Bomba de arrastre molecular
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Una bomba de arrastre molecular es un tipo de bomba de vacío que utiliza el arrastre de moléculas de aire contra una superficie giratoria. [1] El subtipo más común es la bomba Holweck , que contiene un cilindro giratorio con ranuras en espiral que dirigen el gas desde el lado de alto vacío de la bomba al lado de bajo vacío de la bomba. [2] El diseño anterior de la bomba de Gaede es similar, pero es mucho menos común debido a las desventajas en la velocidad de bombeo. [3] En general, las bombas de arrastre molecular son más eficientes para gases pesados, por lo que los gases más ligeros ( hidrógeno , deuterio , helio) constituirá la mayoría de los gases residuales que quedan después de hacer funcionar una bomba de arrastre molecular. [4]

La bomba turbomolecular inventada en la década de 1950 es una versión más avanzada basada en un funcionamiento similar y, a menudo, se utiliza una bomba Holweck como bomba de respaldo . La bomba Holweck puede producir un vacío tan bajo como 1 × 10 −8  mmHg (1,3 × 10 −6  Pa).

Historia

Gaede

La primera bomba de arrastre molecular fue creada por Wolfgang Gaede , quien tuvo la idea de la bomba en 1905, y pasó varios años en correspondencia con Leybold tratando de construir un dispositivo práctico. [5] El primer dispositivo prototipo que cumplió con las expectativas se completó en 1910, logrando una presión de menos de mbar . [6] En 1912, se habían creado doce bombas y el concepto se presentó en la reunión de la Sociedad de Física en Münster el 16 de septiembre de ese año, y en general fue bien recibido. [5]

Gaede publicó varios artículos sobre los principios de esta bomba molecular, [7] [8] y patentó el diseño. [9] El principio de funcionamiento es que el gas de la cámara está expuesto a un lado de un cilindro que gira rápidamente. Las colisiones entre el gas y el cilindro giratorio dan a las moléculas de gas un impulso en la misma dirección que la superficie del cilindro, que está diseñado para alejarse de la cámara de vacío y dirigirse hacia la línea delantera. Se utiliza una bomba de respaldo separada para bajar la presión en la línea delantera (salida de la bomba molecular). Si la bomba se opera a presiones lo suficientemente bajas como para que el gas esté en flujo molecular libre , a una velocidad dada, la bomba mantendrá una relación de presión constante del vacío,a la presión a la salida, conocida como la "relación de compresión", : [10]

La relación de compresión se puede estimar utilizando la teoría cinética de los gases calculando el flujo debido a las colisiones con las superficies giratorias y la velocidad de difusión en la dirección inversa. [11]

Esta "bomba molecular de Gaede" se usó en un experimento temprano que probaba medidores de vacío . [12]

Holweck

El diseño mejorado de Holweck fue inventado a principios de la década de 1920 por Fernand Holweck [13] [14] como parte de su aparato para su trabajo en el estudio de rayos X suaves . Fue fabricado por el fabricante francés de instrumentos científicos, Charles Beaudouin. [15] Solicitó una patente sobre el dispositivo en 1925. [16] La principal diferencia con la bomba Gaede fue la adición de una espiral, cortada en el cilindro giratorio o en la carcasa estática. Las bombas Holweck se han modelado teóricamente con frecuencia. [2] [17] [18] El compañero de clase y colaborador de Holweck, H. Gondet, sugeriría más tarde otras mejoras al diseño. [5] [19]

Siegbahn

Otro diseño fue realizado por Manne Siegbahn . [20] Había producido una bomba que se usó en 1926. [21] Aproximadamente 50 de las bombas de Siegbahn se fabricaron entre 1926 y 1940. [5] Estas bombas eran generalmente más lentas que las bombas de difusión comparables, por lo que eran raras fuera de la Universidad de Uppsala . Alrededor de 1940 se empezaron a fabricar bombas más grandes y rápidas del tipo Siegbahn para su uso en un ciclotrón . [22] En 1943, Seigbahn publicó un artículo sobre estas bombas, que se basaban en un disco giratorio. [23]

Uso en bombas turbomoleculares

Artículo principal: bomba turbomolecular

Si bien las bombas de arrastre molecular de Gaede, Holweck y Siegbahn son diseños funcionales, se han mantenido relativamente poco comunes como bombas independientes. Un problema fue la velocidad de bombeo: alternativas como la bomba de difusión son mucho más rápidas. En segundo lugar, un problema importante con estas bombas es la confiabilidad: con un espacio entre las partes móviles de decenas de micrómetros , cualquier cambio de polvo o temperatura amenaza con poner las partes en contacto y hacer que la bomba falle. [24]

La bomba turbomolecular superó muchas de estas desventajas. Muchas bombas turbomoleculares modernas contienen etapas de arrastre molecular incorporadas, lo que les permite operar a presiones frontales más altas.

Como etapa en las bombas turbomoleculares, el diseño más utilizado es el tipo Holweck, debido a una velocidad de bombeo significativamente mayor que el diseño de Gaede. Si bien es más lento, el diseño de Gaede tiene la ventaja de tolerar una presión de entrada más alta para la misma relación de compresión y es más compacto que el tipo Holweck. [3] Si bien los diseños de Gaede y Holweck son significativamente más utilizados, los diseños de tipo Siegbahn continúan siendo investigados, debido a su diseño significativamente más compacto en comparación con las etapas de Holweck. [25]

Ver también

  • Bomba turbomolecular
  • Bomba de difusión
  • Bomba Sprengel

Referencias

  1. ↑ Duval, P .; Raynaud, A .; Saulgeot, C. (1988). "La bomba de arrastre molecular: principio, características y aplicaciones". Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacío, superficies y películas . Sociedad Americana de Vacío. 6 (3): 1187-1191. Código bibliográfico : 1988JVSTA ... 6.1187D . doi : 10.1116 / 1.575674 . ISSN  0734-2101 .
  2. ^ a b Naris, Steryios; Koutandou, Eirini; Valougeorgis, Dimitris (2012). "Diseño y optimización de una bomba Holweck mediante teoría cinética lineal" . Journal of Physics: Serie de conferencias . 362 (1): 012024. Código Bibliográfico : 2012JPhCS.362a2024N . doi : 10.1088 / 1742-6596 / 362/1/012024 . ISSN 1742-6596 . 
  3. ^ a b Conrad, A; Ganschow, O (1993). "Comparación de las etapas de bombeo de Holweck y Gaede". De vacío . Elsevier BV. 44 (5–7): 681–684. Código Bibliográfico : 1993Vacuu..44..681C . doi : 10.1016 / 0042-207x (93) 90123-r . ISSN 0042-207X . 
  4. ^ A. Bhatti, J; K. Aijazi, M; Q. Khan, A (2001). "Características de diseño de bombas de arrastre molecular". De vacío . Elsevier BV. 60 (1–2): 213–219. Código Bibliográfico : 2001Vacuu..60..213A . doi : 10.1016 / s0042-207x (00) 00374-2 . ISSN 0042-207X . 
  5. ↑ a b c d Redhead, PA (1994). Ciencia y tecnología del vacío: pioneros del siglo XX: historia de la ciencia y tecnología del vacío, volumen 2 . Nueva York, NY: AIP Press para la American Vacuum Society. pag. 114-125. ISBN 978-1-56396-248-6. OCLC  28587335 .
  6. ^ Henning, Hinrich (2009). "Renaissance einer Hundertjährigen. Die Molekularpumpe von Wolfgang Gaede" [Renacimiento de un siglo: la bomba molecular de Wolfgang Gaede]. Vakuum en Forschung und Praxis (en alemán). Wiley. 21 (4): 19-22. doi : 10.1002 / vipr.200900392 . ISSN 0947-076X . 
  7. ^ Gaede, W. (1912). "Die äußere Reibung der Gase und ein neues Prinzip für Luftpumpen: Die Molekularluft-pumpe" [La fricción exterior de los gases y un nuevo principio para las bombas de aire: la bomba de aire molecular]. Physikalische Zeitschrift (en alemán). 13 : 864–870.
  8. ^ Gaede, W. (1913). "Die Molekularluftpumpe" [La bomba de aire molecular]. Annalen der Physik (en alemán). Wiley. 346 (7): 337–380. Código Bibliográfico : 1913AnP ... 346..337G . doi : 10.1002 / yp.19133460707 . ISSN 0003-3804 . 
  9. ^ Patente estadounidense 1069408 , Wolfgang Gaede, "Método y aparato para producir grandes vacíos", emitida el 5 de agosto de 1913 
  10. ^ Dushman, Saul (julio de 1920). "La Producción y Medición de Alto Vacua: Parte II Métodos para la producción de bajas presiones" . Revisión de General Electric . 23 (7): 612–614.
  11. ^ Jacobs, Robert B. (1951). "El diseño de bombas moleculares". Revista de Física Aplicada . Publicación AIP. 22 (2): 217–220. doi : 10.1063 / 1.1699927 . ISSN 0021-8979 . 
  12. ^ Dushman, Saul (1 de febrero de 1915). "Teoría y uso del indicador molecular" . Revisión física . Sociedad Estadounidense de Física (APS). 5 (3): 212-229. Código bibliográfico : 1915PhRv .... 5..212D . doi : 10.1103 / physrev.5.212 . ISSN 0031-899X . 
  13. ^ Holweck, M. (1923). "Physique Moléculaire - pompe moléculaire hélicoïdale" [Física molecular - bomba molecular helicoidal]. Comptes rendus de l'Académie des Sciences (en francés). 177 : 43–46.
  14. ^ Elwell, CF (1927). "La válvula de tipo desmontable Holweck". Institución de ingenieros eléctricos - Actas de la sección inalámbrica de la institución . Institución de Ingeniería y Tecnología (IET). 2 (6): 155-156. doi : 10.1049 / pws.1927.0011 . ISSN 2054-0655 . 
  15. ^ Beaudouin, Denis (2006). "Charles Beaudouin, una historia de instrumentos científicos". Boletín de la Sociedad de Instrumentos Científicos . Vol. 90. p. 34.
  16. ^ Patente FR 609813 , Fernand-Hippolyte-Lo Holweck, "Pompe moléculaire" 
  17. ^ Skovorodko, Petr A. (2001). Flujo molecular libre en la bomba Holweck . Actas de la conferencia AIP. Problemas no resueltos de ruido y fluctuaciones . 585 . AIP. pag. 900. doi : 10.1063 / 1.1407654 . ISSN 0094-243X . 
  18. ^ Naris, S .; Tantos, C .; Valougeorgis, D. (2014). "Modelado cinético de una bomba Holweck ahusada" (PDF) . De vacío . Elsevier BV. 109 : 341–348. Código Bibliográfico : 2014Vacuu.109..341N . doi : 10.1016 / j.vacuum.2014.04.006 . ISSN 0042-207X .  
  19. ^ Gondet, H. (1945). "Étude et réalisation d'une nouvelle pompe rotative à vide moléculaire". Le Vide (en francés). 18 : 513. ISSN 1266-0167 . 
  20. ^ GB 332879A , "Mejoras en las bombas de vacío rotativas o relacionadas con ellas", publicado el 31 de julio de 1930, asignado a Karl Manne Georg Siegbahn 
  21. ^ Kellström, Gunnar (1927). "Präzisionsmessungen in derK-Serie der Elemente Palladium und Silber" [Medidas de precisión de la serie K de paladio y plata]. Zeitschrift für Physik A (en alemán). Springer Science and Business Media LLC. 41 (6–7): 516–523. Código bibliográfico : 1927ZPhy ... 41..516K . doi : 10.1007 / bf01400210 . ISSN 0939-7922 . S2CID 124854698 .  
  22. ↑ von Friesen, Sten (1940). "Grandes bombas moleculares del tipo de disco". Revisión de instrumentos científicos . Publicación AIP. 11 (11): 362–364. doi : 10.1063 / 1.1751585 . ISSN 0034-6748 . 
  23. ^ Siegbahn, M. (1943). "Un nuevo diseño para una bomba de alto vacío". Arkiv för Matematik, Astronomi och Fysik . 30B (2): 261. ISSN 0365-4133 . vía Power, Basil Dixon (1966). Equipo de Bombeo de Alto Vacío . Chapman y Hall. pag. 190.
  24. ^ Henning, Hinrich (1998). "Bombas turbomoleculares". Manual de ciencia y tecnología del vacío . Elsevier. págs. 183–213. doi : 10.1016 / b978-012352065-4 / 50056-0 . ISBN 978-0-12-352065-4.
  25. ^ Giors, S .; Campagna, L .; Emelli, E. (2010). "Nuevo diseño de etapa de arrastre molecular en espiral para bombas de arrastre turbomolecular compactas de alta relación de compresión". Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacío, superficies y películas . Sociedad Americana de Vacío. 28 (4): 931–936. doi : 10.1116 / 1.3386591 . ISSN 0734-2101 . 

Otras lecturas

  • Andrade, EN DA C. (1929). "Bombas de aire moleculares" . Naturaleza . Springer Science and Business Media LLC. 124 (3130): 657–659. doi : 10.1038 / 124657a0 . ISSN  0028-0836 .
  • Vigas, JW (20/11/1959). "Bombeo molecular". Ciencia . Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia (AAAS). 130 (3386): 1406–1407. doi : 10.1126 / science.130.3386.1406 . ISSN  0036-8075 .
  • Sickafus, EN; Nelson, RB; Lowry, RA (1 de agosto de 1961). BOMBA MOLECULAR TIPO HOLWECK (Informe). Oficina de Información Científica y Técnica (OSTI). doi : 10.2172 / 4833839 .
  • Pompe à vide modèle Holweck N ° 2 de mayo de 1922
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