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Introducción.
Hace ya mas de 10 años, que diseñe el sensor de vacío basado en la PT100. Desde entonces ha sido la alternativa mas barata y precisa, para los que no se podían permitir adquirir una sonda profesional. Aquel viejo diseño basado en una económica resistencia de platino ha sido ampliamente utilizado, mejorado en la electrónica, con diversos añadidos, aunque lo importante, la filosofía ha permanecido. He realizado versiones parecidas, empleando hilo de platino, que eran mas sensible y rápidas, pero no han sido tan populares como la basada en la PT100.

Ya hace años que manifesté mi intención de diseñar una sonda de alto vacío, pero repetidamente retrasé el proyecto, tal vez porque pensaba que pocos aficionados la iban a necesitar, pero recientemente se han puesto muchas bombas turbomoleculares en manos de aficionados y eso me ha animado a construirla con la ayuda del gran Leotardo de Bici.

En el caso de la sonda con la PT100 nos aprovechamos de las características térmicas de los gases para calcular la presión, pero para vacios mas bajos de 10 e -2 milibares estas no son utilizables y hay que recurrir a la ionización de los gases residuales para poder aunque sea de manera indirecta a medir la presión. Para la medida del alto vacío, hasta el ultraalto vacío, prácticamente no hay mas que dos tipos de sensores. Los llamados de cátodo frío (CCG, Clod Cathod Gauge), y los que emplean un filamento que actúa como cátodo caliente (HCG, Hot Cathod Gauge).

Quien haya intentado descargas en gases a presiones inferiores a 10-2 milibares habrá observado, que se necesitan voltajes altos para establecerlas y que se extinguen rápidamente cuando la presión baja mas todavía. Si queremos medir la presión basándonos en las corrientes que atraviesan los gases tenemos que emplear algún truco para ionizar los gases residuales y hacerlos conductores.

En el caso de las HCG, las ionización se consigue mediante un filamento caliente que emite electrones, una rejilla que los acelera y un ánodo que los recoge. Tiene una configuración en algunos aspectos similar a los de un triodo en el que la presión es proporcional a la corriente.
Nuestro compañero amalitus I ha estado trabajado ampliamente en este campo y ha compartido aqui sus realizaciones: http://www.cientificosaficionados.com/foros/viewtopic.php?f=2&t=19052

En el caso de las sondas de cátodo frío, incluyendo la Penning, esto se logra empleando altas tensiones, de 2 a 10 Kv y un campo magnético perpendicular de un par de kilogauss o mas.

Los dos tipos de sonda, tienen aproximadamente el mismo rango de utilización de 10 e -2 a 10 e -10, empleando los diseños adecuados, pero las sondas de cátodo caliente, son mas precisas, mas lineales y mas fáciles de calibrar. Sin embargo aquí realizaremos una sonda de cátodo frío. Ambas nos dan medidas calibradas para el aire y son necesarias tablas para corregir por la presión parcial de otros gases .

Las razones son que la sonda de cátodo frío es mucho mas fácil de construir, por un aficionado, y son prácticamente indestructibles. Por contra las sondas de cátodo caliente tienen un filamento que se puede fundir si se expone por error a la atmósfera cuando esta caliente. Ademas para conseguir estabilidad de medida en el tiempo este filamento debe ser construido en wolframio toriado recubierto de iridio, material no muy accesible precisamente. Igualmente el controlador de la HCG es mucho mas complicado.

Una de las configuraciones mas empleadas y precisamente la que vamos a emplear es la de magnetrón invertido. Esta configuración tiene una cámara en forma de tubo en el que en el eje esta el ánodo conectado a una alta tensión positiva (al contrario que en los magnetrones) lo cual crea un campo eléctrico radial. La cámara externamente esta rodeada por unos imanes toroidales que crean un campo magnético axial. Tenemos por tanto un campo eléctrico y uno magnetice perpendiculares que hacen que las partículas cargadas que se mueven en el interior de la cámara por efecto de ambos campos, sigan una trayectoria helicoidal chocando con otras moléculas de gas e ionizandolas con lo cual entre ánodo y cátodo se establece una corriente proporcional a la presión del gas.

Como hemos dicho, con una CCG, se pueden llegar a medir vacíos de 10 e-2 hasta 10 e-10, pero nosotros, para simplificar la fabricación hemos decidido centrarnos en una sonda que cubra de 10 e -2 hasta menos de 10 e -6, porque creemos que con esto se satisfacen las necesidades de casi todos los aficionados y a cambio hemos conseguido simplificar la construcción de manera notable. Basándonos en este diseño, quien lo desee con un poco de electrónica podrá ampliar fácilmente un par de décadas mas el rango de esta sonda.

Continuara en breve.

Esto pinta muy bien.

Como puede verse, el diagrama de bloques del medidor es muy sencillo. Una fuente de alimentación de 3000 V, y 1mA, la sonda de cátodo frío (CCG), un microamperimetro y una resistencia limitadora.

Se trata de alimentar con 3000 V la CCG y medir la corriente que circula por ella que es una función del presión de los gases residuales existente (vacío). Hemos evitado colocar el microamperimeto en la rama de alta tensión, lo cual habría dado problemas de seguridad y de arcos, y para ello hemos empleado una fuente de alimentación aislada mediante transformador. No hay que asustarse, la fuente de alta tensión, cuyos detalles daremos mas adelante, esta construida con un alimentador para tubos fluorescentes muy simple y un doblador de tensión. Se ha elegido un voltaje de operación de 3000 V DC, porque es lo suficiente alto para medir el vacío hasta menos de 10 e-6 milibares, pero es lo suficientemente bajo para permitir el uso de conectores y cables baratos. En el caso de subir a 5000 V para llegar a menos de 10 e -8, por ejemplo ya hubiésemos tenido que emplear conectores de alta tensión mucho mas caros.

La resistencia R, compuesta por 4 resistencias de 3,3 Mo tiene dos efectos. Por una parte limita la máxima corriente que circula por la sonda a 200 uA, lo cual se produce cuando el vacío es muy bajo, y a la vez hace que la tensión en los extremos de la sonda sea mayor cuanto mas alto es el vacío, lo cual ayuda a incrementar el rango dinámico de la sonda. en la zona de alto vacío, cuando el consumo es de 10 microamperios, por ejemplo, la caída de tensión en la resistencia es de tan solo 130 voltios, el 0,4 % de los 3000 V.

El microamperimetro, es de los convencionales de aguja. A mi me gustan mas, empezar con esto y luego el que quiera que le ponga un arduino con una pantalla de numeritos y todas las funciones que le apetezcan. Como 200 microamperios no es un valor muy corriente, sugiero que se emplee uno de 50 uA y que se le coloque un shunt para bajar la sensib¡lidad a 200 uA. Y de paso puede hacer con un conmutador que este shunt se puede poner y quitar y así tener dos escalas con mas sensibilidad para altos vacíos.

Por ultimo el corazón del medidor, la sonda de cátodo frío (CCG). Mucho mas fácil de construir de lo que uno se puede imaginar. Para ello necesitaremos un cilindro de aluminio de 30 mm diámetro y 100mm largo, unos imanes de desguace de un magnetron de microondas, un diodo metalico y poco mas. Evidentemente necesitamos torno y algunas herramientas.

Continuará en breve.

Muy interesante proyecto, Profesor, lo seguiré atentamente ya que cuando progrese con mi sistema de vacío voy a necesitar un medidor de este margen.

Un saludo

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La VIDA sólo es energía que ha aprendido a defenderse... (Anilandro)

*** La Web de Anilandro *** http://sites.google.com/site/anilandro

Esta es una representación simplificada de una CCG. Una cámara metálica rodeada por un imán toroidal que crea en su interior un campo magnético paralelo al eje. Y un electrodo central conectado a alta tensión positiva entre estos electrodos se forma una plasma de electrones que se mueven en trayectorias helicoidales del electrodo central a la periferia y que ioniza los gases residuales.
A altos vacíos inicialmente el dispositivo se encuentra apagado ( no hay plasma), pero enseguida se forma el plasma por efecto de radiactividad natural, radiación cósmica o por la emisión aleatoria de un electrón por el cátodo. A veces cuando se opera en vacíos muy altos las sondas CCG pueden tardar hasta varios minutos en encenderse. En nuestro diseño y a los vacíos que operamos no ha pasado nunca y el CCG se enciende inmediatamente.

A presiones por debajo de 10 e -4 milibares la descarga es casi totalmente de plasma de electrones que ionizan el gas residual, cuyos iones mucho mas lentos son capturados rápidamente por el cátodo.

La corriente de una CCG no es directamente proporcional a la presión, es mas bien una relación exponencial en la que se manifiestan algunas discontinuidades debidas al diseño de la sonda, aunque la disposición de magnetron invertido que empleamos es la mas lineal. Por ello la calibración de estas sondas debe realizarse mediante una tabla.
No obstante , si construyes tu sonda con las instrucciones aquí expuestas, posiblemente nuestra tabla de calibración te sirva con mas menos un 20%. Para los que lo deseen y se construyan una de estas , nos brindamos a calibrar sus sondas.



La imagen anterior es el plano d ela pieza central del CCG. Esta construida en aluminio, porque es mucho mas fácil y barato que el Inox, pero para vacíos mas altos que 10 e -7 no es muy adecuado.

Estas son algunas recomendaciones para mecanizar la pieza central de la CCG.
Se parte de un cilindro de aluminio de 30 mm diámetro y al menos 90 mm largo. Se sujeta en el torno y se taladran al menos 80 mm con una broca de 8 mm. Después si se tiene se pasa una broca de 17 mm hasta 55 mm. Con una cuchilla de cilindrar interiores se termina el interior de la cámara. La boca se tornea por el exterior para hacer un acople QF25. El segundo resalte a 30 mm tiene dos funciones, servir de tope a los imanes y facilitar la sujeción en el torno en el otro sentido. El diámetro exterior puede variarse ligeramente de acuerdo con los imanes de que se disponga. Cuando este terminado el exterior cortar y sujetar la pieza por la boca. Esperar a tener el electrodo que hace el cátodo para terminar esta pieza.

El plano esta dibujado sobre papel milimetrado a escala 2:1, por lo que podéis sacar fácilmente todas las cotas. La boca es una QF25 estándar.



Una de las CCG construidas durante las pruebas.



Despiece (parcial) de la sonda anterior.


Continuara....

Hola profe, parece simple, estoy esperando ver la fuente de alta tensión. Una pregunta, que es un "diodo metalico" parece una barra de metal..
Saludos

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César
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Creo que estamos todos ansiosos y siguiendo este hilo, gracias Profe por compartir.

Supongo que la fuente de alta tensión puede ser perfectamente el inversor de los tubos fluorescentes de emergencia, o cualquier inverter de las pantallas LCD, donde en la salida se pone un doblador de tensión, y supongo que para estabilizar la salida un optoacoplador con una realimentación en la señal de excitación del inversor.

Aunque yo preferiría utilizar un pequeño attiny85, que a 8mhz permite trabajar a 31khz, y el optoacoplador para regular a la salida.

Si hace falta hago algún esquema con el programa para attiny85 o arduino ?
Si el Profe ya lo tiene solucionado pues sin problemas esperaremos a su publicación.

Saludos

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hola profesor.
el electrodo y pasauros, pueden ser una bujía con un electrodo tig de tungsteno puro soldado en la punta?
saludos.

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Temo del día que la tecnologia superara nuestra interacción humana. el mundo tendrá una generación de idiotas.

Abert Einstein

esto me lo se,

contrimas fino sea el electrodo, mas gradiente de campo y mas ionizacion.

hay por aqui un magnetron de MO, tal cual, ya preparado casi, convendria probarlo.