Bomba criogénica

Una criobomba o bomba criogénica es una bomba de vacío que atrapa gases y vapores condensándolos sobre una superficie fría, pero solo es eficaz con algunos gases. Su 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 reflujo de petróleo o delante de un manómetro McLeod para evitar la entrada de agua. En este caso, se las denomina trampas criogénicas , bombas de agua o trampas frías , aunque el mecanismo físico sea el mismo que el de una criobomba.

El criotrampeo también puede referirse a un efecto ligeramente diferente, en el que las moléculas aumentan su tiempo de permanencia en una superficie fría sin llegar a congelarse ( superenfriamiento ). Existe un retardo entre el momento en que la molécula impacta contra la superficie y el momento en que rebota. La energía cinética se pierde a medida que las moléculas disminuyen su velocidad. Por ejemplo, el hidrógeno no se condensa a 8 kelvin , pero puede ser criotrapado. Esto atrapa eficazmente las moléculas durante un período prolongado y, por lo tanto, las extrae del entorno de vacío, al igual que el criobombeo.

Los primeros experimentos sobre el atrapamiento criogénico 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 hacia 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 criorefrigeradores . La tecnología clave de refrigeración 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 el criorefrigerador Gifford-McMahon . ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]} En la década de 1970, el criorefrigerador Gifford-McMahon se utilizó para fabricar una bomba de vacío por Helix Technology Corporation y su filial Cryogenic Technology Inc. En 1976, las criobombas comenzaron a utilizarse en la fabricación de circuitos integrados de IBM . ^{[ 7 ]} El uso de criobombas se generalizó en la fabricación de semiconductores en todo el mundo, con expansiones como la de una empresa de criogenia fundada conjuntamente por Helix y ULVAC ( jp:アルバック) en 1981.

Las criobombas suelen enfriarse con helio comprimido, aunque también pueden usar hielo seco , nitrógeno líquido o, en el caso de versiones autónomas, incorporar un criorefrigerador . A menudo se colocan deflectores en el cabezal frío para aumentar la superficie disponible para la condensación, pero estos también incrementan la absorción de calor por radiación de la criobomba. Con el tiempo, la superficie se satura con condensado y, por lo tanto, la velocidad de bombeo disminuye gradualmente hasta cero. La criobomba retendrá los gases atrapados mientras se mantenga fría, pero no condensará gases nuevos provenientes de fugas o reflujo hasta que se regenere. La saturación se produce muy rápidamente en vacíos bajos, por lo que las criobombas generalmente solo se utilizan en sistemas de alto o ultra alto vacío.

La criobomba proporciona un bombeo rápido y limpio de todos los gases en el rango de 10⁻³ ^a 10⁻⁹ ^Torr . Funciona según el principio de que los gases pueden condensarse y mantenerse a presiones de vapor extremadamente bajas, logrando altas velocidades y caudales. El cabezal frío consta de un cilindro de cabezal frío de dos etapas (parte de la cámara de vacío) y un conjunto de unidad de accionamiento y desplazamiento. Estos componentes, en conjunto, producen refrigeración de ciclo cerrado a temperaturas que oscilan entre 60 y 80 K para la primera etapa de refrigeración y entre 10 y 20 K para la segunda etapa, generalmente.

Algunas criobombas tienen varias etapas a diferentes temperaturas bajas, donde las etapas exteriores protegen las etapas interiores más frías. Las etapas exteriores condensan gases de alto punto de ebullición, como el agua y el aceite, lo que permite conservar la superficie y la capacidad de refrigeración de las etapas interiores para gases de menor punto de ebullición, como el nitrógeno.

Al disminuir la temperatura de enfriamiento mediante hielo seco, nitrógeno líquido y helio comprimido, se pueden atrapar gases de menor peso molecular. El atrapamiento de nitrógeno, helio e hidrógeno requiere temperaturas extremadamente bajas (~10 K) y una gran superficie, como se describe a continuación. Incluso a esta temperatura, los gases más ligeros, helio e hidrógeno, presentan una eficiencia de atrapamiento muy baja y son las moléculas predominantes en sistemas de ultra alto vacío .

Las criobombas suelen combinarse con bombas de sorción recubriendo el cabezal frío con materiales altamente adsorbentes, como carbón activado o zeolita . A medida que el adsorbente se satura, la eficacia de la bomba de sorción disminuye, pero puede recargarse calentando la zeolita (preferiblemente a baja presión) para desgasificarla . La temperatura de ruptura de la estructura porosa de la zeolita puede limitar la temperatura máxima a la que puede calentarse para su regeneración.

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

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

La mayoría de los equipos de producción que utilizan una bomba criogénica cuentan con un sistema para aislarla de la cámara de vacío, de modo que la regeneración se realice 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 al exponerse a la atmósfera, debido a la formación de monocapas y enlaces de hidrógeno. Calentar el gas de purga de nitrógeno seco acelera el calentamiento y reduce el tiempo de regeneración.

Una vez completada la regeneración, la criobomba se someterá a un proceso de purga a 50 μm (50 miliTorr o μmHg), se aislará y se monitorizará la velocidad de ascenso (ROR) para comprobar que la regeneración sea completa. Si la ROR supera los 10 μm/min, la criobomba requerirá un tiempo de purga adicional.

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• Strong, John (1938). Procedimientos en física experimental . Bradley, IL: Lindsay Publications.Capítulo 3