Tecnología de Vacío Ingeniería Técnica Mecánica. 3. Diseño de sistemas de vacío.

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1 Tecnología de Vacío Ingeniería Técnica Mecánica

2 3. Diseño de sistemas de vacío.

3 3.1. Parámetros fundamentales Bomba de Vacío Conducciones Sistema de Vacío P q V q M q PV qLqL qOqO Atmósfera o Bomba auxiliar

4 3.1.1. Velocidad de Bombeo Bomba de Vacío Conducciones Sistema de Vacío P SV q PV P es la presión en el plano en el que se mide la velocidad. En una bomba de vacío, se considera la presión en el extremo de baja presión. Unidades: m 3 /s litro/s Velocidad de bombeo efectiva Es el flujo volumétrico medido en el sistema de vacío.

5 Bomba de Vacío Conducciones Sistema de Vacío P q PV qLqL qOqO V Ecuación de la evolución temporal Condiciones estacionarias Transitorio 3.1.1. Velocidad de Bombeo

6 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 3.1.2. Bombeo de un sistema

7 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 3.1.2. Bombeo de un sistema

8 Evolución Temporal 3.1.2. Bombeo de un sistema

9  (Pa m 3 s -1 ) es el flujo de gas (equivale a molec. s -1 )‏ c (m 3 s -1 ) es la conductancia P (Pa) es la presión en el segmento x (m) es la distancia en el eje del cilindro 3.1.3. Sistema de Vacío con Bombeo Discreto

10 El cambio en la densidad de moléculas en el volumen elemental, A S dx es: (1)‏(2)‏ (3)‏ (1) es la derivada respecto del tiempo del número de partículas contenido en el volumen A s dx expresada en Pa m 3 s -1 (2) es la cantidad de moléculas desorbidas o fugadas hacia el sistema (3) es la diferencia entre las moléculas que entran y las que salen del volumen elemental xx+dx  (x)‏  (x +dx)‏ q” Eje x ASAS ALAL 3.1.3. Sistema de Vacío con Bombeo Discreto

11 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 3.1.3. Sistema de Vacío con Bombeo Discreto

12 La presión promedio : La presión está limitada por la conductancia específica, c, aunque la velocidad de bombeo sea infinita, existe una presión mínima 3.1.3. Sistema de Vacío con Bombeo Discreto

13 3.2. Producción de vacío: Bombas de vacío.

14 Parámetros a estudiar

15 3.2. Producción de vacío: Bombas de vacío. Gases a bombearPrincipio de funcionamientoRango de presionesGases a bombearPrincipio de funcionamientoRango 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 Gases a bombear Principio de funcionamiento Rango de presiones Vació Grueso y Medio Vació Medio y Alto Vacío Ultra-Alto

16 3.2. Producción de vacío: Bombas de vacío.

17 Rangos de actuación

18 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  Principio de funcionamiento 400 – 600 rpm60ºC 1500 – 1725 rpm80ºC

21 3.2.2. Bombas rotatorias.  Problema: Condensación por compresión  Bomba rotatoria con “gas ballast” T P T P P s

22 3.2.2. Bombas rotatorias.  Bomba rotatoria de doble etapa  Bomba cicloidal Tipos

23 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)‏

25 3.2.2. Bombas rotatorias.  Bomba rotatoria Curvas características 10 m 3 /h 200m 3 /h

26 3.2.2. Bombas rotatorias.  Bomba rotatoria de pistón Curvas características 30 m 3 /h 1500m 3 /h

27 3.2.2. Bombas rotatorias.  Bomba Roots Curvas características 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 3.2.3. Bombas cinéticas o de arrastre Bombas Turbomoleculares Principio de Funcionamiento Alabes girando a 20000 – 60000rpm Velocidad de Punta de Álabe ~ Velocidad térmica de las moléculas Choque molécula–álabe: Transferencia de momento Alabes en ángulo : Probabilidad mayor de flujo en una dirección Etapas de Álabes Rotor – Estator (en direcciones contrarias)‏ Funcionan en la zona de flujo molecular Ausencia de par viscoso Necesidad de bomba de apoyo

31 3.2.3. Bombas cinéticas o de arrastre Bombas Turbomoleculares Velocidad de Bombeo – Relación de Compresión Γ i = Nº moléculas que atraviesan la superficie i p.u.d.t. ≡ Z A ·A 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 Γ 1 = Γ 1 a 12 – Γ 2 a 21 Y considerando T = cte

32 3.2.3. Bombas cinéticas o de arrastre Bombas Turbomoleculares Velocidad de Bombeo – Relación de Compresión a) K max (W = 0)‏ Las Fracción Transmitida son calculables mediante Monte Carlo b) W max (K = 1)‏ c) Caso General

33 3.2.3. Bombas cinéticas o de arrastre Bombas Turbomoleculares Velocidad de Bombeo – Relación de Compresión a) K max (W = 0)‏ Para s r < 1.5 K max ~ exp(s r )‏

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 Para s r < 1.5 Wmax ~ s r b) W max (K = 1)‏ Además S ~ V b S (M↓) >~ 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 3.2.3. Bombas cinéticas o de arrastre Bombas Turbomoleculares Bomba de Apoyo Si K max > 10 4 Se usa 50 < K < 100 Si K max < 500 (¡ H 2 !)Se usa 10 < K < 20¡S BII grande! S BI BII

39 3.2.3. Bombas cinéticas o de arrastre Bombas Turbomoleculares Presión Final Restricciones P(H 2 ) ~ f(K)‏ Caudal de desgasificación y fugas Desgasificación (q PV ) y S I K max y P 2 P1P1

40 3.2.3. Bombas cinéticas o de arrastre Bombas Turbomoleculares Diseño de álabes q PV = cte →S·P = cte en la bomba Primeros álabesS ↑, P ↓ (K ↓)‏ Últimos álabesS ↓, 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 molécula–corriente 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 P Evaporador = 200 Pa P Salida = 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 (H 2, He,...)‏ Definida por el flujo de desgasificación (N 2, Ar,...)‏

47 3.2.3. Bombas cinéticas o de arrastre Bombas de Difusión Pérdidas de vapor hacia la bomba de apoyo Trampas Retro-flujo de vapor Fluidos de baja presión de vapor Trampas(de Nitrógeno líquido)‏

48 3.2.3. Bombas cinéticas o de arrastre Bombas de Difusión Pérdidas de vapor hacia la bomba de apoyo Trampas Retro-flujo de vapor Fluidos de baja presión de vapor Trampas(de Nitrógeno líquido)‏

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 AdherenciaBajas Temperaturas Getters de Volumen DifusiónAltas Temperaturas

53 3.2.4. Bombas de captura o ingestión Getters de superficie Metales Reactivos: TiMoNiTaZcAl... Bombean Gases Activos Bomba de Sublimación de Titanio (TSP)‏ Elección del Titanio: Barato Reacciona con un amplio Rango de Gases Atmosféricos Temperatura 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 (H 2 O, N 2 )‏ 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 (CO x, O 2, H 2 O, C 2 H 2,...)‏ Coeficientes de Adherencia Altos Bombeo de H 2 O por disociación en H y O Independencia de la Temperatura (Rango 77K < T < 300K)‏ Gases Intermedios (N 2, H 2,...)‏ Coeficientes de Adherencia Dependientes de la Temperatura Bajos a Temperatura Ambiente Medio-Altos a T ~ 77K H 2 Difunde al interior tras adherirse Gases Activos (He, Ar, CH 4,...)‏ 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 Desplazamiento 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 < 10 -1 Pa 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 < 10 -4 PaPelícula delgada activa en todo momento P > 10 -4 PaTi 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 D=5cm y H=10cm.

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 -9 Pa

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 < 1Pa para que e - tengas suficiente energía para ionizar P > 10 -2 para que e - choquen con moléculas (λ·P = cte)‏ Solución: Confinamiento 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 3.2.4. Bombas de captura o ingestión Bombas iónicas (SIP)‏ Principio de Funcionamiento Órbitas Espirales por la combinación de campos eléctricos y magnéticos. Colisión electrón – molécula de gas Creación de un Ion y Aceleración del Ion Choque del Ion con el cátodo: Pulverización Catódica (Sputtering)‏ Generación de electrones secundarios Otros Procesos: Disociación Molecular Átomos Neutros de Alta Energía

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 re–emitidos. Presión límite mínima Memoria de la Bomba (¡!)‏

67 3.2.4. Bombas de captura o ingestión Bombas iónicas (SIP)‏ Bombeo según gases Moléculas Orgánicas Adsorción o Precipitación tras Disociación por bombardeo electrónico Gases Activos (O 2, CO 2, N 2,...)‏ Reacción con Ti depositado en el ánodo tras Sputtering Enterramiento de Iones en el cátodo H 2 Masa Pequeña → Bajo Sputtering Enterramiento de Iones y Adsorción de Moléculas Neutras Difunde al interior (favorecido por Ar e inhibido por N 2 )‏ Gases Nobles Enterramiento de Iones en el cátodo

68 3.2.4. Bombas de captura o ingestión Bombas iónicas (SIP)‏ Rango de Operación 10 -2 Pa < P < 10 -9 Pa Velocidad de Bombeo S = S (Campo Magnético, Campo Eléctrico, Dimensiones de la Celda)‏ P alta: La descarga eléctrica produce calentamiento → Desorpción de H 2 P baja: Disminuyen los procesos de Ionización y Sputtering Vida Media Definida por el proceso de Sputtering 10 -3 Pa → ~ 5000 horas 10 -4 Pa → ~ 50000 horas

69 3.3. Medidores de vacío

70 Parámetros a estudiar Rangos de uso. Principio de funcionamiento. Efectos 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 Rango de Uso Medidores de Presión Parcial Cuadrupolos, etcP < 10 -3 mbar Convertidores de PresiónP > 10 -3 mbar 3.3. Medidores de vacío

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 -5 Pa Rango 10 -5 Pa < P < 10 4 Pa Salto máximo de 10 5

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 < Kn < 1 Convección = f(P) para Kn < 0.01 Necesidad de reducir pérdidas para Kn > 1 Radiación Conducción a través de los extremos de la galga Rango 10 -2 Pa < P < 10 3 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 R 4 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 3.3.2. Medidores de vacío de presión total Medidores de Ionización Bayard-Alpert Gauge (BAG)‏ Principio de funcionamiento Calentamiento de un Filamento de material termoiónico Liberación de electrones Aceleración de e - hacia la rejilla mantenida a un potencial V + Oscilación alrededor de la rejilla Choque con un átomo de gas residual y generación de un ión Ión recogido en el colector, mantenido a un potencial V - Medida de la corriente en el colector A)Filamento B)Rejilla C)Colector AC B

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

83 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 presiónRayos X 1E -8 Torr a 1E -13 Torr según geometría choques e - -rejilla → rayos X → colector → fotoelectronesDesorpción 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. λ↓ → la efectividad de los electrones para formar iones disminuye ↓

84 3.3.2. Medidores de vacío de presión total Medidores de Ionización (BAG)‏ Estabilidad Estabilidad del filamento Impurezas en el colector Impurezas en la rejilla Mejoras BAG de modulador BAG de extractor

85 3.3.2. Medidores de vacío de presión total Medidores de Ionización (BAG)‏ Mejoras BAG de modulador Principio de modulación Se introduce un segundo colector, desplazado (modulador). El potencial del modulador salta entre los niveles del colector y de la rejilla Si el modulador actúa de colector, recoge un % k de los iones Comparando I en el colector con (I + m ) y sin modulador (I + ) recogiendo, se puede eliminar la parte de la señal que no depende de la presión. A)Filamento B)Rejilla C)Colector D)Modulador A M C B

86 3.3.2. Medidores de vacío de presión total Medidores de Ionización (BAG)‏ Mejoras BAG de extractor (mejora el límite de rayos X)‏

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 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 El movimiento en los ejes x e y depende de la variación temporal del potencial Ф.

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