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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,

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1 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.

2 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

3 Cuernavaca, Agosto 2008 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 coefficient- 2.4 presión de vapor 3.- Conceptos específicos 3.1 Velocidad de bombeo 3.2 throughput 3.3 conductancia 4.- Tipos de bombas 5.- Procedimientos prácticos.

4 Cuernavaca, Agosto 2008 ¿Ideas?. Mencionenme aplicaciones prácticas de vacío…..

5 Cuernavaca, Agosto 2008 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...

6 Cuernavaca, Agosto 2008 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.

7 Cuernavaca, Agosto 2008 Uno de los experimentos más cruciales de la física actual Depende totalmente de sus sistemas de vacío.

8 Cuernavaca, Agosto 2008 Rangos de vacío Presión atmosférica760 TorrTorr101.3 kPa Vacío Bajo760 to 25 Torr100 to 3 kPa Vacío medio25 to 1×10 -3 Torr3 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× Torr 100 nPa to 100 pPa Vacío extremo<1× Torr<100 pPa Espacio exterior 1× to <3× Torr 100 µPa to <3fPa

9 Cuernavaca, Agosto 2008 En el lab, nuestros experimentos abarcan Las 3 primeras líneas Presión atmosférica 760 TorrTorr101.3 kPa Vacío Bajo760 to 25 Torr100 to 3 kPa Vacío medio25 to 1×10 -3 Torr3 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× Torr 100 nPa to 100 pPa Vacío extremo<1× Torr<100 pPa Espacio exterior 1× to <3× Torr 100 µPa to <3fPa

10 Cuernavaca, Agosto Conceptos generales 2.1 Mean free path, y número de knudsen 2.2 tasa de formación de monocapas 2.3 coeficiente de pegajosidad – sticking coefficient- 2.4 presión de vapor

11 Cuernavaca, Agosto 2008 Es posible probar que la Trayectoria libre media de una Molécula en un gas a presión P Está dada por: Rango Presión (mbar) (mbar) mean free path Presión ambiente 68 nm Vacío Bajo μm Medium vacuum mm High vacuum10 cm-1 km Ultra high vacuum 1 km-10 5 km Extremely high vacuum >10 5 km

12 Cuernavaca, Agosto 2008 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:

13 Cuernavaca, Agosto 2008 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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15 Cuernavaca, Agosto coeficiente de pegajosidad –sticking coefficient 2.3- tasa de formación de monocapas

16 Cuernavaca, Agosto 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.

17 Cuernavaca, Agosto 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.

18 Cuernavaca, Agosto coeficiente de pegajosidad – sticking coefficient

19 Cuernavaca, Agosto 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.

20 Cuernavaca, Agosto 2008 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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23 Cuernavaca, Agosto Conceptos específicos 3.1 Velocidad de bombeo 3.2 throughput 3.3 conductancia

24 Cuernavaca, Agosto 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.

25 Cuernavaca, Agosto 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

26 Cuernavaca, Agosto Conceptos específicos 3.3 Conductancia de tubos (ejemplos)

27 Cuernavaca, Agosto Conceptos específicos

28 Cuernavaca, Agosto 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.

29 Cuernavaca, Agosto Vacuum Concepts The leak rate is composed of two elements: Q = Q l + Q o, where Q l is the true leak rate (i.e. due to a hole in the wall) and Q o 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.

30 Cuernavaca, Agosto Vacuum Concepts The solution of the pump-down equation has: i) a short time limit: p = p 0 exp(-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.

31 Cuernavaca, Agosto Vacuum Concepts ii) a long time limit: p u, the ultimate pressure = Q/S. If we dont have any true leaks, Q Q o, which depends on the surface area, material and the treatment. For example, if the system volume V = 50 liter, roughly 50x20x50 cm 3, then A is roughly 1 m 2. Q o = qA, with a typical (good) value for q around mbar.liter.m -2.s -1, p u = 2x 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 H 2 O, from the walls. What is the pump needed to reach the Pu value stated?

32 Cuernavaca, Agosto 2008 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 C i, and these are in series (draw). Then with the pump speed as S 0, we have the effective pumping speed S given by S -1 = C i -1 +S 0 -1,

33 Cuernavaca, Agosto 2008 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 C i -1 of the whole vacuum tubing connecting the pump to the chamber.

34 Cuernavaca, Agosto 2008 where C i 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 C i large enough so that S is not << S 0 ; or equivalently, if S is sufficient, we can economise on the size (S 0 ) 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.

35 Cuernavaca, Agosto bombas: Rotatorias, de diafragma, difusoras, turbo, de sublimación, ionicas. razón de compresión en bombas,

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44 BOMBAS DE SUBLIMACION

45 Comparacion

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51 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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