El desarrollo de tecnologías más potentes ha permitido generar espacios de ultra alto vacío, llevando un paso más allá el alto vacío. En este post analizamos qué es exactamente el vacío ultra alto y cuáles son las principales aplicaciones de las cámaras de ultra alto vacío.
¿Qué es el ultra alto vacío?
El ultra alto vacío se considera la evolución final del alto vacío: se llama ultra alto vacío al sistema en el que existe una presión por debajo de 10-7 mbar.
El espacio de vacío se define como aquel en el que se ha desarrollado una presión menor a la atmosférica de modo que es posible eliminar los gases de las superficies internas. De este modo, dependiendo del valor de la presión de estos gases, existen diferentes grados de vacío, siendo los grados de vacío más altos los que cuentan con menor presión atmosférica. Siguiendo esta definición, el ultra alto vacío se da en los espacios con la menor presión atmosférica.
El primer vacío producido en entorno de laboratorio se produjo en 1643, a través de las técnicas experimentales alrededor de la presión atmosférica llevadas a cabo por Evangelista Torricelli. A día de hoy, el avance en este área de estudio ha permitido crear sistemas de ultra alto vacío.
Ultra alto vacío vs alto vacío
La diferencia entre los sistemas de alto vacío y los de ultra alto vacío reside en las diferentes presiones atmosféricas:
- En el alto vacío, el intervalo de presión va desde 10 -3 hasta 10 -7 mbar. Los gases residuales presentan un alto contenido en vapor de agua (H2O).
- En el ultra alto vacío, la presión atmosférica va de un intervalos desde 10 -7 hasta 10 -12 mbar. Los gases residuales presentan el hidrógeno como componente dominante. Además, estas bajas presiones permiten mantener las superficies internas limpias de gas.
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Cuestiones técnicas: producir ultra alto vacío
El reto principal de los espacios de ultra alto vacío es lograr producir presiones inferiores a 10-7 mbar. Para ello, es posible emplear diferentes tecnologías:
- Bomba turbomolecular: este tipo de bomba de vacío es muy versátil y puede producir desde un medio vacío hasta el ultra-alto. Para lograrlo, se utiliza un rotor de turbina que, girando a gran velocidad, hace chocar las moléculas de gas, generando el vacío.
- Bomba iónica: se trata de una bomba menos efectiva para los gases nobles, pero que logra alcanzar presiones inferiores a 10-11mBar. Para ello, ioniza las moléculas de gas mediante un campo magnético de alta intensidad y provoca una nube de electrones. Después, se capturan las moléculas de gas, generando espacios de alto vacío y ultra alto vacío.
- Bomba criogénica: las bombas criogénicas pueden alcanzar presiones menores a los10-10mBar. Utilizan la criocondensación (condensación a temperaturas bajas) para eliminar las sustancias gaseosas y generar espacios de ultra alto vacío. De este modo, los gases de menor peso molecular y, por tanto, que presentan más dificultades de condensación, reciben un tratamiento a menores temperaturas.
Además de contar con estas tecnologías, existen otras cuestiones técnicas alrededor del ultra alto vacío que deben tenerse en cuenta:
- Se requiere de programas de mantenimiento y control idóneos, en los que se compruebe de forma frecuente los niveles de vacío y otras cuestiones de seguridad, como la detección de posibles fugas.
- Es indispensable seguir los estándares de calidad y protocolos de testeo apropiados para cada proyecto.
- En la fase de diseño del sistema de ultra alto vacío, se debe prestar especial atención a los materiales empleados y las técnicas de construcción. Algunas buenas prácticas incluyen minimizar la superficie interna de la cámara, la utilización de sellos metálicos y de materiales compatibles de vacío, entre otras acciones.
- La selección de la bomba adecuada debe responder a criterios de eficiencia y fiabilidad, teniendo en cuenta las sustancias específicas a las que se enfrenta el proyecto.
- Mientras el sistema esté operativo, se debe atender con cuidado a los niveles de desgasificación que podrían interferir en la creación de un espacio de ultra alto vacío.
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Usos y aplicaciones del ultra alto vacío
La capacidad de las cámaras de ultra alto vacío para eliminar la contaminación en superficies y generar espacios de ultra alto vacío se requiere en diferentes industrias y sectores de investigación, destacando los siguientes:
- Algunos procesos metalúrgicos e industriales requieren de entornos de ultra alto vacío para evitar daños en los productos fabricados
- La ciencia de superficies utiliza el ultra alto vacío para llevar a cabo investigaciones en torno al análisis de superficies, incluyendo la espectroscopía.
- Los procesos de física de alta energía y física nuclear también hacen uso de cámaras de ultra alto vacío. Destacan aquí los aceleradores de partículas o los separadores de isótopos, por ejemplo.
- Algunos desarrollos en torno a la óptica y la electrónica requieren de sistemas de ultra alto vacío.
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