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Third LACCEI International Latin American and Caribbean Conference for Engineering and Technology (LACCET’2005)
“Advances in Engineering and Technology: A Global Perspective”, 8-10 June 2005, Cartagena de Indias, COLOMBIA
Técnicas de medición de Presión para el microsatélite UDSAT
Edgar Camilo Cruz Salcedo
Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Bogotá, Colombia, [email protected]
Víctor Ricardo Duque Ortiz
Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Bogotá, Colombia, [email protected]
Ing. Ignacio Castañeda, Profesor
Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Bogotá, Colombia, [email protected]
Resumen
En este artículo se muestran las técnicas de medición de presión de alto vacío de la exosfera terrestre
aprovechando el fenómeno de Ionización de partículas y los sensores empleados para la implementación
en el microsatélite UD-SAT. Se plantea la posibilidad de utilizar las galgas de cátodo caliente,
observando las ventajas y desventajas de la misma, la galga de campo cruzado con magnetron invertido,
viendo las ventajas que ofrece frente a las primeras, finalmente se definen las características que más se
adaptan a las condiciones del módulo de telemetría del microsatélite.
Palabras Clave
Galga de Magnetron Invertido, Presión, Exosfera, CCG´s
1. Introducción
A través de la medición de este parámetro en este trabajo, en adición a todas las aplicaciones se tiene que
la medición de presión en el ultra alto vacío, y en el caso particular en la capa de la Exosfera, se logra
obtener parámetros muy importantes en la propagación de ondas electromagnéticas en la ionósfera, tales
como el índice de refracción, frecuencia de resonancia, frecuencia optima de transmisión, etc.
2. Presión Atmosférica
La presión atmosférica normal es la que ejerce la atmósfera o aire sobre la Tierra; a temperatura ambiente
y presión atmosférica normal, un metro cúbico de aire contiene aproximadamente 2 ⋅ 10 25 moléculas en
movimiento a una velocidad promedio de 600 Km./h.
Una manera de medir la presión atmosférica es con un barómetro de mercurio, su valor se expresa en
términos de la altura de la columna de mercurio de sección transversal unitaria y 760 mm. de alto. Con
base en esto, se dice que una atmósfera (atm) es igual a 760 milímetros de mercurio. Se usa por
conveniencia la unidad Torricelli (Torr) como medida de presión equivalente a 1 mm de mercurio.
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2.1 Presión en el Vacío
No obstante en condiciones de ultra alto vacío, en particular la región de la exosfera, estas unidades se
convierten muy pequeñas. De acuerdo a las concentraciones gaseosas de la atmósfera se sabe que la
presión decrece con la altitud. Cerca de los 90 Km. de altitud la presión decrece a 10-3 Torr (troposfera y
estratosfera). A los 1000 Km. en capa llamada exosfera, la presión es de aproximadamente 10-10 Torr. Se
calcula que después de esta altura la presión decrece en proporciones pequeñas, por lo que a los 10000
Km. la presión es = 10-13 Torr.
De acuerdo al fenómeno físico con el que se vale el transductor para sensar la presión, se obtienen ciertos
rangos de medición para varias aplicaciones. Se concluye que los comportamientos a nivel macroscópico
no son de gran utilidad para la medición en el microsatélite a 800 Km. Fenómenos de viscosidad,
transferencia de momento o conductividad térmica no son muy evidentes en rango de vacío y en las
partículas situadas allí.
Los diferentes manómetros se citan a continuación:
ELEMENTO FÍSICO APROVECHADO: PRESIÓN
Tipo
Intervalo (Torr)
Inventor
Manómetro de
-1
760-10
Boyle (1660)
Hg.
Clase
Columna líquida
Mecánico
Compresión
Bourdon
760-20
Diafragma
760-10-1
Manómetro de
capacitancia
10-10-4
10-10-2
McLeod
Notas
Tubo U inclinado
diferencial
No depende del
tipo de gas
No depende del
tipo de gas
Olsen y Hirst (1929)
McLeod (1874)
Dependencia
parcial, no lee
presiones
de
vapor
ELEMENTO FÍSICO APROVECHADO: VISCOSIDAD
De elemento suspendido
Medidor
torsión
de
1-10-4
Sutherland (1897)
Mide
viscosidad
gas
Dependen
tipo de gas
la
del
del
Fibras
1-10-4
Langmuir (1913)
oscilantes
Medidor
de
1-10-4
decremento
Rotación
1-10-4
molecular
Medidor
de
1-10-4
resonancia
ELEMENTO FÍSICO APROVECHADO: TRANSFERENCIA DE MOMENTO
No depende del
Radiómetro
Knudsen
10-10-3
Knudsen (1910)
tipo de gas
ELEMENTO FÍSICO APROVECHADO: CONDUCTIVIDAD TÉRMICA
Depende del tipo
Pirani
760-10-4
Pirani (1906)
de gas
Menor
Termopar
760-10-4
Voege (1906)
sensibilidad
a
Termistor
menor presión
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ELEMENTO FÍSICO APROVECHADO: IONIZACIÓN
Cátodo caliente
Colector largo
Bayard-Alpert
Cátodo frío
10-3-10-8
10-4 a 4 x 10-12 Bayard y Alpert (1950)
BAG
10-4- 10-13
modulado
Extractor
10-5 – 10-16
De
haz
10-5 – 10-16
doblado
Magnetrón
10-6 a 3 x 10-18
Magnetrón
10-4 a 3 x 10-6
invertido
Penning
V. Baeyer (1909)
10-3 – 10-6
Producción
de
iones positivos
Utilizado a baja
presión
Readhead (1960)
Readhead (1966)
Helmer y Hayward (1964)
Dependen
tipo de gas
del
Conn y Daglish (1954)
Beck y Brisbane (1952)
Penning (1937)
Magnetrón
10-5 a 5 x 10-13 Readhead (1959)
Radioactivo
200 a 5 x 10-4
Downing y Mellen (1946)
Descargas
eléctricas en el
campo magnético
Dependen
tipo de gas
del
Tabla 1 : Diversos Métodos de medición de presión
Se puede concluir que los vacíos altos y muy altos se miden a partir de la carga eléctrica de un gas
ionizado por bombardeo de electrones. Dos manómetros que emplean este principio son el termoiónico,
llamado también de cátodo caliente, y el de descarga luminiscente, o de cátodo frío.
2.2 Ionización
La ionización es un proceso mediante el cual los electrones, que están cargados negativamente, se separan
o unen a átomos o moléculas de carga neutra, debido a fuerzas externas, energía proveniente de la
radiación solar a varias longitudes de onda, dando lugar a iones de carga positiva o negativa, así como
electrones libres. Son éstos últimos, por ser más ligeros y móviles, los más importantes a los efectos de la
propagación de las ondas de radio en las llamadas Altas Frecuencias o HF (entre 3 y 30 Mhz.).
2.3 Los Diseños de hoy de las Galgas de Ionización
Los electrones pueden ser emitidos desde un filamento caliente o son producidos por una descarga en un
elevado campo electromagnético cruzado. Estos 2 tipos dividen los 2 diferentes tipos de galgas, denotadas
por sus siglas en ingles CCG´s (Cold Cathode Gauges) y HCG´s (Hot Cathode Gauges). Sin Embargo la
diferencia entre ellas no es muy notoria, debido a que existen por ejemplo hoy en día galgas de cátodo
caliente con fuente de electrones por campo que operan a temperatura ambiente.
La forma de la trayectoria de los electrones en las galgas de hoy pueden ser de larga, corta y trayectoria
helicoidal. La forma de la trayectoria de los Iones puede ser una trayectoria directa desde el lugar donde
ocurre la ionización hasta el colector, pero también pueden existir caminos más largos. La Ubicación y la
forma del colector de iones también tiene que ver con la clasificación de estas galgas:
El rango de Operación de una BAG se extiende entre 10-3 y 10-10 Torr, lo cual corresponde a un rango
dinámico de 7 décadas. Existen galgas especiales las cuales pueden extender a límites de 10-11 Torr para
aplicaciones de Ultra Alto Vacío y espaciales.
El principio de funcionamiento de las BAG´s es idéntico a las galgas actuales; en otras palabras, un
colector de iones que debe ser negativo con respecto al cátodo, para solo atrapar iones y no electrones, y
un voltaje de aceleración para los electrones que debe ser aproximadamente 100 Voltios. La razón es que
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la probabilidad de ionización de una molécula de gas neutra por un electrón es independiente de la
energía, y cerca de los 100 eV hay un máximo en la mayoría de los gases como se ve a continuación:
Figura 1: Iones generados por cm. A lo largo de la trayectoria de los electrones por milibar a 20°c
contra la energia cinetica de los electrones para varios gases.
2.4 Galgas de Cátodo Caliente
La mayoría de galgas de cátodo caliente son la de Bayard & Alpert (BAG). Una BAG colecta electrones
desde un filamento a una temperatura alta y los acelera hacia una grilla o jaula cilíndrica. Debido a que
los electrones atraviesan el espacio encerrado por la grilla, que está totalmente expuesta al espacio de
vacío, ellos colisionan con las moléculas de gas ionizándolo. Un fino alambre localizado en el centro del
efecto de ionización, colecta los cationes resultantes produciendo una corriente proporcional a la densidad
del gas donde se encuentra la galga.
Figura 2: funcionamiento y aspecto físico de la galga bayard & alpert
A temperatura constante, la corriente del colector esta linealmente relacionada con la presión del gas. El
rango de Operación de una BAG se extiende entre 10-3 y 10-10 Torr, lo cual corresponde a un rango
dinámico de 7 décadas. Existen galgas especiales las cuales pueden extender a límites de 10-11 Torr para
aplicaciones de Ultra Alto Vacío. La lectura de una Galga Bayard & Alpert es dependiente del gas
debido a la variación de la energía de Ionización de éste, por tal razón la BAG es usualmente calibrada
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para el NITRÓGENO; los factores de corrección para otros gases, por lo general están disponibles en la
literatura de cada sensor y puede ser utilizada para aplicaciones en las cuales se trabaje con otros gases (El
Argón es popular en la construcción de Semiconductores).
Otra desventaja que tienen las BAG es que su operación puede causar cambios significativos a la
composición del gas en el sistema. La Importancia relativa de estos efectos depende de las características
del sistema Global de vacío de la Aplicación y sus condiciones de Funcionamiento, en especial en
medidas a muy bajo vacío.
2.5 El límite de los Rayos X
Las Galgas de Cátodo caliente encuentran su mayor problema en 10-10 Torr donde existe un fenómeno de
corrientes espurias generadas por partículas a causa de un fenómeno conocido como desorción estimulada
de electrones (ESD por sus siglas en inglés), el cual tiene que ver directamente con el Degasamiento; Este
término indica la evolución natural de gases absorbidos (moléculas de gas dentro de un material) o
adsorbidos (adhesión de moléculas de gas a la superficie del material) en vacío, y puede provenir de tres
fuentes diferentes: evaporación (o descomposición química), desorción de superficies, y difusión fuera del
material. Todos estos pasos elementales forman una reacción química sobre una superficie. El
degasamiento es, en este caso, una de las interacciones entre una superficie y un gas.
Figura 3: Esquema de procesos elementales durante las interacciones gas-superficie.
2.6 Galgas de Cátodo frío
Existe una gran variedad de galgas de este tipo, incluyendo las galgas de Penning, la magnetrón,
magnetrón invertido y la doble magnetrón invertido. Utilizan el principio de un campo electromagnético
cruzado para atrapar electrones, los rangos de operación están en el alto voltaje desde 200-5000 Voltios y
de campos magnéticos en el orden de 1000 a 2000 Gauss.
Figura 4: funcionamiento y aspecto fisico de la galga bayard & Alpert
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La galga de Cátodo Frío (CCG), tienen una estructura de funcionamiento similar a las HCG´s (Hot
Cathode Gauges), las cuales ionizan el gas que se desea medir; Sin Embargo, el método con el cual
genera los electrones es algo diferente, puesto que son generados por una descarga eléctrica y no por un
filamento caliente. Además un campo magnético es el que forza a los electrones en una trayectoria
helicoidal a través del gas, por lo cual se aumenta la posibilidad de ionización por el choque generado
entre los electrones y las partículas del gas.
El Rangos de operación común de las galgas de cátodo caliente es desde 10-2 hasta 10-10 Torr. Con
arreglos especiales se pueden alcanzar las 11 décadas negativas pero solo con una presión marginal y
deberán ser tratadas con extrema precaución.
2.6.1 Desventajas de las CCG
El limite superior de las galgas de cátodo frío es alcanzado en el momento que la corriente se convierte
tan grande que el calentamiento y el roceado de los electrodos se vuelve un problema. Esto ocurre en las
mediciones dentro del rango de 10-4 Torr. Sin embargo se pueden implementar varios trucos para
mediciones más grandes que estas 4 décadas negativas (10-2 Torr).
La corriente de iones inducida no es una relación lineal de la presión del gas que se desea medir, sino
exponencial y un poco dificultosa debido a la presencia de discontinuidades espurias en la característica
de corriente Vs. presión. El número y el tamaño de las discontinuidades dependen del diseño de la galga,
con el magnetrón invertido como el que presenta menos susceptibilidad a este problema.
Por otro lado, la variación de galga a galga aparentemente idénticas es muy notoria en el sentido de
poseer diferentes discontinuidades en el rango de medición, previamente calibradas. Esto ha sido un reto
para los diseñadores de CCG´s adicionado con el hecho de que la relación no lineal entre los dos
parámetros complica la confiabilidad de la medida de presión, particularmente por debajo de los 10-9
Torr. Dentro de 10-4 y 10-9 Torr, el exponente es generalmente constante, cercano a la unidad y escondido
para el usuario por un detector logarítmico o una tabla por software.
2.6.2 Evolución de las galgas de Cátodo Frío
Un gran logro fue obtenido por Rodead y Bosnio, quienes diseñaron la galga de magnetrón y de
magnetrón invertido. En la primera, el ánodo es un cilindro abierto con el ánodo en el eje y en la segunda,
el ánodo es una vara en el eje de un cilindro que actúa como cátodo.
Figura 5: Diagrama esquemático de la Galga de Magnetrón y Magnetron invertido
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En la galga de magnetrón, los finales de los discos del cátodo están protegidos de altos campo eléctricos
por dos anillos anulares sostenidos al potencial del cátodo. Cualquier emisión de campo que pueda ocurrir
desde la protección del los electrodos no es medida por el amplificador de corriente de iones.
Uno de los avances mas importantes en la galga de magnetrón invertido es el uso de unos anillos de
guarda sostenidos al potencial del cátodo para prevenir corrientes de emisión de campo desde el cátodo al
ánodo. El campo magnético es paralelo al eje del ánodo. Esta galga puede ser operada hasta 6 Voltios con
0.2Teslas. En estas galgas, los electrones son atrapados mas eficientemente que el diseño original de la
galga Penning. Debido a esto, las condiciones iniciales son mejoradas, la relación entre Presión, campo
magnético y Voltaje sigue razonablemente las predicciones teóricas, y la descarga es estable hasta en
bajas presiones. Rodead y Bosnio afirmaron que las galgas alcanzan unidades de hasta 10-11 Pascales
(7.5x10-14 Torr).
La mayoría de las galgas de campo cruzado que se encuentran en el mercado cumplen con el diseño de
una Galga de Penning. Normalmente, a bajas presiones las galgas son polarizadas con un voltaje
constante, monitoreando la corriente de descarga, mientras que a altas presiones (> 10 mPa) las cuales
están operadas con una corriente de descarga constante con sus consecuentes voltajes reducidos. En las
galgas de campo cruzado, la relación entre la corriente iónica Vs. Presión obedece a la siguiente ecuación:
I + = K ⋅ pm
donde m depende del tipo de galga y esta 1<m<1.4, la cual se acerca a 2 en condiciones de medición de
alta presión. Por lo tanto el controlador de la galga debe usar algoritmos de extrapolación para mediciones
de bajo orden (10-10 Torr), para ajustar la medición de presión más pequeña que la actual.
2.6.3 Resumen de ventajas y desventajas de la galga de campo cruzado (crossed field magnetrón
ionization gauge)
2.6.3.1 Ventajas
•
•
Las galgas de campo cruzado no tiene el límite de los rayos X ni desorción estimulada de
electrones, que son causas de errores en la medición.
Debido a que se tiene un fuerte campo magnético, las partículas no son afectadas por campos
externos, por ejemplo para aplicaciones en aceleradores de partículas, microscopios electrónicos,
medición de partículas en la exosfera, etc.
2.6.3.2 Desventajas
•
•
•
La salida de corriente iónica no varía linealmente con la presión medida.
La muy densa carga de electrones en el espacio en estas galgas alcanza a crear inestabilidades
asociadas con saltos y oscilaciones a alta frecuencia.
La Velocidad de bombeo de electrones es usualmente de una o dos magnitudes mas grande que
las de las ECG´s (emitting-cathode ionization gauges) y no puede ser controlada.
Finalmente, cuando se van a hacer mediciones en alto y ultra alto vacío, la decisión que se debe tomar
para la elección de CFG´s o ECG´s para su compra se deben considerar los siguiente puntos:
•
•
•
•
Rango de Presión de 10-3 a 10-11 Torr.
Velocidad de Bombeo de la Galga es la velocidad tangencial del microsatélite.
Especie de gas para la medición es el Hidrógeno en su mayoría.
Precisión y Estabilidad: soportado un 5%.
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•
•
Tamaño y Estabilidad Mecánica, con unas dimensiones de 10 X 10 cm. Tamaño del microsatélite.
No deberá tener Interferencias con Campos Magnéticos.
Se concluye que las galgas de campo cruzado cumplen los requerimientos deseados para la medición de
ultra alto vacío en la exosfera.
Referencias
Andrew, Guthrie, (1963), ”Vacuum Technology”, ed. John Wiley & Sons, Estados Unidos de América
Dushman, Saul, (1960), “Vacuum Technique”, ed. John Wiley & Sons, Estados Unidos de América.
Madey, Theodore E. y William C. Brown, (1984), “History of Vacuum Science and Technology”,
American Vacuum Society, American Institute of Physics.
O'Hanlon, John F., (1980), “A User's Guide to Vacuum Technology”, John Wiley & Sons, Estados
Unidos de América.
Roberts y Vanderslice, (1963), “Ultrahigh Vacuum and its Applications”, Series in Solid State Physical
Electronics.
Weissler, G. L. y R. W. Carlson, (1979), “Methods of Experimenial Physics: Vacuum Physics and
Technology”, Academic Press.
Informacion Biografica
Edgar Camilo CRUZ SALCEDO. Estudiante de 10 semestre de Ingenieria Electronica de la Universidad
Distrital Francisco Jose de Caldas, Bogota. Actualmente Vicepresidente del Capitulo de Comunicaciones
de la rama IEEE de Universidad Distrital.
Victor Ricardo DUQUE ORTIZ. Estudiante de 10 semestre de Ingenieria Electronica de la Universidad
Distrital Francisco Jose de Caldas, Bogota. Actualmente Tesorero del Capitulo de Comunicaciones de la
rama IEEE de Universidad Distrital.
Ing. Jose Ignacio CASTAÑEDA FANDIÑO. Ingeniero Electronico, Especialista en Telecomunicaciones
Moviles. Desarrollo e implementacion del laboratorio de digitalizacion de sonido musical y del curso de
apreciacion musical correspondiente. Profesor de Planta Universidad Distrital desde 1998 hasta la fecha.
Profesor Hora Catedra Univesidad Catolica(Mayo 1997 - Diciembre 1998). Profesor Hora Catedra
Universidad Santo Tomas desde 1999 hasta la fecha.
Autorización y Negación
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y en la Web. Ni LACCEI ni los redactores será responsables del contenido o de las implicaciones de qué
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