TÉCNICAS EXPERIMENTALES EN FÍSICA DEL                PLASMA                                Javier García Molleja          ...
3. Medidores de vacío                                                                                                     ...
IV Sonda de Langmuir                                                                                                      ...
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1 GASES EN SISTEMAS DE VACÍO1.1.5. Velocidad de una cámara a una bomba    Consideremos una bomba con velocidad S ∗ conecta...
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1 GASES EN SISTEMAS DE VACÍOes debido a que en el último caso las fuerzas se comunican a todo el gas, mientras que enel pr...
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2 BOMBAS DE VACÍO    El número total de moléculas por segundo atravesando sección de la entrada será J1 A.Éstas vienen en ...
2 BOMBAS DE VACÍO    Es un tipo de bomba muy usada en los experimentos y puede funcionar como bombaprimaria o como bomba s...
2 BOMBAS DE VACÍO  Figura 17: Un diagrama transversal de una bomba de palas rotatorias de dos etapas    Para reducir el fe...
2 BOMBAS DE VACÍOson calentados en una caldera hasta que se evaporan. El vapor uye a través de unachimenea y sale de ella ...
2 BOMBAS DE VACÍOcada sección. El chorro superior posee la velocidad más elevada y la caida de presión másbaja. La densida...
2 BOMBAS DE VACÍO                        Figura 22: Curva de velocidad de bombeo    El caudal de gas en el rango de la vel...
2 BOMBAS DE VACÍOiones en la zona externa puede ser detectada en la entrada. La operación del detector defugas se basa en ...
2 BOMBAS DE VACÍOla caldera. Pero un incremento excesivo de la temperatura acelerará la degradación deluido. Debería recal...
2 BOMBAS DE VACÍO    Para reducir aún más la contracorriente son posibles consideraciones geométricas, comoel uso de tramp...
3 MEDIDORES DE VACÍOlíquido. Estas gotas de uido rebotan en las paredes y en el suelo de la cámara, ya seacomo partículas ...
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4 CONCEPTOS BÁSICOSParte IIEl plasma4. Conceptos básicos     [Chen, 06] [Delcroix, 68] [Galeev, 79] [Roth, 95]    Un plasm...
5 PARÁMETROS DEL PLASMA5. Parámetros del plasma5.1. Apantallamiento de Debye    [Baumjohann, 96] [Lieberman, 94] [Roth, 95...
5 PARÁMETROS DEL PLASMADe otra manera no habría suciente espacio para que el efecto de apantallamiento colectivoocurra y s...
5 PARÁMETROS DEL PLASMA    La frecuencia de oscilación típica en un plasma completamente ionizado es la frecuenciadel plas...
6 DESCARGA ELÉCTRICA A BAJA PRESIÓN6. Descarga eléctrica a baja presión    [Roth, 95] [Von Hippel, 54]    Consideremos par...
7 TRATAMIENTO DE SUPERFICIEScampo eléctrico para que ionicen algunos neutros del gas de fondo, dando un crecimientomuy ráp...
7 TRATAMIENTO DE SUPERFICIES   Los tratamientos de supercies se aplican para proteger a las piezas de los agentesexternos,...
7 TRATAMIENTO DE SUPERFICIES    En este caso, por tratarse de un proceso que se lleva a cabo en condiciones cuasi-estacion...
7 TRATAMIENTO DE SUPERFICIES   En el caso de la cementación los valores operacionales son muy parecidos a los que seusan e...
7 TRATAMIENTO DE SUPERFICIESnanómetros favoreciendo este proceso primario de absorción. Esto es en sí mismo unaventaja fre...
7 TRATAMIENTO DE SUPERFICIES7.1.2. Desarrollo de capa de compuestos    En determinadas condiciones de cementación el resul...
7 TRATAMIENTO DE SUPERFICIESque tengamos la muestra sin polarizar ésta estará a un potencial otante. Una gran can-tidad de...
7 TRATAMIENTO DE SUPERFICIESconguración de electrodos conocida como triodo en donde la difusión puede efectuarse apresione...
7 TRATAMIENTO DE SUPERFICIESFigura 31: Esquema de un reactor PAPVD empleado para recubrir supercies de aceros.Es un sistem...
7 TRATAMIENTO DE SUPERFICIESnormalmente viene precedido de la generación de una interfase de Co depositado previa-mente me...
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Materia Doctoral VI: Técnicas Experimentales en Física del Plasma

  1. 1. TÉCNICAS EXPERIMENTALES EN FÍSICA DEL PLASMA Javier García Molleja DoctoradoÍndiceI Sistemas de vacío 41. Gases en sistemas de vacío 4 1.1. Formalidades sobre el ujo de gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.1.1. Especicación de la cantidad de gas en condiciones estáticas . . . . 4 1.1.2. Flujo de gas y caudal, Q . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.1.3. Velocidad, S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.1.4. Conductancia, C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.1.5. Velocidad de una cámara a una bomba . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.2. Flujo de gas: mecanismos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.2.1. Flujo viscoso y ujo molecular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.2.2. Transición de ujo viscoso a molecular . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.3. Conductancia de un ujo molecular en una apertura . . . . . . . . . . . . . 11 1.4. Velocidad máxima de una bomba en la región de ujo molecular . . . . . . 12 1.5. Flujo molecular a través de tuberías; probabilidad de transmisión y con- ductancia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122. Bombas de vacío 13 2.1. La bomba de palas rotatorias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.2. La bomba de difusión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.2.1. Mecanismo de bombeo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.2.2. Velocidad y caudal característicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.2.3. Efectos calorícos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.2.4. Contracorriente, baes y trampas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1
  2. 2. 3. Medidores de vacío 22 3.1. Medidor de conductividad térmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.2. Medidor de cátodo caliente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23II El plasma 264. Conceptos básicos 265. Parámetros del plasma 27 5.1. Apantallamiento de Debye . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 5.2. Parámetro del plasma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 5.3. Frecuencia del plasma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286. Descarga eléctrica a baja presión 307. Tratamiento de supercies 31 7.1. Modicación de las capas superciales: Difusión atómica . . . . . . . . . . 32 7.1.1. Capa supercial libre de compuestos . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 7.1.2. Desarrollo de capa de compuestos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 7.1.3. Ventajas del proceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 7.2. Deposición de capas sobre la supercie: Deposición física en fase vapor asistida por plasmas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 7.2.1. Aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 7.2.2. Ventajas y desventajas de los procesos PAPVD . . . . . . . . . . . 40III Espectroscopía de emisión 418. Denición de espectroscopía 419. Parámetros del plasma 4310.Ensanchamiento del perl de línea 4411.Obtención de los ensanchamientos 47 11.1. Determinación de ne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 11.2. Determinación de Texc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 11.2.1. Líneas atómicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 11.2.2. Bandas moleculares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 11.3. Determinación de Tgas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 11.4. Obtención de Te . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 2
  3. 3. IV Sonda de Langmuir 5412.Teoría de vainas en plasmas DC 54 12.1. Vaina en la aproximación de baja tensión DC . . . . . . . . . . . . . . . . 54 12.2. Modelo de vaina de Bohm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 12.3. Vainas de alta tensión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 12.4. Vainas matriz transitorias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 12.5. Vaina de ley de Child . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6313.Sondas eléctricas para plasmas 65 13.1. Magnitudes principales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 13.2. Fuentes de error . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 13.3. Medida de la distribución de partículas cargadas . . . . . . . . . . . . . . . 70 13.3.1. Medidas de EDF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 13.3.2. Medidas de IDF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 13.4. Medida de observables del uido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 13.4.1. Temperatura electrónica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 13.4.2. Temperatura iónica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 13.4.3. Densidad del plasma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 13.4.4. Potencial del plasma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 13.4.5. Campo eléctrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 13.4.6. Velocidad del ujo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77V Plasma Focus 7814.El plasma como uido 78 14.1. Función de distribución de velocidades y magnitudes macroscópicas . . . . 78 14.2. Ecuaciones macroscópicas correspondientes a un componente de uido múlti- ple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 14.3. Método de deducción de las ecuaciones macroscópicas . . . . . . . . . . . . 8015.La estabilidad hidromagnética 81 15.1. El problema de la estabilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 15.2. El problema de la estabilidad hidromagnética . . . . . . . . . . . . . . . . 8416.Estabilidad en la conguración de pinzamiento 8617.Descarga en el plasma focus 90 17.1. Etapas de la descarga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 17.2. Medida de la variación temporal de la corriente . . . . . . . . . . . . . . . 95 3
  4. 4. 1 GASES EN SISTEMAS DE VACÍOParte ISistemas de vacío1. Gases en sistemas de vacío [Chambers, 89]1.1. Formalidades sobre el ujo de gas1.1.1. Especicación de la cantidad de gas en condiciones estáticas La cantidad de un líquido puede ser especicada mediante su volumen. Es una buenamedida de cantidad, ya que al ser incompresible, podemos utilizarlo junto a la densidadpara obtener la medida fundamental de cantidad, la masa. Los gases, sin embargo, soncompresibles, la cantidad presente en un volumen dado depende de la presión. El hecho de que una masa de gas dada ocupe un pequeño volumen a altas presiones,o viceversa, presenta ligeras complicaciones que pueden resolverse con p = nkB Ten donde n = N , es la cantidad de moles que contiene el gas, kB es la constante de VBoltzmann y T es la temperatura; entonces: pV = N kB T,donde V es el volumen que ocupa el gas y N es el número de partículas. A una temperaturadada, el producto pV da una medida proporcional de la cantidad de gas en condicionesestáticas, yas que se puede comprobar que este producto es proporcional al número departículas. Luego si conocemos la masa de la partícula que forma el gas podremos saberla masa del gas a temperatura constante: pV mg = N m = m. kB TPor último, indicaremos que pV nos servirá para describir el ujo del gas.1.1.2. Flujo de gas y caudal, Q El gas uye por diferencia de presiones. Consideremos una tubería donde se mantieneen sus extremos una diferencia de presión, p1 p2 . Si estudiamos una cantidad de gas,al ir disminuyendo la presión aumentará su volumen. La presión será constante en unasección perpendicular a la tubería y el ujo pueder ser descrito como el producto de la4 Javier García Molleja
  5. 5. 1 GASES EN SISTEMAS DE VACÍOpresión en ese plano y la variación temporal del volumen que uye a través de esa sección.De esta manera deniremos el caudal como ˙ Q = pV ,que da un valor constante en toda la tubería. El caudal es una cantidad básica queespecica el ujo de gas. Es sencillo relacionarlo con el rango del ujo de partículas,utlizando la ley de los gases ideales a una p y T determinadas dN d pV p dV ˙ pV Q = = = = dt dt kB T kB T dt kB T kB T Figura 1: Flujo de gas a través de una tubería1.1.3. Velocidad, S En ciertos casos en las bombas de vacío es normal referir la variación de ujo volumétri-co como la velocidad S Q Q = Sp ⇒ S = . pComo asume un importante papel, denotaremos S ∗ la velocidad en la entrada de la bomba.Si consideramos el caudal tomado de un gas que va desde un recipiente hasta una bombay que en el recipiente tenemos un valor de presión p1 tendremos que la velocidad en esepunto Q Q S= = S∗ p1 ppor lo que S ∗ es la cota máxima de velocidad para el recipiente, puesto que la presión ala entrada de la bomba es menor que en cualquier otro lugar de la cámara, mientras queel valor del caudal es una magnitud constante. Figura 2: Flujo de gas hacia la bombaJavier García Molleja 5
  6. 6. 1 GASES EN SISTEMAS DE VACÍO1.1.4. Conductancia, C Figura 3: Denición de conductancia Esta sencilla medida de ujo se dene como Q C= p1 − p2donde el denominador es la diferencia de presión entre dos regiones determinadas, nor-malmente entre los extremos de una tubería. La denición es lógica en el sentido de quela disminución de presión depende del número y el tamaño de las tuberías, afectando aQ. Los componentes pueden ser colocados en serie o en paralelo: Conductancias en paralelo: C = i Ci Figura 4: Conductancias en paralelo Conductancias en serie: 1 C = 1 i Ci Figura 5: Conductancias conectadas en serie6 Javier García Molleja
  7. 7. 1 GASES EN SISTEMAS DE VACÍO1.1.5. Velocidad de una cámara a una bomba Consideremos una bomba con velocidad S ∗ conectada mediante una tubería de con-ductancia C a un recipiente donde la presión es p. Sea S la velocidad en la cámara y Qel caudal. El caudal será entonces Q = C(p − p∗ ) = Sp = S ∗ p∗que, al utilizar álgebra podremos llegar a una expresión de la velocidad en la cámara Sp =C(p − p∗ ) p − p∗ S =C p p∗ S =C 1 − p S S =C 1 − ∗ S S∗ − S S =C S∗ S S + C ∗ =C S C S 1 + ∗ =C S C S= C 1 + S∗ C S = S ∗ +C S∗ C S = S∗ ∗ . S +C Figura 6: Efecto de la conductancia sobre la velocidad de bombeo Esta ecuación demuestra que el efecto de la conductancia siempre reduce la velocidaden el recipiente. Si la conductancia es igual a la velocidad de la bomba, la velocidadJavier García Molleja 7
  8. 8. 1 GASES EN SISTEMAS DE VACÍOdel recipiente se reduce a la mitad. Sólo cuando C 5S ∗ la velocidad se va haciendoequiparable a la de la bomba.1.2. Flujo de gas: mecanismos1.2.1. Flujo viscoso y ujo molecular Consideremos una tubería de 10 cm e indiquemos que el camino libre medio dependede la presión (λ = 0,66 cm para p = 10−3 mbar). Para el rango de presiones desde laatmosférica hasta 10−2 mbar, λ es mucho menor que el diámetro de la tubería. Parapresiones por debajo de 10−4 mbar, en los rangos de alto y ulta-alto vacío (HV y UHV),λ es mucho mayor que el diámetro de la tubería. Esto presenta un profundo signicadoen cuanto a la manera de uir el gas. En la región de 10−2 mbar y superiores, las colisiones molécula-molécula son domi-nantes y el comportamiento del gas será como el de un uido. Puede ser introducido entuberías y succionado de las mismas. El movimiento del gas se comunica a través de lascolisiones entre moléculas. Es un uido viscoso sujeto a fuerzas de fricción (mediante elcoeciente de viscosidad) y a las leyes de la mecánica de uidos, por lo que podría serlaminar o turbulento, según indique el número de Reynolds. Si el ujo no es turbulento laconductancia se obtiene por la fórmula de Poseuille p ¯ C = 136D4 Ldonde D es el diámetro de la tubería y L su longitud; p = p1 +p2 . ¯ 2 Para ujos en condiciones HV ó UHV los fenómenos son diferentes al régimen viscoso.Ahora las colisiones molécula-pared dominarán el comportamiento del gas. Es la regióndel uido molecular. Figura 7: Trayectorias moleculares en las condiciones de ujo molecular El comportamiento no será como el de un uido típico. No existirá viscosidad en el gasdebido a las pocas colisiones entre moléculas. Es necesario entones una descripción másdetallada de los procesos de supercie: cuando las moléculas chocan contra las paredesquedan adsorbidas, siendo desorbidas tiempo después. La dirección de salida de la molécu-la desorbida será aleatoria, no teniendo ninguna relación con la dirección de llegada. Sinembargo, puede existir la probabilidad de que retorne por el mismo camino en el caso8 Javier García Molleja
  9. 9. 1 GASES EN SISTEMAS DE VACÍOde que la superce de la tubería sea rugosa. Sin embargo, no podemos considerar estecomportamiento como ley de reexión idéntica a la de la luz en supercies lisas. Éste es el estado descrito por la Ley del Coseno de Knudsen, que indica que la pro-babilidad de que una molécula sea dispersada de la supercie en una dirección dadaes proporcional a cos θ con θ siendo el ángulo formado por la normal y la dirección dedispersión. Figura 8: Ilustración de la Ley del Coseno Podemos imaginar una molécula liberada en el centro de una tubería muy larga. Éstase moverá al azar y, en promedio, tenderá a volver a la posición de origen. Esto indicaque no hay medios para inuir en el movimiento de la molécula. El ujo aún es posible enestas circusntancias si colocamos una bomba al nal de la tubería encargada de capturarlas moléculas que lleguen, impidiendo así su retorno a la tubería. Figura 9: Movimiento aleatorio de ida y vuelta de una molécula en una tubería larga Capturando las moléculas y eliminándolas del sistema la bomba mantendrá la bajadensidad del gas a su entrada. Como en el otro extremo de la tubería la presión es mayor,existirá un gradiente de concentración que provocará un movimiento de difusión de lasmoléculas que llegarán a la zona de baja presión y serán atrapadas por la bomba. Si elbombeo cesa desaparecerá la variación de densidad, repartiéndose uniformemente en elespacio las moléculas que quedan.Javier García Molleja 9
  10. 10. 1 GASES EN SISTEMAS DE VACÍO Figura 10: Captura de una molécula errante por una bomba Un aspecto importante del ujo molecular es que la bomba no puede succionar lasmoléculas que están en la tubería. Sólo se capturarán las que lleguen a la bomba. Lavariación de moléculas que llegan a la entrada de la bomba es determinada únicamentepor el gas.1.2.2. Transición de ujo viscoso a molecular Se puede estudiar cómo la conductancia de una tubería cambia de régimen viscoso amolecular a través de una región de transición al reducir la presión. Esta región puede sercaracterizada a partir del número de Knudsen 1 Kn = Dcon D siendo el diámetro del tubo. Para Kn 10−2 domina el régimen viscoso y cuandosupera la unidad el ujo molecular es el que empieza a operar. Para analizar la región detransición se combinan adecuadamente las dos vertientes de ujo. Figura 11: Diferentes regímenes de ujo Un hecho importante es que la conductancia es independiente a la presión en la zonade régimen molecular, mientras que en el régimen viscoso incrementa con la presión. Esto10 Javier García Molleja
  11. 11. 1 GASES EN SISTEMAS DE VACÍOes debido a que en el último caso las fuerzas se comunican a todo el gas, mientras que enel primer caso todas las moléculas son independientes.1.3. Conductancia de un ujo molecular en una apertura Consideremos una apertura de área A que separa a dos regiones mantenidas a diferen-tes presiones p1 y p2 , con p1 p2 . Desde la primera zona a la segunda existirán los ujosJ1 y J2 con la particularidad de que J1 J2 , luego habrá un ujo neto de moléculas deizquierda a derecha dado por dN = (J1 − J2 )A. dt Figura 12: Flujo molecular en una apertura Haciendo la sustitución p J=√ 2πmkB Ty utilizando Q = kB T dN convertiremos una variación del número partículas en un caudal dtneto en una dirección predeterminada. kB T RT Q= A(p1 − p2 ) = A(p1 − p2 ), 2πm 2πMasí pues, la conductancia en la apertura será RT C0 = A. 2πMSe tiene que M es la masa molecular del gas, mientras que R es la constante de los gasesideales. Es un resultado muy importante debido al factor M . Para el caso del nitrógeno Ta 295 K se tiene que C0 = 11,8A y si la apertura es circular C = 9,3D2 . Como el régimen molecular no posee colisiones molécula-molécula, los ujos entre unadirección y otra son independientes. Así que las condiciones estarán impuestas por la zonaen la que partieron.Javier García Molleja 11
  12. 12. 1 GASES EN SISTEMAS DE VACÍO1.4. Velocidad máxima de una bomba en la región de ujo mole- cular Consideremos la entrada a una bomba de diámetro D que captura y elimina todas lasmoléculas que llegan a ella. En este punto Q = S ∗ p∗ que también puede ser expresadocomo Q = Sp. Así pues, en este caso de bomba ideal, la velocidad es igual a la conductanciaen la apertura de entrada, ya que p∗ = 0. Esto es S ∗ = Ce = 9,3D2 .Una entrada circular de 10 cm de diámetro tendría una velocidad de 930 L/s si trabajaseidealmente. Pero las bombas reales no tienen este tipo de comportamiento ideal, por loque no atraparán todas las moléculas entrantes y su velocidad será siempre menor que elvalor ideal. Figura 13: Acción de una bomba ideal1.5. Flujo molecular a través de tuberías; probabilidad de trans- misión y conductancia Consideremos una tubería de longitud L, diámetro D y una supercie perpendicular aaquélla de valor A. Se conectan a partir de la tubería dos regiones de baja presión, p1 , p2de tal modo que λ L, D. Esto hará que el gas esté en ujo molecular. Figura 14: Flujo molecular a través de una tubería12 Javier García Molleja
  13. 13. 2 BOMBAS DE VACÍO El número total de moléculas por segundo atravesando sección de la entrada será J1 A.Éstas vienen en cualquier dirección desde el volumen que está a la izquierda de la entrada.Muy pocas moléculas atravesarán la tubería sin colisionar con sus paredes. La mayoríacolisionará con la pared rebotando en una dirección aleatoria. Existen tres posibles lugaresa lo que podría llegar: a la región de la izquierda, otra vez a la pared, y hacia la regiónde la derecha. Cada uno de estos sucesos posee una probabilidad diferente, denida para cada unode estos dos aspectos: la probabilidad de ir a una dirección particular determinada porla Ley del Coseno y que la dirección de salida esté en un ángulo sólido que depende elárea de entrada, el área de salida u otra zona de la pared. Para el caso de una moléculaque viaje bastante por la tubería el balance de probabilidad sobre cuál dirección será lasiguiente es muy aproximado a lo que hará. También existen fenómenos de reexión queson complejos de estudiar en un caso tridimensional. Considerando el ujo de moléculas J1 A que entra en la tubería y las diferentes posi-bilidades de sus futuras trayectorias, es obvio que algunas alcanzarán la salida y otrasregresarán a la entrada. La fracción de partículas que logran salir está denida por latransmisión de probabilidad W, así que el ujo que sale de la tubería será W(J1 A). Esevidente que W será grande para tuberías muy cortas y de gran diámetro. Si consideramos el ujo de derecha a izquierda el tratamiento es similar. La transmisiónde probabilidad en la tubería debe ser la misma en ambas direcciones, pero el ujo J2corresponde a la zona de baja presión p2 . El ujo será entonces W(J2 A) y el ujo netoserá la diferencia entre ellos. Así pues, el caudal será Q = kB T (J1 − J2 )AWsustituyendo J = √ p 2πmkB T llegaremos a que kB T RT Q= AW(p1 − p2 ) = AW(p1 − p2 ). 2πm 2πMEn este punto podemos identicar la conductancia de una apertura por lo que Q = WC0 (p1 − p2 )por lo que por identicación podemos denir la conductacia de una tubería: Ct = WC0 .2. Bombas de vacío2.1. La bomba de palas rotatorias [Chambers, 89]Javier García Molleja 13
  14. 14. 2 BOMBAS DE VACÍO Es un tipo de bomba muy usada en los experimentos y puede funcionar como bombaprimaria o como bomba secundaria, sirviendo de soporte a otras diferentes. Se engloba enel conjunto de bombas de desplazamiento positivo, en donde un volumen lleno de gas esevacuado cíclicamente hasta llevarlo a una salida donde saldrá de manera comprimida. Figura 15: La bomba de palas rotatorias La bomba rotatoria consta de un conjunto de palas con ranuras entre ellas que rotandentro de una carcasa denominada estátor. La posición de las palas será excéntrica parapoder comprimir el gas hacia las paredes del estátor. Se localiza un motor eléctrico queserá el que provea de movimiento a las palas en contra de la diferencia de presión. Laspalas están en contacto con las paredes del estátor para evitar fugas. El gas entonces escolectado, comprimido y expelido a través de la válvula de salida, que posee una cargacon muelle para evitar entrada de gases por este punto. Las palas y el rotor están selladospor una película de uido, junto con el estátor inmerso en el uido (normalmente aceite)para conseguir disipar el calor. Figura 16: Velocidades de bombeo típicas para las bombas rotatorias Existen bombas rotatorias de dos etapas donde la salida de gas de una es la entrada aotra. De esta manera se llega a la presión base de una manera más rápida, disminuyendoltraciones de gas en la dirección contraria que podrían ser bastante considerables siusamos una única bomba.14 Javier García Molleja
  15. 15. 2 BOMBAS DE VACÍO Figura 17: Un diagrama transversal de una bomba de palas rotatorias de dos etapas Para reducir el fenómeno de la condensación de los vapores durante la compresión sepuede utilizar el llamado lastre de gas, por el que se introduce una pequeña cantidad degas no condensable, variando entonces las presiones parciales del resto de gases y evitandoasí la condensación de éstos. Figura 18: Operación del lastre de gas en una bomba rotatoria2.2. La bomba de difusión [OHanlon, 89] Actualmente, es una de las bombas más ampliamente usadas en los experimentos.Debido a su larga historia se ha estudiado muy de cerca, siendo todos sus problemas com-prendidos, así como su funcionamiento. Estudiaremos el mecanismo básico de la operaciónde bombeo, el caudal y la velocidad de bombeo.2.2.1. Mecanismo de bombeo La bomba de difusión es una bomba cinética de impulsión de vapor de un gas basadaen la transferencia de momento mediante las colisiones con la corriente de vapor. Unuido en movimiento como un aceite de hidrocarburos, un líquido orgánico o mercurioJavier García Molleja 15
  16. 16. 2 BOMBAS DE VACÍOson calentados en una caldera hasta que se evaporan. El vapor uye a través de unachimenea y sale de ella por una serie de boquillas. Éstas expulsan el gas hacia abajo endirección a la pared que está en refrigeración donde se condensará y retornará a la caldera.La velocidad que alcanza el vapor es supersónica y todos los gases que se encuentren en latrayectoria del vapor y colisionen con él, en promedio, tendrán un momento que les harámoverse hacia la zona de altas presiones, o sea, hacia la salida de la bomba. Las bombasmodernas poseen varias etapas de compresión. Cada etapa comprime más a un gas hastaque se dirige a la salida.Figura 19: Diagrama esquemático de una sección transversal de una bomba de difusión La presión de la caldera en una bomba actual es de 200 Pa. Idealmente, la bomba nopuede mantener una caida de presión tan grande en la distancia que separa la entrada dela salida. El valor máximo práctico para la presión tolerado por la bomba es menor quela presión de la caldera y se encuentra en el rango 25 − 75 Pa. Por todo esto la bombade difusión no puede eyectar gas a presión atmosférica, por lo que otra bomba auxiliardebería disminuir la presión. Podrían servir las de palas rotatorias o las de pistón (émbolo).La explicación es porque a un nivel alto de la presión el chorro perderá la velocidad enuna región cercana a la boquilla por colisiones y cobrarán un movimiento aleatorio queles impedirá volver a la caldera. Así que nunca ha de sobrepasarse el valor crítico de lapresión para tener así un caudal alto y poder seguir bombeando. Figura 20: Presión crítica de base Cada sección de la bomba de vapor tiene una velocidad y disminución de presióncaracterística. Como los chorros están en serie, el fujo del gas, Q = S∆p, es el mismo en16 Javier García Molleja
  17. 17. 2 BOMBAS DE VACÍOcada sección. El chorro superior posee la velocidad más elevada y la caida de presión másbaja. La densidad del vapor en la zona del chorro superior es menor que en los inferiores.Como el ujo del gas a través de los chorros es el mismo, irá disminuyendo la velocidadde bombeo y aumentando la caida de presión. Muchas bombas utilizan un eyector de gaspara comprimir el gas en este rango de presiones. Esta combinación hace que el límite depresión máxima aumente. Las bombas fraccionarias contienen chimeneas concéntricas y permiten al uido dela bomba llegar a las secciones inferiores tras una condensación, por lo que la bombaauxiliar sólo tendría que trabajar en pequeñas fracciones. El desgaseado del uido esutiliado para mantener a las secciones a altas temperaturas. Utiliando nitrógeno líquidocomo refrigerante se puede llegar a 5 · 10−7 Pa. Figura 21: Montaje integrado de la bomba2.2.2. Velocidad y caudal característicos Las cuatro regiones de operación (si posee tres boquillas) de las bombas de difusiónson de velocidad, caudal, bombeo mecánico y rango de compresión constantes. Por eso esconveniente trabajar en estas regiones. Su eciencia de bombeo de las moléculas de gas esde 0,5 para la bomba simple y de 0,3 cuando la conductancia incluye trampas y válvulas.El rango de operación usual para una velocidad constante es para la mayoría de los gases10−1 − 10−9 . El límite máximo de la presión de entrada se denomina presión crítica deentrada y corresponde al punto en el cual el chorro máximo cae.Javier García Molleja 17
  18. 18. 2 BOMBAS DE VACÍO Figura 22: Curva de velocidad de bombeo El caudal de gas en el rango de la velocidad constante es el producto de la presión deentrada y la velocidad de la bomba en la pestaña de entrada. Aumenta linealmente conla presión hasta que se alcanza la presión crítica de entrada. Por encima de esta presiónel caudal de la bomba es constante hasta que el chorro deja de funcionar. A presiones aúnmás altas el caudal vuelve a aumentar de nuevo debido al funcionamiento de la bombaauxiliar. El caudal máximo útil corresponderá al producto de la velocidad de entrada y lapresión crítica de entrada. Si se excede de esta presión, la contracorriente se incrementaráy aparecerán las inestabilidades en el chorro que serán difíciles de controlar. No deberíaexcederse del caudal máximo en el estado estacionario, aunque durante el bombeo puedeocurrir durante pequeños periodos de tiempo. Sobrepasando la presión límite crítica en una bomba bien diseñada habrá problemas enlos equipamientos, mientras que se podría exceder fácilmente la presión crítica de entradapor operaciones indebidas. Si la bomba está equipada con una buena bomba auxiliar, lapresión crítica podría ser sobrepasada con fugas que pueden existir en las zonas externas;un nivel de aceite demasiado bajo; la correa de la bomba mecánica suelta, o una seccióncalentadora abierta. La presión crítca de entrada puede ser fácilmente excedida por unerror operacional, de lo contrario el chorro superior continuará bombeando a menos queexista un fallo parcial en un calentador o una gran fuga. La velocidad no permanececonstante hasta la presión cero, sino que decrece hacia cero. La curva que describe decrecea bajas presiones debido al enorme, aunque nito, rango de compresión de los chorros delas bomba de difusión. Idealmente se llegaría a 10−10 Pa. Si en este punto la presiónlímite fuese 1 Pa, el rango de compresión sería 1010 . Todas las bombas de difusión tienenun pequeño ujo de gas inverso durante el bombeo, y aunque este ujo inverso sea muypequeño para gases pesados puede tener consecuencias relevantes para gases ligeros bajociertas condiciones. Debido a su velocidad térmica elevada y la sección ecaz de colisióntan reducida, el rango de compresión de los gases ligeros (como el H y el He) es menorque el de los gases pesados. El rango de compresión para los gases pesados es 108 − 1010 ,mientras que para los gases ligeros es de 103 − 106 . Aunque parezca un valor pequeño serásuciente en algunas bombas, así que es posible detectar una concentración límite cercade la entrada. Este fenómeno explica por qué el hidrógeno que emana de una medida por18 Javier García Molleja
  19. 19. 2 BOMBAS DE VACÍOiones en la zona externa puede ser detectada en la entrada. La operación del detector defugas se basa en este principio. El detector se coloca en la entrada y la pieza de prueba secoloca en la linea externa. El rango de compresión para gases pesados es adecuado paraproducir la baja presión requerida en el detector mientras que a la vez permite al heliotener una difusión en contra que será detectada. La presión límite en un sistema con bomba de difusión puede ser el resultado de unrango de compresión límite o del desgaseado de las paredes, incluso de ambos fenómenos.Para una bomba ideal sin desgaseado sobre el chorro superior y en la cámara de trabajo,y utilizando un bae perfecto que recoge todo el vapor del aceite, la presión nal podríaser la suma de todas y cada una de las presiones parciales en la zona límite divididas porsus respectivos rangos de compresión: pf i pl = . i kiPara el caso en el que la presión base del sistema se alcance en la región de bombeo avelocidad constante, la presión será la suma de cada ujo de gas independiente, divididopor la velocidad de bombeo de cada gas: Qi pl = . i SiEl ujo individual de gas se puede originar mediante desgaseado o por fugas. En la prácticala segunda ecuación es la que da el valor de presión límite, aunque en algunas situacionespodría ser la combinación de ambas (la primera para los gases ligeros y la segunda paralos pesados). El valor de la presión límite no viene dada por el rango de compresión delos gases pesados, sino por el desgaseado, la presión de vapor del uido más ligero de labomba que se sitúa en el bae de manera fraccionada, y la liberación de los gases disueltosen el uido. La velocidad de bombeo dependerá del gas con el que √ trabaje. La velocidad sede bombeo de los gases ligeros es elevada pero no proporcional a m como predice la leyde los gases ideales.2.2.3. Efectos calorícos La tendencia general es que la temperatura del aceite, la máxima presión y el caudalaumenten con la energía que se le dé a la caldera, mientras que la velocidad de bombeo dis-minuya mientras más caliente esté el gas de entrada, debido al incremento de la densidadde las moléculas de aceite en la corriente de vapor. No es posible optimizar la velocidad debombeo para todos los gases a causa de la diferencia entre la masa y la velocidad térmicade cada gas. La velocidad de bombeo está en función de la transferencia de momento entreel uido y las moléculas de gas. Puede ocurrir que un uido compuesto por moléculas pesadas posean una menor ve-locidad de bombeo que las moléculas ligeras a menos que se ajuste la temperatura deJavier García Molleja 19
  20. 20. 2 BOMBAS DE VACÍOla caldera. Pero un incremento excesivo de la temperatura acelerará la degradación deluido. Debería recalcarse que existe una relación entre la energía de la caldera y el caudal(tienen idénticas dimensiones), por esto el caudal máximo está en relación con la energíade la bomba. Además, la velocidad máxima de bombeo en la región de alto vacío esproporcional al área de entrada.2.2.4. Contracorriente, baes y trampas La contracorriente se dene como el transporte de uido bombeado, y de sus com-ponentes, de la bomba hasta la cámara. Hablanian puntualizó que la contracorriente nolimita el funcionamiento de la bomba, pero debería estar presente junto a las trampas, losbaes y los conductos, ya que éstos durante el bombeo transportan el uido de bombeodesde la propia bomba hasta la cámara. Vamos a considerar las contribuciones de labomba. El estado estacionario de la contracorriente resulta de Evaporación del uido condensado de las paredes más altas de la bomba Ebullición prematura del uido antes de llegar a la caldera Fugas en la tapa superior La sobredivergencia del vapor de aceite en el chorro superior Evaporación del uido de la boquilla caliente del chorro superiorLas primera causa se elimina al utilizar uidos de baja presión de vapor y colocandotrampas en toda la bomba. Las bombas modernas ya eliminan las dos siguientes causas.El uso de una tapa superior refrigerada por agua reduce sustancialemte las dos últimascausas. Con estas preacuciones la contracorriente se puede reducir aproximadamente 10(mg/cm2 )/min en una corta distancia sobre la entrada de la bomba. Figura 23: Un sistema típico de bomba de difusión20 Javier García Molleja
  21. 21. 2 BOMBAS DE VACÍO Para reducir aún más la contracorriente son posibles consideraciones geométricas, comoel uso de trampas y baes. Una trampa es una bomba de vapor condensable y un bae esun mecanismo que condensa el vapor del uido de la bomba y lo devuelve como líquidoa la caldera. Ambas acepciones se confunden, aún más en el caso de bombas criogénicas.Las moléculas de los uidos de la bomba, o fragmentos de uido, pueden encontrar sucamino a través de la trampa arrastrándose por las paredes, por colisión con las moléculasde gas o por reevaporación desde las supercies. El arrastre puede ser prevenido porel uso de trampas con barrera contra arrastre (una membrana que se extiende desdela pared exterior caliente hasta la supere refrigerada) o el uso de uidos autofóbicos.La contracorriente, debido a las colisiones del aceite en estado gaseoso, es una funciónlineal con la presión por encima de la región de transición, además de ser función de lastrampas y del diseño de la bomba. A presiones bastante altas el rango de la contracorrientedisminuye al empezar el régimen de uido viscoso del gas. En una operación normal labomba de difusión atravesará esta región rápidamente. Debemos mencionar que la máximacontracorriente que se produzca debido a las colisiones del vapor de aceite seguirá siendopequeña, por lo que no presentará problemas al sistema sin bombas auxiliares. El problema de la reevaporación es más delicado. Las presiones de vapor de las bombasde difusión varían ampliamente. Los dos uidos con presiones de vapor más bajas hacenque a 10 o C el rango producido sea de 5 · 10−10 (mg/cm2 )/min. La posible descomposicióndel uido ocurrirá en la caldera y se generarán pequeñas fracciones de nuevos productos.Para el caso de que se produzcan fracciones de gases ligeros, éstos no serán atrapados enun sistema de refrigeración por nitrógeno líquido a causa de sus altas presiones de vapor.En el caso de que las trazas sean de gases pesados con un bae refrigerado por aguaserá bastante. Las presiones parciales de los gases intermedios se reducirán al disminuir latemperatura. Cuando se usan uidos modernos de baja presión de vapor la diferencia entrela trampa de nitrógeno líquido y un bae refrigerado por agua es la capacidad el primeropara bombear estos gases y atraparlos parcialmente en fracciones de peso más ligero. Sise utilizan alguno de estos dos sistemas no se recurrirá a las trampas enfriadas por freón.Harán decrecer las presiones parciales de los intermedios ligeramente, no bombeando losfragmentos más ligeros y no estarán necesitados para bombear grandes moléculas. Los efectos de varias trampas, baes y barreras contra el arrastre hacen ver que laadición de un bae refrigerado con agua entre la trampa de nitrógeno líquido y la bombano es mejor que la adición de una tubería recta o un codo de la misma longitud. Sedemuestra que para una bomba con bae la adición de estructuras con válvulas debajodel bae reducirán la contracorriente. La adición a un bae de tres mitades de chevróncirculares darán un rango neto de contracorriente 10 veces menor que si sólo estuviera elbae, pero no se reducirá la velocidad de bombeo. El efecto Herrick y la ráfaga de uido resultan de la formación y colapso del chorrosuperior y son dos fenómenos transitorios que causan también contracorriente. El efectoHerrick es la eyección de uido congelado en forma de gotas desde la supercie de unatrampa cubierta de uido durante los primeros instantes de enfriamiento con nitrógenoJavier García Molleja 21
  22. 22. 3 MEDIDORES DE VACÍOlíquido. Estas gotas de uido rebotan en las paredes y en el suelo de la cámara, ya seacomo partículas aisladas o agregados enormes. Para aumentar el rendimiento de la bombase diseña una buena tapa fría y un bae refrigerado por agua seguido de una trampa denitrógeno líquido que trabaja continuamente. La contracorriente decrece cuando el ui-do se enfría y alcanza un pico que es aproximadamente el doble del valor en el estadoestacionario durante el calentamiento de aquél. También existe un pico durante el enfri-amiento. La contracorriente medida para un ciclo completo es de 5 · 10−4 mg/cm2 . Estaclase de contracorriente puede ser evitada por una continua operación de la bomba dedifusión o utilizando algunas de las técnicas para uir el gas. Utilizando uidos de alta calidad, de baja presión de vapor, y anti arrastre y utilizandocontinuamente una trampa de nitrógeno líquido, la contaminación debida al bombeo deuido en contracorriente se hará muy pequeña, ya que este valor está por debajo de losniveles producidos por los aros y otras fuentes. Por tanto, la contracorriente de un uidoen una bomba de difusión que opera a alto vacío es sólo una fuente de contracorrienteorgánica.3. Medidores de vacío3.1. Medidor de conductividad térmica [Chambers, 89] Se basa en el hecho de que la conductividad térmica de un gas es proporcional a lapresión del gas en el rango de 0,5−5·10−4 mbar. El medidor de Pirani usa esta propiedad.Esencialmente consiste de un lamento caliente donde la corriente que pasa por éste semantiene constante. Si este valor comienza a variar aparecerá una resistencia que se midemientras el lamento alcanza la temperatura y por lo tanto la resistencia queda determi-nada por la pérdida de calor a una presión dada. Los cambios en la temperatura ambienteson compensados por un puente de Wheatstone. En otras versiones la temperatura del l-amento se mantiene constante y el cambio de tensión de detecta con el cambio de presiónasí pues causando un cambio de la tasa de pérdida caloríca. Figura 24: Medidor de Pirani y detalle del puente de Wheatstone22 Javier García Molleja
  23. 23. 3 MEDIDORES DE VACÍO3.2. Medidor de cátodo caliente [Lewin, 65] En la región de alto y ultra alto vacío, donde la densidad de partículas es muy pequeña,no es posible en muchos casos detectar diminutas fuerzas que resultan de la transferenciade momento o de energía entre el gas y las paredes sólidas. El principio básico utilizadopara medir presiones inferiores a 10−3 Pa es la ionización de las moléculas del gas y sureunión para una amplicación por un circuito sensible a su presencia. Cada caso de la medida de la ionización posee un mínimo valor de la presión a laque llegará, que será cuando la corriente de las partículas ionizadas se iguale a la con-tracorriente residual. La mejor de estas mediciones tiene el límite inferior en el orden de10−11 − 10−12 Pa. Debemos decir que en condiciones muy especiales se pueden conseguirlímites aún más bajos, pero hay que tener en cuenta el ruido del sistema que puede hacerperder la señal de medida. En las circunstancias anteriores el gas adsorbido puede serrecolectado en una supercie concreta durante bastante tiempo y por variaciones de lapresión será desorbido creando así una lectura. El medidor de vacío que vamos a considerar está basado en la ionización de las molécu-las del gas por el impacto de electrones y la consecuente colección de los iones por uncolector. Esta corriente positiva es proporcional a la presión si el resto de parámentrosse mantienen constantes. De hecho, el número de iones positivos creados es proporcionala la densidad numérica; la medida de ionización no mide realmente la presión, sino ladensidad de partículas, que será proporcional a la presión si la temperatura es constante. El medidor de triodo consiste en un lamento rodeado por una rejilla helicoidal de granlongitud, actuando como un colector de iones cilíndrico. Los electrones emitidos por ellamento calentado son acelerados hacia la rejilla, que está a un potencial positivo de 150V. El colector externo posee un potencial de −30 V y podría recoger los iones positivosgenerados en el espacio que hay entre el lamento y el colector de iones. La mínimapresión que registra es 10−6 Pa, pero no da lecturas más bajas aunque otros sistemas demedida indiquen que el valor de la presión está por debajo de ese valor. Esto se debe a unproceso de emisión de rayos X producido por las colisiones de los electrones con la rejilla.Los fotones creados se dirigen hacia el colector dando una corriente electrónica que vadel colector a la rejilla. También la fotoemisión de la radiación ultravioleta creada por ellamento puede afectar. Esto conlleva que las corrientes generadas enmascaren los valoresde presión por debajo de este límite. Bayard y Alpert diseñaron un medidor en el que el gran colector era sustituido con unno cable localizado en el centro de la rejilla. Debido a su pequeña supercie la recepciónde rayos X será insignicante, pudiendo llegar al límite de 10−8 Pa. Es uno de los sistemasde medición de vacío más utilizados actualmente y se puede utilizar envueltos en unacámara de vidrio o en la propia base metálica de la cámara.Javier García Molleja 23
  24. 24. 3 MEDIDORES DE VACÍO Figura 25: Detalle de un medidor de BayardAlpert La proporcionalidad entre la corriente y la presión está dada por ic = S ie pdonde ic es la corriente de la cámara de vacío, ie es la corriente de emisión y S es lasensibilidad del cámara de medición. Ésta posee dimensiones de la inversa de la presióny depende de la geometría de la cámara, las tensiones de la cámara y la rejilla, el circuitode control y la naturaleza del gas que está siendo medido. Para un diseño estándar y convalores conocidos la sensibilidad del nitrógeno es 0,07 Pa−1 . La sensibilidad para otrosgases varía con la probabilidad de ionización. La relación entre la medida de presión y la presión desconocida es S(N2 ) p(x) = p(N2 ) S(x)que por normalización tomaremos que S(N2 ) = 1. De esta manera podemos medir laspresiones de otros gases a partir del nitrógeno. La sensibilidad de la medición normalmentees de microamperios de la corriente de la cámara por unidad de presión por unidad decorriente de emisión (indicada por el fabricante). Es una manera complicada de indicarque la unidad de la sensibilidad es la inversa de la presión, pero así tenemos en cuenta elproceso de calibración. El circuito de control se diseña para estabilizar los potenciales y la corriente de emisióndurante la medición de la corriente de la cámara. Es necesaria una buena calibración, cuyaefectividad dependerá de la calidad de la instalación. Es más, con un circuito integradose puede regular la variación de la corriente de emisión. El iridio con tungsteno o thorio son los lamentos más utilizados. El iridio thoriadono se destruye cuando se somete a altas presiones, pero puede producir gases tóxicos24 Javier García Molleja
  25. 25. 3 MEDIDORES DE VACÍOal contactar con vapores de hidrocarburos. El desgaseado de los medidores de iones estádotado de un calentamiento directo o de bombardeo electrónico. La rejilla puede calentarsesi está a una tensión baja y es recorrida por una alta corriente o también al ser conectadaa una alta tensión causando un calentamiento por bombardeo de electrones. Es mejoresperar a que la presión alcance un mínimo para empezar a desgasear. Una cámara demedición no calentada debería se desgaseada hasta que se completase la desorción en lasparedes. El proceso debe durar 20 minutos y periódicamente debería producir desgaseadospara limpiar los electrodos. A presiones superiores que 10−2 Pa se reduce el número de electrones capaces deproducir ionización por colisión y la sensibilidad aparente se reduce. Además, el caminolibre medio se reduce y las difusiones pueden impedir que toquen el colector. Para estoscasos Schulz y Phelps diseñaron un medidor. La pequeña separación entre los electrodosen la cámara es ideal para altas presiones, aunque el proceso de ionización se reduce. Sucapacidad para leer bajas presiones está limitada por la generación de rayos X, por lo queha de cuidarse su colocación cuando se trabaje con plasmas.Javier García Molleja 25
  26. 26. 4 CONCEPTOS BÁSICOSParte IIEl plasma4. Conceptos básicos [Chen, 06] [Delcroix, 68] [Galeev, 79] [Roth, 95] Un plasma es una colección eléctricamente neutra (de manera aproximada) de cargaspositivas y negativas que, en la mayoría de aplicaciones de interés industrial, interactúafuertemente con un gas neutro de fondo. La presencia de partículas cargadas en el plasmahace que también responda fuertemente con los campos eléctricos y magnéticos. El régimen colisional del plasma en el que nos centraremos para nuestro posteriorestudio es la aproximación lorentziana, que es una teoría del plasma basada en el gaslorentziano. Esta teoría argumenta que dentro del gas hipotético los electrones, se supone,no interaccionan entre sí y se considera que los iones positivos permanecen en reposo.Los electrones sufren colisiones binarias con un gas neutro de fondo que actúa comoun absorbente innito de energía y momento proviniente de la población de electronescolisionales. Un renamiento del gas lorentziano es el modelo de Krook, en el cual eltiempo efectivo de colisión es independiente del momento y energía de la partícula. Estoes a veces una buena aproximación de las interacciones de los electrones con gases nobles. Existen otros modelos que describen otros regímenes en los que se puede encontrarel plasma. Estos modelos son el de BoltzmannVlasov encargado de analizar plasmascompletamente ionizados, y el modelo de FokkerPlanck que estudia plasmas altamenteturbulentos. En condiciones de densidades muy bajas no hay muchas colisiones entre partículasindividuales y el comportamiento del plasma se estudia de acuerdo a las trayectorias delas partículas cargadas. Éste es el análisis microscópico del plasma en donde se analiza elmovimiento de cada carga inmersa en un campo eléctrico (ya sea uniforme, no uniforme ovariable con el tiempo) o en un campo magnético (uniforme, no uniforme o variable con eltiempo), incluso ambos campos pueden actuar a la vez formando sus direcciones cualquierángulo. Al ir aumentando la densidad el plasma se empezará a comportar como uido. Eneste caso se parte de la función de distribución de velocidades f (r, v, t) de cada especiey se aplica en la llamada ecuación de Boltzmann para obtener ecuaciones macroscópicasnecesarias para comprender el comportamiento del plasma en este régimen colectivo. Lasecuaciones serán: la de conservación de las partículas; la de transporte de la cantidad demovimiento, y la de transporte de la presión cinética.26 Javier García Molleja
  27. 27. 5 PARÁMETROS DEL PLASMA5. Parámetros del plasma5.1. Apantallamiento de Debye [Baumjohann, 96] [Lieberman, 94] [Roth, 95] La propiedad por la que el plasma posee de manera aproximada el mismo número departículas positivas que de negativas se denomina cuasi-neutralidad. Para que el plasmasea cuasi-neutro en el estado estacionario, es necesario tener casi el mismo número decargas de un signo y de otro por elemento de volumen. Tal elemento de volumen debeser lo sucientemente grande para contener el suciente número de partículas, y lo su-cientemente pequeño respecto a las longitudes características de las variaciones de losparámetros macroscópicos tales como la densidad y la temperatura. En cada elemento devolumen los campos de carga espacial microscópicos de los portadores de carga individua-les deben cancelarse con los otros para conseguir la neutralidad de carga macroscópica. Para conseguir que el plasma aparezca eléctricamente neutro, el campo potencial deCoulomb eléctrico de cada carga, q q ΦC = 4πε0 rcon ε0 siendo la permitividad del espacio libre, es apantallado por las otras cargas en elplasma y el potencial de Debye asume la forma q − r ΦD = e λD 4πε0 ren el cual la función exponencial presenta un corte en el potencial a distancias r λD .La escala característica de longitud, λD , se denomina longitud de Debye y es la distanciasobre la cual se obtiene un balance entre la energía térmica de la partícula, que tiendea perturbar la neutralidad eléctrica, y la energía potencial electrostática resultante decualquier separación de carga, que tiende a restaurar la neutralidad de carga. Se puede demostrar que la longitud de Debye es una función de las temperaturaselectrónica e iónica, Te , Ti , y de la densidad del plasma, ne ≈ ni (suponiendo iones simplescargados) ε0 kB Te λD = ne e2donde hemos asumido que Te ≈ Ti y donde kB es la constante de Boltzmann y e lacarga del electrón. Se puede dar una denición más exacta para la temperatura. Tambiénpodemos utilizar los términos temperatura y energía media, W = kB T como sinónimos. Para que el plasma sea cuasi-neutro, la dimensión física del sistema, L, debe ser grandecomparada con λD λD L.Javier García Molleja 27
  28. 28. 5 PARÁMETROS DEL PLASMADe otra manera no habría suciente espacio para que el efecto de apantallamiento colectivoocurra y se tendrá un simple gas ionizado. Este requerimiento se conoce como el primercriterio del plasma. Un electrodo o pared en contacto con el plasma normalmente afectará sólo a susalrededores más inmediatos del plasma. A menos que hayan grandes ujos de corrienteen el plasma, o que sea altamente turbulento, un plasma tenderá a formar una vainasupercial para apantallarse él mismo de los campos eléctricos aplicados. La distancia deapantallamiento característica es aproximadamente igual al espesor de la vaina que se for-ma entre el plasma y la pared envolvente. En las vainas no se verica la cuasi-neutralidad.Según esta descripción el plasma siempre estará separado de la pared mediante vainas.Figura 26: La conducta de electrones y parámetros del plasma en una vaina entre unapared polarizada negativamente y un plasma a potencial cero. Se indica un esquema delos perles de potencial y densidad numérica de partículas cargadas en la vaina5.2. Parámetro del plasma [Baumjohann, 96] Ya que el efecto de apantallamiento es el resultado del comportamiento colectivo dentrode la esfera de Debye de radio λD , es necesario que esta esfera contenga las sucientespartículas. El número de partículas dentro de la esfera de Debye es 4π ne λ3 . El término 3 Dne λ3 se denomina normalmente parámetro del plasma, Λ, y el segundo criterio para un Dplasma es Λ = n e λ3 D 1.5.3. Frecuencia del plasma [Baumjohann, 96] [Mochán] [Roth, 95]28 Javier García Molleja
  29. 29. 5 PARÁMETROS DEL PLASMA La frecuencia de oscilación típica en un plasma completamente ionizado es la frecuenciadel plasma electrónica, ωpe . Si la cuasi-neutralidad del plasma está distorsionada poralguna fuerza externa, los electrones, teniendo más movilidad que la mayoría de los ionespesados, son acelerados en un intento de restaurar la neutralidad de la carga. Debidoa su inercia se moverán más allá de su posición de equilibrio, resultando una oscilacióncolectiva rápida alrededor de los iones más masivos. Se puede ver que la frecuencia delplasma depende de la raíz cuadrada de la densidad del plasma. Con me siendo la masadel electrón, ωpe se escribe como ne e2 ωpe = m e ε0 Típicamente, esta frecuencia es mucho mayor que la frecuencia térmica kB T , donde kBes la constante de Boltzmann, T es la temperatura, y es la constante de Planck reducida,así que la cuantización de las oscilaciones del plasma deben ser consideradas cuando sedescriba la dinámica electrónica de los sólidos. Una oscilación cuantizada del plasma deun conductor, con una energía típica de Ep = ωpe , se conoce como plasmón. La frecuencia electrónica del plasma dada por la expresión matemática de arriba escrítica para la propagación de radiación electromagnética en plasmas. Consideremos unbloque de plasma. Una fuente de radiación lanza ondas electromagnéticas con frecuencia ωhacia el bloque. Esta radiación será mayoritariamente reejada o transmitida, dependiendode la relación entre la frecuencia de la fuente ω y la frecuencia electrónica del plasma,ωpe . Si la radiación electromagnética incide en el bloque con una frecuencia por debajo deωpe , los electrones del plasma responderán al campo eléctrico de la onda electromagnéticay extraerán energía de ella. Si hay colisiones u otros procesos disipativos en el plasma,la onda electromagnética se amortiguará y la energía de la onda se convertirá en energíacinética de los constituyentes del plasma. Otra consecuencia de una radiación incidente pordebajo de la frecuencia electrónica del plasma es que los electrones individuales cercanosa la supercie del plasma actuarán como dipolos en miniatura y re-irradiarán la radiaciónincidente, reejándola del plasma. Si la radiación electromagnética incidente posee una frecuencia por encima de la fre-cuencia electrónica del plasma, los electrones poseen demasiada inercia para responderal campo eléctrico de la onda y la radiación será capaz de propagarse en el plasma sinreexiones ni atenuaciones signicativas. Por último, si consideramos el tiempo medio entre dos colisiones electrón-neutro, τn ,se verica que ωpe τn 1.Éste es el tercer criterio para un medio ionizado que se comporta como un plasma.Javier García Molleja 29
  30. 30. 6 DESCARGA ELÉCTRICA A BAJA PRESIÓN6. Descarga eléctrica a baja presión [Roth, 95] [Von Hippel, 54] Consideremos para mayor claridad un tubo de vidrio evacuado, con electrodos conforma de discos circulares en cada extremo y conectados a una fuente de potencia DC dealta tensión. Ajustando un reóstato R, se puede barrer la curva característica de tensión-corriente, la cual es altamente no lineal. En el plasma, los electrones migran hacia el ánodoy los iones positivos hacia el cátodo, ambos colisionando frecuentemente con el gas neutrode fondo.Figura 27: Característica tensión-corriente de un tubo de descarga eléctrica DC a bajapresión Si se considera un tubo de descarga como el anteriormente descrito y va aumentando latensión V, mientras se mide la corriente I que uye a través del tubo, la descarga trazaráuna curva que podremos medir. Comenzando a la tensión más baja posible (parte izquierdainferior de la gura), la región entre A y B de la curva es el régimen de ionización de fondo,en el cual la tensión creciente barre una gran fracción, cada vez mayor, de iones y electronesindividuales creados por rayos cósmicos y otras formas de radiación de ionización de fondo.En el régimen de saturación entre B y C, todos los iones y electrones producidos porradiación de fondo son eliminados del volumen de la descarga y los electrones no poseensuciente energía para crear nuevas ionizaciones. En la región de C a E, el régimen deTownsend, los electrones en el volumen de la descarga adquieren suciente energía del30 Javier García Molleja
  31. 31. 7 TRATAMIENTO DE SUPERFICIEScampo eléctrico para que ionicen algunos neutros del gas de fondo, dando un crecimientomuy rápido, exponencial, de la corriente como función de la tensión. En la región entre Dy E, ocurrirán las descargas corona unipolares, como resultado de concentraciones localesde campo eléctrico sobre la supercie de los electrodos en puntos alados, bordes abruptoso asperezas. Estos campos eléctricos localmente fuertes excederán la intensidad de rupturadel gas neutro que los rodea. Cuando la tensión se incrementa más allá del valor VB , en elpunto E, ocurrirá la ruptura eléctrica. El régimen entre A y E en la curva tensión-corrientese denomina descarga oscura debido a que, excepto por las descargas corona y la propiachispa de ruptura eléctrica, la descarga permanece invisible al ojo. Una vez que la ruptura eléctrica se da en el punto E, la descarga realiza una transiciónal régimen de descarga glow (luminiscente), en la cual la corriente es bastante alta, al igualque la cantidad de excitación del gas neutro de fondo, por lo que el plasma es visible alojo humano. Después de una transición discontínua de E a F, nos encontramos entoncesen la región de glow normal de la curva tensión-corriente, en la que la tensión a travésde la descarga es casi independiente de la corriente en varios órdenes de magnitud enla corriente de descarga. Si se incrementa la corriente de F a G, la fracción del cátodoocupada por el plasma incrementa, hasta que el plasma cubre toda la supercie del cátodoen el punto G. En este punto, la descarga entra en el régimen glow anormal que va deG hasta H, en la que la tensión vuelve a incrementar en función de la corriente. Si secomienza en el punto G de la curva y se recorre a ésta hacia la izquierda, se observaríaun tipo de histéresis en la curva tensión-corriente, cuando, en vez de desandar el caminode F a E, la descarga se mantiene a sí misma en el régimen glow normal hasta el puntoF, situado a corrientes y densidades de corriente considerablemente menores que en F, yentonces realizará la transición hacia el régimen Townsend. En el punto H, la densidad de corriente en el cátodo puede llegar a ser sucientementegrande como para calentar el cátodo hasta la incandescencia, así pues se desencadenauna transición glow-a-arco discontínua, señalada por la línea de puntos entre H e I. Trasesta transición, la descarga se establece en algún punto entre I y K que dependerá dela resistencia interna de la fuente de energía DC. El régimen de arco, de I hasta K,es el régimen en el que la tensión de descarga decrece mientras aumenta la corrientehasta que se alcanzan grandes corrientes en el punto J, tras el cual otra vez la tensiónaumenta lentamente con un incremento de corriente. El régimen de la caída de tensiónrespecto al aumento de corriente entre I y J es el régimen de arco no térmico, en el que lastemperaturas electrónica, iónica y del gas son diferentes. La porción de pendiente positivaentre J y K es el régimen de arco térmico, en el que el plasma está cerca del equilibriotermodinámico y la temperatura de todas las especies son prácticamente iguales.7. Tratamiento de supercies [Feugeas, 03]Javier García Molleja 31
  32. 32. 7 TRATAMIENTO DE SUPERFICIES Los tratamientos de supercies se aplican para proteger a las piezas de los agentesexternos, aumentando las propiedades de resistencia a la corrosión, al desgaste a la friccióny conriendo mayor dureza y evitando la rugosidad excesiva. Una supercie puede sercambiada de dos maneras: mediante la modicación de las capas superciales del material base mediante la deposición de una capa de un determinado compuesto sobre la supercieEs posible aplicar estos tratamientos bajo la presencia y ayuda de un plasma, eliminandoasí las limitaciones que presentan los otros tipos de tratamiento, mejorando además lareproducibilidad a diferentes escalas y la práctica ausencia de contaminantes. A continuación iremos indicando de manera resumida los procesos que nos encontramosdentro de los dos grupos previamente descritos.7.1. Modicación de las capas superciales: Difusión atómica [Ricard, 96] [Rie, 97] Este tipo de tratamiento se basa en la exposición del sustrato a especies activas, demanera que éstas sean absorbidas por la supercie. Una vez integradas a la misma seponen en marcha los mecanismos de difusión gobernados por la Ley de Fick : Γ = −D · n,donde Γ es el ujo de partículas, D es el coeciente de difusión y n es el gradiente dedensidad de la especie difundiéndose en el material.Figura 28: Los iones del plasma son dirigidos por el campo eléctrico a la supercie dela pieza. Éstos pierden su carga eléctrica siendo adsorbidos y absorbidos, difundiéndosecomo átomos por temperatura hacia el interior del material.32 Javier García Molleja
  33. 33. 7 TRATAMIENTO DE SUPERFICIES En este caso, por tratarse de un proceso que se lleva a cabo en condiciones cuasi-estacionarias, ocurren en equilibrio termodinámico. Es este aspecto el que marca la difer-encia con el caso de la implantación iónica, en donde las especies penetran físicamentecomo proyectiles. Este mecanismo es el que tiene lugar, por ejemplo, en procesos tradi-cionales como la nitruración por baño de sales fundidas o en atmósfera gaseosa. En estostipos de tratamiento, las piezas a tratar son ubicadas en el medio activo y calentadas, demanera que el nitrógeno liberado en las reacciones químicas es absorbido por la superciepara luego migrar por difusión al interior del material. Pero estos procesos tradicionalespresentan el inconveniente de que para que el medio sea activado son necesarias condi-ciones de temperaturas muy estrictas, que compiten con las necesarias para controlar ladifusión al interior del sustrato en los niveles deseados. Sin embargo, es posible lograr este tipo de proceso utilizando como medio activo a unplasma normalmente generado en descargas de tipo glow. En estas condiciones tenemosun plasma fuera del equilibrio termodinámico y los electrones tienen energías cinéticas(o lo que es equivalente, temperaturas Te ) elevadas. Estos electrones al colisionar con lasmoléculas del gas pueden excitarlas electrónica, vibracional y rotacionalmente, pudiendollegar a disociarse o dar origen a reacciones químicas entre ellas. e + X → X∗ Y + X ∗ → W + Z.La primera reacción muestra por ejemplo del proceso de excitación de la molécula Xpor la colisión con un electrón e. La molécula excitada X ∗ luego reacciona con otra Ydando como resultado otras dos moléculas, W y Z. Sin embargo, para que esta segundareacción se produzca es necesaria previamente la reacción anterior. Las condiciones depresión tienen que ser tales que los caminos libres medios λ sean lo sucientemente cortoscomo para asegurar un gran número de colisiones entre los electrones y las moléculas, yentre ellas. La energía de los electrones necesaria para mantener la primera reacción estágarantizada en este tipo de plasmas por la temperatura elevada de los mismos. El proceso de cementación iónica se emplea para endurecer la supercie de piezas demetal. La pieza de metal es el cátodo de una descarga glow que se produce dentro deun dispositivo de calentamiento a temperaturas hasta 1000o C. La presión de trabajo serámuy inferior a la atmosférica. Un gas típico que se utiliza para llevar a cabo el proceso esel metano, CH4 , aunque también es posible realizar el tratamiento usando otros gases dehidrocarburos. En el proceso de cementación iónica, las especies activas neutras e iónicasse producen en el plasma. Los iones son acelerados en la vaina del cátodo (la pieza a sertratada) y entonces se calienta por impacto iónico. La clave del proceso de cementaciónes el control de la producción de especies activas y la temperatura del plasma. A partirde la espectroscopía de emisión se puede determinar la temperatura del gas y compararlacon la temperatura del sustrato, además de determinar la concentración de carbono enlas cercanías del sustrato, su nivel de excitación, etc.Javier García Molleja 33
  34. 34. 7 TRATAMIENTO DE SUPERFICIES En el caso de la cementación los valores operacionales son muy parecidos a los que seusan en la nitruración. La tensión que genera la descarga glow se sitúa entre 400 − 600 Va una presión de ≈ 3,75 Torr. Esto hace que el camino libre medio sea lo sucientementepequeño como para que haya multitud de colisiones y lo sucientemente grande como paraque la partícula llegue antes de colisionar con una energía mayor de la de ionización. Du-rante el proceso, los iones calientan el sustrato y contribuyen al proceso de cementación,ya que favorece la difusión. También los radicales neutros son especies activas que nor-malmente están en mayores densidades que los iones y tienen la particularidad de que noson destruidos en las paredes cerámicas o de vidrio del tubo.Figura 29: Reactor de nitruración y/o carburación iónica. Los iones positivos son acel-erados hacia el cátodo. En este caso, el cátodo es la pieza a nitrurar que se halla en elinterior de la cámara de vacío. El ánodo son las paredes de la cámara y se halla a potencialde tierra. Las tensiones aplicadas normalmente se hallan entre 400 y 600 V. El tipo dedescarga corresponde a la región glow En un proceso industrial la cementación se realizará en una cámara de vacío con unsistema de evacuación de gases que permita llegar a una presión ≤ 7,5 · 10−4 Torr. Almismo tiempo debe existir otra válvula que ingrese en la cámara los gases reactivos hastala presión de trabajo óptima. La idea principal es que al llegar el carbono a la supercie,éste entre en el interior del material por un proceso de difusión. Experimentalmente seobserva que a la supercie llegan neutros e iones, ambos excitados, tanto de C, como deC2 y de CH. Sin embargo, en este caso, como las especies son aceleradas hacia el cáto-do, éstas adquieren energías cinéticas sucientes como para penetrar físicamente algunos34 Javier García Molleja
  35. 35. 7 TRATAMIENTO DE SUPERFICIESnanómetros favoreciendo este proceso primario de absorción. Esto es en sí mismo unaventaja frente a los procesos tradicionales basados en reaccions químicas solamente. Experimentalmente, se tiene que la difusión del carbono en la fase γ (austenita) in-crementa la resistencia al desgaste profundo de la pieza. De todas maneras, previamentees necesario consultar el diagrama Fe-C para saber a qué temperatura cuál fase es establey así conoceremos las diferentes capas que aparecen durante el proceso. A partir de lasmicrografías pueden estudiarse a posteriori las capas presentes en el acero tratado y me-diante los espectros de difracción de rayos X se coleccionan y se caracterizan las capasque se obtienen en un tratamiento bajo ciertas condiciones, ayudando así a reproducir lassesiones con idénticos resultados. Las piezas de acero son muy sensibles a la oxidación que se produce por impurezasde aire o agua. También se tiene que la capa de óxido desaparece cuando se introduceuna cantidad de metano. Por otra parte, el hidrógneo aumenta la eciencia del proceso decementación, luego en principio (aunque no está totalmente demostrado) la presencia dehidrógeno elimina el oxígeno de las impurezas. Por todo esto, podemos suponer entoncesque los átomos de hidrógeno que porta el metano se dedican a eliminar esta capa. Paraevitar aún más si cabe la formación de esta capa indeseable se añade gas hidrógeno enel proceso iónico estándar. Normalmente, el hidrógeno se puede introducir en la parteinicial del tratamiento (cuando la temperatura de la pieza está subiendo) para eliminarpor consiguiente a estos óxidos nativos.7.1.1. Capa supercial libre de compuestos En muchos casos es esencial que la cementación supercial evite que en la mismase desarrollen otros compuestos. Se puede solucionar utilizando una conguración de loselectrodos denominada triodo que permite trabajar con presiones de llenado inferiores ytensión de 200 V. Con este tipo de conguración se pueden conseguir capas de difusión deelevada dureza y gran espesor. Es posible la obtención de este tipo de estado supercialnal utilizando reactores de conguración bipolar. Como estado supercial nal, las capas libres de compuestos resisten mejor la fatiga, alser el proceso a baja temperatura (lo que origina precipitados muy nos y muy unidos). Almismo tiempo, deja la supercie con baja rugosidad. Si se aplica este proceso a los acerosinoxidables austeníticos y ferríticos conseguimos mejorar sus propiedades sin las pérdidasde sus propiedades anticorrosivas. La cementación iónica en condiciones especiales permitelograr en tiempos de proceso muy cortos capas de una fase conocida como austenitaexpandida (austenita distorsionada por la presencia de carbono en solución) que aumentala resistencia al desgaste y le otorga una microdureza alta.Javier García Molleja 35
  36. 36. 7 TRATAMIENTO DE SUPERFICIES7.1.2. Desarrollo de capa de compuestos En determinadas condiciones de cementación el resultado nal consiste en el desarrollode una capa supercial de compuestos (capa blanca ) con espesores que oscilan entre unosmicrómetros y decenas de micrómetros, seguidos de una región caracterizada por unasolución sólida de carbono en la matriz. Dependiendo de las condiciones del tratamiento yla naturaleza del sustrato los compuestos normalmente desarrollados en la supercie son deun tipo u otro, aunque también puede encontrarse una mezcla de ellos. Debe evitarse dañaral material base; de ahí los tiempos cortos y las bajas temperaturas de los tratamientos.También podemos tratar parcialmente la supercie evitando zonas no deseadas y ahorran-do coste al no tener que considerar las partes que no necesitan tratamiento. Utilizandofuentes de tensión pulsada es posible cementar cavidades.7.1.3. Ventajas del proceso La gran cantidad de variables externas gobernables en forma independiente duranteel proceso de cementación iónica hacen que se puedan adaptar convenientemente al tipode acero y a los resultados deseados. Las variables más importantes son: Concentración de las especies activas durante el proceso Temperatura del proceso Densidad de corriente Energía de incidencia de las especies activas Presión de llenado Tiempo de proceso No contaminante7.2. Deposición de capas sobre la supercie: Deposición física en fase vapor asistida por plasmas Este concepto se basa en la generación de un plasma de un gas reactivo (por ejemplo,N2 ) y la emisión de átomos de un metal (por ejemplo Al) mediante un proceso de evap-oración o de sputtering, de manera que permite la combinación de las especies para darlugar a un determinado compuesto (por ejemplo, AlN). Este compuesto es incorporadoal plasma pudiendo ser ionizado por colisión electrónica y dirigiéndose preferentementehacia el cátodo, lugar donde se halla la pieza a recubrir. Si tenemos la muestra sobre elcátodo diremos que está polarizada. Polarizar la muestra no es necesario en este procesoaunque ayuda a mejorar la tasa de deposición si esta muestra es conductora. En caso de36 Javier García Molleja
  37. 37. 7 TRATAMIENTO DE SUPERFICIESque tengamos la muestra sin polarizar ésta estará a un potencial otante. Una gran can-tidad de compuestos pueden ser generados siguiendo este mecanismo, como por ejemploel WC (mediante la generación de C en descargas tipo glow en CH4 y el sputtering deW), el CrN (plasma de N2 y evaporación de Cr), TiCN (evaporación de Ti en un plas-ma de N2 y CH4 ), el TiN (plasma de nitrógeno y evaporación de Ti), etc. Este tipo deproceso permite, además de la elección del compuesto a desarrollar según las propiedadesdeseadas para la supercie a recubrir, el diseño de la interfase permitiendo optimizar laadherencia mediante la reducción de los gradientes de tensiones residuales y de microdureza, la compatibilidad química, etc. La versatilidad de este concepto se puede inferirconsiderando que sin la necesidad de la apertura a una atmósfera de la cámara de reacción,es posible modicar fácilmente las variables del proceso, obteniendo recubrimientos de es-tructuras complejas. Con sólo cambiar la naturaleza de los gases reactivos que ingresanen la cámara, o la naturaleza de los materiales a evaporar, además de otros parámetrosauxiliares como la presión de llenado, la temperatura de proceso, corrientes de descarga,etc., es posible cambiar totalmente la naturaleza de los compuestos a depositar. Es posiblepor ejemplo, la deposición de recubrimientos multicapas consistentes en una sucesión deláminas delgadas de diferentes compuestos.Figura 30: Deposición Física en Fase Vapor Asistida por Plasma (PAPVD). En un plas-ma de especies activas los iones son acelerados hacia la supercie del material a recubrirconectada a potencial de cátodo. Metales compuestos son evaporados generándose áto-mos o moléculas del mismo que interactúan con el plasma. Se produce la formación deuna molécula por combinación de ambas especies que nalmente se depositan sobre lasupercie del acero a recubrir. Con el n de mejorar la adherencia al sustrato por ejemplo, se han desarrollado pro-cesos en donde previo a la deposición de las capas duras, la supercie del sustrato essometida a un proceso de difusión iónica para generar una capa supercial con el com-puesto en solución sólida. Para ello se toma en cuenta la posibilidad de trabajar en unaJavier García Molleja 37
  38. 38. 7 TRATAMIENTO DE SUPERFICIESconguración de electrodos conocida como triodo en donde la difusión puede efectuarse apresiones reducidas. Este tipo de tratamiento se conoce como dúplex. En los procesos PAPVD, los plasmas son generados normalmente en descargas tipoglow DC, tratándose en consecuencia de plasmas fríos fuera del equilibrio termodinámico.Las técnicas son similares al proceso de modicación de supercie mencionado anterior-mente, pero a presiones normalmente más bajas. Los átomos metálicos son provistos comonorma general por algunos conceptos tecnológicamente bien desarrollados como la evap-oración por haces de electrones, por cátodo hueco, por descaga catódica u otras técnicascomo el sputtering (mediante el uso del magnetrón, por ejemplo). El uso de cualquiera deellos dependerá de los resultados deseados, ya que según el tipo de recubrimiento deseado,alguno de los conceptos mencionados resultará de mayor conveniencia. El proceso de deposición mediante sputtering usando la conguración de magnetronesse emplea para endurecer la supercie de piezas de metal, así como la fabricación de com-puestos de propiedas piezoeléctricas y ópticas. La pieza a tratar será de silicio monocristal-ino la cual estará a potencial otante en la cámara de reacción y se calentará por impactode partículas. La presión de trabajo será muy inferior a la atmosférica. El gas típico quese usa para depositar láminas es el Ar, aunque también es posible realizar el tratamientomezclándolo con otros gases reactivos, tales como el N2 . En el proceso de sputtering pormagnetrones el gas de trabajo se ioniza, quedando los electrones atrapados por los camposmagnéticos que poseen los magnetrones. Con esto se logrará connar a estas partículaspara producir más ionizaciones provocando que multitud de átomos y moléculas ionizadasse dirijan hacia el blanco del magnetrón, lugar que hace de cátodo y donde se localizala pieza a evaporar. Una vez eyectado el material del blanco se dirigirá hacia el sustra-to, pudiendo ionizarse en el trayecto y combinarse con algún gas reactivo presente en lacámara. En el método de sputtering magnetrón los valores de operación son de fácil identi-cación. La descarga glow se logra aplicando una tensión de 200 − 400 V a una presión de≈ 6 · 10−3 Torr. Esto hace que el camino libre medio de las partículas que intervienen en elproceso sea muy grande para que no se den colisiones que desvíen al blanco en su caminohacia el sustrato o que disminuyan la energía con la que llega, alterando por tanto la tasade deposición y el crecimiento laminar. Durante el proceso, estos agregados calientan alsustrato favoreciendo la movilidad en la supercie para un crecimiento de la estructuracristalina. Si el sustrato no está polarizado ha de mantenerse una presión baja para queel material se deposite en condiciones óptimas.38 Javier García Molleja
  39. 39. 7 TRATAMIENTO DE SUPERFICIESFigura 31: Esquema de un reactor PAPVD empleado para recubrir supercies de aceros.Es un sistema equivalente a los utilizados en procesos de nitruración iónica, sólo que laspresiones de llenado de gases son 2 ó 3 órdenes de magnitud inferiores. Para un uso industrial de esta técnica se requiere una cámara de vacío con un sistemade evacuación que logre conseguir una presión de ≤ 3 · 10−6 Torr en el interior de lacámara. También debe existir otra válcula que permita la entrada de gases reactivos en lacámara hasta conseguir la presión de llenado deseada. Debido a la multitud de colisionesen el blanco del magnetrón por parte de los iones del plasma el aumento de temperaturaen este dispositivo será un factor a tener en cuenta, por lo que se requieren condicionesde refrigeración por medio de agua para evitar la fusión del metal colocado en el blanco.7.2.1. Aplicaciones Es bien conocida la aplicación de los recubrimientos de TiN sobre aceros por la exce-lente protección que le coneren frente a la corrosión aumentando su dureza supercial,reduciendo la fricción y aumentando fuertemente la resistencia al desgaste. Su utilizaciónva desde el recubrimiento de herramientas de corte hasta dientes de engranaje, siendo uti-lizado en casi todo tipo de acero. Los espesores desarrollados son normalmente de algunosmicrómetros, dependiendo del tipo de aplicación y acero de que se trate. En la protecciónde matrices para plásticos, un acero fácilmente maquinable puede ser al mismo tiempoendurecido supercialmente y protegido satisfactoriamente contra la corrosión salina porla deposición de CrN. Los problemas de corrosión interfásica, asociados normalmente a lamicroporosidad generada durante la deposición por estos métodos, son resueltos generan-do en la interfase una capa de compuesto. Otro tipo de recubrimiento muy utilizado es el de WC, generado a partir de la evap-oración de W por cátodo hueco en un plasma de metano. Este tipo de recubrimientoJavier García Molleja 39
  40. 40. 7 TRATAMIENTO DE SUPERFICIESnormalmente viene precedido de la generación de una interfase de Co depositado previa-mente mediante su evaporación en una atmósfera de gas inerte a baja presión (normal-mente argón). El WC tiene una elevada dureza y le conere a la supercie del acero unagran resistencia al desgaste sobre todo del tipo abrasivo. Es muy utilizado en elementosdestinados a estar en contacto con suelos y rocas. Últimamente se han agregado otros tipos de recubrimiento como TiCN, TiAlN, TiZrNe incluso, aunque aún no existen equipos industriales destinados a tal n, Al2 O3 .7.2.2. Ventajas y desventajas de los procesos PAPVD Los procesos PAPVD presentan algunas ventajas frente a otros procesos alternativos.Algunas de ellas son: los compuestos son depositados dejando una supercie pulida que reduce el calen- tamiento por fricción cuando se halla en uso baja temperatura de deposición, lo que produce capas con tamaños de granos pe- queños, reduciendo además el riesgo de transformación del sustrato los recubrimientos resultan en capas relativamente uniformes sobre los bordes de corte lo que favorece la preservación del lo en herrmamientas de corte las capas de recubrimiento normalmente son generadas resultando con un estado de tensiones residuales en comparación elevado, evitando la propagación de eventuales surasEstas características de los recubrimientos mediante PAPVD tienen importante utilidaden herramientas destinadas a procesos de maquinado en general como roscado, fresado,torneado por la na terminación obtenida. Los aceros posibles de recubrir incluyen a losaceros de bajo carbono, los aceros aleados, aceros endurecidos, aceros inoxidables y aceroscon base de níquel de alta temperatura. Sin embargo, es importante mencionar algunosproblemas vinculados a este tipo de tratamientos como la generación de microporos en las capas depositadas que pueden favorecer la cor- rosión localizada en la interfase la dicultad de deposición de compuestos no conductores de la corriente eléctrica40 Javier García Molleja

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