Vacío, Técnica Del CIENCIA

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Ciencia

Introducción. Otto von Guericke (1646), físico y alcalde de Magdeburgo, terminó con el tópico de que el vacío no existe. Su mérito es aún mayor si se piensa que se consideraba casi como un dogma que admitir la existencia del vacío equivalía a negar la existencia de Dios. El razonamiento para semejante afirmación irrita por su simpleza: El vacío es la nada, y Dios ni puede crear la nada ni existir en la nada.

El racionalismo de Guericke, así como su adaptación a los nuevos métodos, según los cuales para conocer hay que experimentar, le condujeron a probar que el vacío existe. En sus primitivos experimentos ideó los célebres hemisferios de Magdeburgo. Dos semiesferas metálicas se ponían en contacto, de modo que constituían una sola. Cuando se extraía el aire que contenía, no podían separarse aún cuando ocho troncos de caballos trataran de hacerlo. Bastaba abrir una espita, dispuesta en uno de ellos, para que, al entrar el aire, los hemisferios se separaran con facilidad. Quizá la Humanidad no haya reconocido en su justo valor la aportación que Guericke hizo a la ciencia y al progreso. Puede afirmarse que la vida correría por derroteros diferentes, si la t. del v. no hubiera alcanzado su perfección actual. La electrónica o la Física nuclear, por no citar más que un ejemplo, no hubiera podido desarrollarse sin la colaboración prestada por el avance en la técnica del vacío.

Si consideramos épocas más recientes, hay que citar, fundamentalmente a Crookes y Hittorf, por un lado, y al alemán Gaede, por otro. Los trabajos de los primeros estaban motivados por la necesidad de perfeccionar las lámparas de incandescencia, y los del segundo casi exclusivamente por el deseo de "mejorar el vacío". Crookes había conseguido presiones de tan sólo una milésima de milímetro de mercurio (torr, en honor de Torricelli). Gaede, en 1905, mediante sus bombas rotatorias, disminuyó la presión hasta una cienmilésima de torr, si bien la velocidad de evacuación era muy lenta. En . 1915, Langmuir alcanzó los 10-7 torr, utilizando las bombas de difusión. En el momento actual pueden conseguirse presiones de hasta ¡una billonésima de torr! El número de moléculas de un gas que existen en un recipiente, en el que reina esta presión, es tan escaso que el recorrido que hace una molécula hasta que choca con otra es de varios kilómetros. A la presión normal, ese recorrido es de millonésimas de milímetro.

Definiciones fundamentales. Toda instalación de v. consiste, en general, en una serie de bombas de vacío, normalmente de tipo diferente, dispuestas en serie, y de artificios auxiliares, tales como trampas para condensar vapores y medidores de presión. Antes de detallar los elementos que forman la instalación también llamada unidad de vacío, se dan algunas definiciones básicas: 1) Presión de evacuación. Es la presión existente allí donde la bomba tiene su salida, para que funcione a régimen normal. En general, esta presión debe ser tanto más pequeña cuanto mayor es el vacío que puede conseguirse con esta bomba. Se comprende entonces por qué, como se ha dicho, las bombas de una unidad de vacío se disponen en serie. Cada una crea la presión exterior que la siguiente precisa para cumplir su cometido. Como es natural, la primera bomba de la serie trabaja lanzando el aire evacuado directamente al medio ambiente. 2) Grado del vacío. Es la mínima presión que puede alcanzarse en un recipiente cerrado, unido al sistema de vacío. 3) Velocidad de evacuación. Es el volumen del gas que se extrae por segundo, medido a la presión dominante en el recipiente que se evacua. Generalmente, el valor de esta velocidad S es prácticamente constante en muchas bombas, en un intervalo relativamente grande de presiones. Si pi y pf son las presiones en los instantes ti y tf, la expresión para S es:

S=(V/ tf-ti) ln pi/pf

siendo V el volumen total del sistema (incluida la unidad de vacío). Algunas veces, se utiliza la llamada velocidad de la bomba S*, cuya expresión es:

S*=(V/tf - ti) ln (pi - pn/pf - pn)

en donde pn= es la última presión que puede alcanzarse con la unidad de vacío utilizada. Como se ve, cuanto menor es pn tanto más próximos son los valores de S y S*. 4) Conductancia. Tiene en cuenta el papel que juegan las conexiones entre los elementos que componen el sistema completo de vacío. Se define como la relación entre el flujo de gas Q a través de la conexión y la diferencia de presiones ?p entre sus extremos:

C=Q/ ?p.

El valor recíproco de C se denomina impedancia. Los nombres utilizados provienen de la electrotecnia. En efecto, C se corresponde con la conductancia eléctrica. La diferencia de presión ?p juega el papel de la diferencia de potencial, y el flujo Q el de la intensidad de la corriente. Al igual que allí, las conductancias cumplen las leyes generales, de forma que, para dos conexiones en serie o en derivación, los valores de las conductancias son respectivamente:

C=C1+C21/C=1/C1+l/C2.

La importancia de C es muy grande. Se tiene, en general, que las conexiones deben ser lo más cortas y lo más anchas posibles. Se consigue de esta manera no disminuir posibilidades a la instalación de vacío.

Bombas. En toda instalación de v. hay que considerar las bombas preliminares y las bombas de alto vacío. Las primeras expelen a la atmósfera y consiguen el vacío necesario para que trabajen las segundas. Con respecto a estas últimas, hasta época reciente, sólo se utilizaban las de difusión, pero actualmente se usan cada vez más las de adsorción. A continuación se describen algunos tipos de bombas.

Bombas rotatorias. De las bombas preliminares solamente vamos a considerar las rotatorias (fig. 1). Consisten en una caja cilíndrica H, sumergida en un baño de aceite, que comunica por C con el recipiente que se quiere vaciar, y por C’ con el exterior. Dentro de la caja H va una pieza cilíndrica O, atravesada diametralmente por dos piezas de acero A y A’ que, por la acción de un resorte, aprietan fuertemente contra la pared interior de la caja H. El cilindro O gira excéntrico con H por la acción de un motor. Si el sentido de giro de O es el indicado por la flecha, el espacio F aumenta de volumen y, por tanto, el aire del recipiente es aspirado por C. A su vez, el aire encerrado en el espacio H se comprime, y alcanza la presión suficiente para abrir la válvula situada en C’ y salir al exterior. Cuando la pieza A’ llega a C’ empieza a aumentar el volumen de F, produciéndose una nueva aspiración, mientras que el aire comprimido en H sale al exterior a través de la válvula C’. Con estas bombas pueden alcanzarse vacíos de hasta 10-5 cm. de Hg.

Bombas de difusión (fig. 2). Utilizan el vapor de un líquido, que puede ser mercurio, aceite o silicona. El chorro de vapor del líquido circula por el tubo cilíndrico estrecho AB, que tiene en S unas rendijas muy estrechas. Se establece entonces un proceso de difusión en el que toman parte las moléculas del vapor y las del gas que llena el recipiente que quiera evacuarse. Las moléculas del gas, que entran en AB a través de las rendijas, adquieren, por efecto del choque con las pesadas moléculas del vapor, una cantidad de movimiento, con una componente dirigida hacia abajo. La mezcla alcanza una región en la que el vapor se condensa y el gas es evacuado por la bomba preliminar. A su vez, parte del vapor pasa por difusión dentro del recipiente que quiere evacuarse, lo que supone una gran contrariedad. Sin embargo, utilizando líquidos de baja presión de vapor e interponiendo una trampa conteniendo aire líquido entre la bomba y el recipiente a evacuar, se consigue que este segundo proceso de difusión no influya en el valor del vacío final.

Las bombas se construyen actualmente de acero (fig. 3). El chorro de vapor encuentra hasta tres rendijas anulares dispuestas en sucesión vertical. La última se ha proyectado para operar a la presión más baja. Encima de la última rendija anular se dispone un artificio de enfriamiento que condensa el vapor y lo devuelve, ya en forma de líquido, al depósito situado en el fondo del tubo. También se dispone a la salida de la bomba una trampa, enfriada con aire líquido, que condensa los gases y vapores, en particular el vapor del líquido que utiliza la bomba. Con este tipo de bombas pueden obtenerse vacíos hasta de 10-12 torr.

Bombas de adsorción. La adsorción física y química, así como ciertas reacciones químicas que pueden tener lugar en superficies, son fenómenos de gran aplicación para conseguir vacíos elevados. Muchos metales, en forma de capas delgadas evaporadas sobre una superficie o sobre las mismas paredes del recipiente a evacuar, se utilizan como bombas al provocar una adsorción o reacción química adecuadas.

En este tipo de bombas se plantean dos problemas básicos: a) la reemisión del gas químicamente adsorbido; b) encontrar un material adsorbente capaz de atrapar todos los gases residuales presentes en el recipiente, en particular los inertes. El titanio es el metal más comúnmente usado para adsorber gases activos. Su capacidad para los gases H2, O2, N2, CO2, CO y H2O están en la relación 120:45: 1: 1,5:2:1. Otros metales empleados son el W, Mo, Ta, Zn, Ba y U. Cuando se conoce la composición de los gases residuales, se seleccionan los adsorbentes más apropiados; pueden utilizarse varios de ellos.

Bombas de ionización (v.). Son el mejor artificio para alcanzar vacíos muy elevados. Los sistemas constituidos con ellas reciben el nombre de ultra alto vacío (u.h.v.), aunque en realidad no es fácil definir la zona de presiones que separa el alto (high) vacío (h.v.) del u.h.v. El tipo más generalizado, Bayard-Alpert, consiste en un artificio que precipita los iones positivos, que se originan durante la evacuación, contra las paredes de vidrio del recipiente, en las que permanecen. En las bombas actuales se evapora una película metálica mientras tiene lugar la descarga. Los iones de gas inerte producidos en la descarga se conducen a la superficie metálica evaporada, donde, si el metal se deposita continuamente, quedan "atrapados". Una discontinuidad en la deposición continua del metal puede originar una "devolución" de aquellos iones.

En la fig. 4 se reproduce el esquema de una bomba de este tipo. El cilindro metálico refractario se calienta mediante un bombardeo de electronees que parten del filamento. El titanio que llega continuamente a la parte superior del cilindro se evapora sobre las paredes de la cámara. Algunos de los electrones son atrídos por la rejilla, mantenida a un potencial positivo con respecto al filametno, mientras que los iones positivos se dirigen a la capa metálica, donde se combinan o son adsorbidos. Una variante de este tipo de bombas se esquematiza en la fig. 5. Un campo magnético asegura que los iones y electrones se mueven a lo largo de espirales, aumentando así la probabilidad de ionización, con lo que la descarga puede continuar manteniéndose a presiones bajas. Los iones alcanzan por fin al titanio. Una ventaja de este tipo de bombas es que la corriente de la bomba puede utilizarse para medir la presión. En la práctica, se disponen convenientemente muchas unidades como la descrita, para conseguir una velocidad de bombeo adecuada.

Medición de bajas presiones. Pirani construyó el primer aparato capaz de medir presiones muy pequeñas, menores de 10-5 torr; está basado en que la conductividad térmica de un gas sometido a presiones inferiores a la décima de torr es una función lineal de la presión. Se dispone entonces un filamento metálico caliente en una ampolla de vidrio, unida a la bomba de vacío. La velocidad con que el calor pasa del filamento a las paredes de la ampolla determina la temperatura del filamento y, por tanto, su resistencia eléctrica, que es, en definitiva, la magnitud física que se mide y que suministra el valor de la presión.

Medidas de ionización. Tienen el mismo fundamento que las bombas de ionización, hasta el punto que éstas pueden considerarse como una consecuencia de aquéllas. Cuando se trata de medir u.h.v. se utilizan las variantes propuestas por Bayard-Alpert de aquellos aparatos, capaces de suministrar con gran exactitud presiones de hasta 10-12 torr.

Conclusiones. Existen muchas técnicas tanto para producir como para medir vacíos y u.h.v. Algunas de ellas han plasmado en unidades comerciales, de manejo relativamente sencillo. De esta manera, el pavoroso problema, que tan ingeniosamente abordó y solucionó Guericke, se ha convertido, incluso para u.h.v., en una operación casi rutinaria de laboratorio.

Alcanzar hoy en día vacío de 10-9 torr es tan sencillo como lo era en 1950 conseguir 10-6 torr. Más dificultades presenta llegar a los 10-12 torr, pero no han de pasar muchos años para que se consigan presiones de 10-18 torr.

En la fig. 6 se reproduce el esquema completo de una unidad de vacío.

L. BRU VILLASECA.

BIBL.: C. J. SMITH, A General Degree Physics, Londres 1953; L. BRU, Física, Madrid 1967; G. LEWIN, Fundamentals of Vacuum Science and Technology, Nueva York 19.65; B. J. HOPKINS, "Contemporary Physicsn, 9, 2 (1968) 115.