Ionímetro de referencia IRG080

Los entornos de alto vacío y ultraalto vacío (HV/UHV) se utilizan para investigar los fundamentos subyacentes de nuestro mundo, así como para desarrollar, cualificar y producir productos de alto valor añadido, como chips semiconductores y células solares. La medición precisa, estable y fiable de la presión de vacío es, por tanto, una característica esencial, pero exigente, que persiguen los procesos avanzados de producción industrial, calibración y metrología.

El medidor de referencia de iones IRG080 es una solución de sensor de vacío pionera en su clase que proporciona la mejor precisión para la medición de la presión total en sistemas de alto y ultra alto vacío. El IRG080 se basa en un innovador concepto de vacuómetro de ionización (el cátodo caliente emite electrones que viajan en una trayectoria recta hacia una copa de Faraday: la longitud de la trayectoria de los electrones ionizantes es, como tal, conocida y está bien definida), desarrollado en colaboración con un consorcio paneuropeo de institutos de vacío dentro del proyecto del Programa Europeo de Metrología para la Innovación y la Investigación (EMPIR) 16NRM05. El IRG080 es el primer producto comercial que cumple la futura norma internacional ISO TS 6737 y, por tanto, es adecuado como patrón de referencia en el rango de 10-6 Pa a 10-2 Pa.

Al ofrecer una precisión sin precedentes (<1 %), una mejor repetibilidad (<1 %), reproducibilidad (<1 %) y estabilidad a largo plazo, dentro de un diseño robusto, el IRG080 puede beneficiar a los usuarios de procesos exigentes que requieren una medición precisa de la presión de vacío para garantizar la calidad y una producción rentable. En particular:

• Aplicaciones industriales avanzadas, sin necesidad de calibraciones ni reajustes de procesos que requieren mucho tiempo. El diseño del IRG080, basado en componentes rígidos construidos con una tolerancia conocida y controlable, permite la construcción de sensores con un comportamiento constante en la producción en serie. Dado que las sensibilidades de todas las especies de gases de proceso se conocen a priori con gran precisión, los sensores individuales pueden intercambiarse en la producción industrial sin necesidad de calibración, lo que elimina los laboriosos reajustes del proceso que provocan paradas de producción no programadas y pérdidas de productividad.
• Calibración de otros vacuómetros y espectrómetros de masas, medición de la velocidad de la bomba. Su transporte y estabilidad a largo plazo garantizan que también pueda ser utilizado por laboratorios de calibración para calibrar vacuómetros (ISO 3567) y por usuarios que calibren espectrómetros de masas (ISO TS 20175) y/o midan tasas de desgasificación (ISO TS 20177). El IRG080 también mejorará las mediciones de la velocidad de las bombas (serie ISO 21360), ya que los factores de sensibilidad relativa se conocen con precisión.
• Metrología, patrón de transferencia para comparaciones en laboratorios nacionales y de calibración. El IRG080 sirve como calibre de referencia preciso para alto vacío y como patrón de transferencia para comparaciones en laboratorios nacionales y de calibración.

Los electrones se emiten desde un disco de tántalo calentado. Los electrones emitidos son enfocados por un cilindro de Wehnelt y un anillo de potencial conectado a tierra hacia una abertura de salida situada en el extremo de la jaula del ánodo. Los electrones que no se dispersan a lo largo de su trayectoria y entran en la abertura de salida se desvían hacia una copa de Faraday, donde se mide la corriente de electrones que llega. Los electrones que atraviesan el volumen interior de la jaula anódica pueden ionizar el gas residual mediante bombardeo electrónico. Los iones generados viajan hasta una varilla colectora de iones descentrada donde se recoge y mide la corriente de iones. La corriente de iones es proporcional a la densidad del gas. Utilizando la ley de los gases ideales, se puede calcular una presión total a partir de la densidad de iones. Los electrones se desvían hacia la copa de Faraday para evitar y reducir los rayos X blandos perturbadores o la desorción estimulada por electrones, principales fuentes de error en los medidores Bayard-Alpert estándar. La relación entre la corriente que llega a la copa de Faraday y la corriente emitida en el cátodo, cercana a uno, es una comprobación sencilla del correcto funcionamiento del instrumento.

La causa principal de las sensibilidades inexactas e inestables del calibrador Bayard-Alpert es la distribución inestable y no reproducible de la emisión de electrones de los cátodos calientes. Para ello, existen 4 requisitos para el diseño de un calibrador Bayard-Alpert estable (Bills et al., "New ionisation gauge geometries providing stable and reproducible sensitivities", J. Vac. Sci. Technol. A, 1984):

• Todos los electrones emitidos deben entrar en el espacio de ionización;
• La longitud del camino L (véase la Ec. (1)) y la energía de cada electrón deben ser independientes del punto de origen en el cátodo;
• El número de tránsitos a través del espacio de ionización debe ser constante (preferiblemente igual a 1);
• La eficacia de recogida de iones debe ser independiente del punto de origen en el cátodo.

El diseño del nuevo IRG080 cumple los 4 requisitos.

De hecho, la sensibilidad del medidor IRG080 para un gas determinado puede calcularse una vez conocida la sección transversal de ionización, por ejemplo, buscándola en tablas de libros y artículos científicos. Esto permite medir con precisión la presión del gas en una cámara de vacío. Anteriormente, el factor de sensibilidad dependiente del gas debía obtenerse mediante pruebas experimentales.

Además, la robusta construcción del medidor permite enviarlo desde el laboratorio de calibración hasta el lugar de uso, sin tener que preocuparse de si las estructuras del medidor sufren un golpe en el transporte postal que desplace la posición de los elementos estructurales de filigrana, cambiando así la calibración recién obtenida.

El uso de un disco emisor en lugar de un filamento fino hace que los electrones salgan desde una posición definida. En los anteriores medidores de ionización, la posición del filamento varía, por ejemplo, debido a la expansión térmica y a la tensión imperfecta del muelle del filamento.

La posición inicial fija de los electrones, la geometría rígida del medidor con tolerancias estrictas y las trayectorias estables y conocidas de los electrones conducen a una medición precisa y altamente reproducible. Dado que el calibre está construido de forma tan robusta y precisa con tolerancias muy ajustadas, y su sensibilidad se deriva de los primeros principios, el calibre puede utilizarse sin calibración adicional. Esto ahorra costes de calibración.

El nuevo diseño tiene una gran sensibilidad. Esto significa que se puede obtener una mayor intensidad de señal con la misma corriente de emisión de electrones.

Debido a las características estables del IRG080, se propone que se convierta en un patrón de medición, tal como se describe en la norma ISO TS 6737.

Desde su diseño, el medidor es naturalmente inmune al campo magnético terrestre genérico. El campo magnético externo está a veces presente en aplicaciones en las que se emplean fuentes magnéticas externas (como cátodos fríos o imanes de dirección de haces de partículas). En este caso, la penetración del campo puede mitigarse utilizando un blindaje magnético en forma de tubo de mu-metal en lugar de un tubo de acero inoxidable. INFICON ofrece esta pieza como accesorio estándar.

El IRG080 es un sensor totalmente pasivo, que permite una temperatura de horneado de hasta 400 °C (sin placa de conexión). 
Como todos los sensores pasivos, para su funcionamiento debe suministrarse una unidad externa de control y lectura conectada mediante un cable. El controlador del medidor de referencia de iones IRC081 de INFICON es una solución autónoma para los usuarios que buscan un dispositivo comercial y está disponible en el catálogo de INFICON.