura muy baja y son las moléculas predominantes en los sistemas de ultra alto vacío.

Las criobombas se suelen combinar con bombas de sorción recubriendo el cabezal frío con materiales altamente absorbentes, como carbón activado o zeolita . A medida que el absorbente se satura, la eficacia de una bomba de sorción disminuye, pero se puede recargar calentando el material de zeolita (preferiblemente en condiciones de baja presión) para desgasificarlo . La temperatura de descomposición de la estructura porosa del material de zeolita puede limitar la temperatura máxima a la que se puede calentar para la regeneración.

Las bombas de sorción son un tipo de criobomba que a menudo se utiliza como bombas preliminares para reducir presiones desde el rango atmosférico hasta alrededor de 0,1 Pa (10 ⁻³ Torr), mientras que se logran presiones más bajas utilizando una bomba de acabado (ver vacío ).

La regeneración de una criobomba es el proceso de evaporación de los gases atrapados. Durante un ciclo de regeneración, la criobomba se calienta a temperatura ambiente o superior, lo que permite que los gases atrapados pasen de un estado sólido a un estado gaseoso y, por lo tanto, se liberen de la criobomba a través de una válvula de alivio de presión hacia la atmósfera.

La mayoría de los equipos de producción que utilizan una criobomba tienen un medio para aislar la criobomba de la cámara de vacío, de modo que la regeneración se lleva a cabo sin exponer el sistema de vacío a gases liberados, como el vapor de agua. El vapor de agua es el elemento natural más difícil de eliminar de las paredes de la cámara de vacío tras la exposición a la atmósfera debido a la formación de monocapas y a los enlaces de hidrógeno. Añadir calor al gas de purga de nitrógeno seco acelerará el calentamiento y reducirá el tiempo de regeneración.

Cuando se complete la regeneración, se ajustará la criobomba a 50 μm (50 miliTorr o μmHg), se aislará y se controlará la tasa de aumento (ROR) para comprobar que la regeneración sea completa. Si la ROR supera los 10 μm/min, la criobomba requerirá un tiempo de purga adicional.

• Van Atta, CM; M. Hablanian (1991) [1990]. "Vacíos y tecnología del vacío" . En edición de Rita G. Lerner y George L. Trigg (ed.). Enciclopedia de física (2.ª edición). Nueva York: VCH Publisher. págs. 1330–1334. ISBN 0-89573-752-3.
• Strong, John (1938). Procedimientos en física experimental . Bradley, IL: Lindsay Publications., Capítulo 3