TÉCNICAS DE MEDIDA EN INGENIERÍA MECÁNICA

TÉCNICAS DE MEDIDA EN
INGENIERÍA MECÁNICA
Estudio del procedimiento DHMR de limpieza bacteriológica.
Desgasificación en tiempo real. Diseño y fabricación de un
procedimiento altamente controlado para limpieza bacteriológica
de muestras de interés espacial.
Jesús Manuel Sobrado Vallecillo
Trabajo de Investigación Tutelado. Departamento de Ingeniería Mecánica, ETSII-UNED.
Tutor: Dr. D. Antonio Rueda Andrés
Director: Dr. D. José Ángel Martín Gago, ICMM-CSIC
2
Tabla de contenido
1.
INTRODUCCIÓN ................................................................................................ 5
2.
OBJETIVO Y DESARROLLO ........................................................................... 6
3.
DESGASIFICACIÓN .......................................................................................... 8
4.
PROTOCOLO DHMR ....................................................................................... 13
5.
ADAPTACIÓN AL SISTEMA EXPERIMENTAL, PPC ............................... 15
6.
ADAPTACIÓN AL SISTEMA EXPERIMENTAL, IE3C .............................. 18
7.
INSTRUMENTACIÓN UTILIZADA .............................................................. 21
8.
PROCEDIMIENTO DESARROLLADO ......................................................... 34
9.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN........................................................................ 40
10.
CONCLUSIÓNES .......................................................................................... 52
11.
BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................ 54
12.
ANEXO ........................................................................................................... 56
3
4
1. INTRODUCCIÓN
Las misiones espaciales dirigidas a planetas del sistema solar, se desarrollan en un
entorno hostil en comparación con las condiciones ambientales en La Tierra. La presión,
composición de gases, temperatura y radiación hace que los materiales compatibles con
espacio deban de cumplir unos requisitos técnicos, que garanticen su funcionamiento en
condiciones extremas [1].
Las características que deben cumplir son:
•
Materiales con una baja presión de vapor.
•
Materiales resistentes a temperaturas superiores a los 125ºC, en condiciones de
vacío.
Además de cumplir estos requisitos tecnológicos, que aseguren su durabilidad, todos los
materiales compatibles con el espacio [2], que estén involucrados en misiones dirigidas
a la búsqueda de vida, han de ser limpiados bacteriológicamente. El motivo es doble:
•
Evitar llevar bacterias o esporas a entornos planetarios.
•
Anular la posibilidad de falsos positivos sobre la búsqueda de formas de vida en
entornos planetarios.
Las misiones espaciales tienen distintos tipos de categorías (ver anexo) en función de
los objetivos que deban cumplir. Por ejemplo, la misión ExoMars está clasificada en la
categoría IVb: Misión de amartizaje con instrumentos que incluyen búsqueda de vida.
Sus instrumentos de búsqueda de vida son 1000 veces más sensibles que los de la
misión Viking. Las misiones de categoría IVb requieren reducción de la carga
microbiana por esterilización activa: la reducción de calor seco microbiana (DHMR),
Dry Heat Microbiological Reduction con el fin de tener menos de un total de 2x105
esporas en las superficies expuestas y los materiales encapsulados. [3]
5
2. OBJETIVO Y DESARROLLO
En este trabajo, presentamos instrumentación para establecer un procedimiento de toma
de datos de desgasificación, que nos permita en una sola pasada, realizar el protocolo
DHMR de los componentes de vuelo, y determinar cuál va a ser su coeficiente de
desgasificación, en el momento en el que se realiza dicho procedimiento. Describiremos
el sistema experimental, incluyendo toda la instrumentación necesaria, así como los
principios físicos sobre los que se sostiene el modo y el método de medida de la
desgasificación. Finalmente y en base a los resultados experimentales, describiremos un
procedimiento experimental de utilización dentro de las máquinas de vacío diseñadas
para estos usos.
Estos objetivos se concretan:
•
Diseñar una o varias máquinas que permitan alcanzar presiones hasta 10-7mbar,
para condiciones de vacío similares a las de la estación espacial internacional
(ISS) [4, 5].
•
Certificar el protocolo de desgasificación de la Agencia Espacial Europea
DHMR, para distintos tipos de muestras o modelos de vuelo [6].
•
Realizar estudios cuantitativos y cualitativos sobre la desgasificación térmica de
diversos materiales que se emplean en misiones espaciales, en el momento en
que se realiza la limpieza bacteriológica. Estos estudios se realizan, utilizando
una balanza de cuarzo para la parte cuantitativa, y mediante un espectrómetro de
masas para la parte cualitativa. El diseño de las maquinas debe permitir, el
estudio
de
técnicas
como
TDS
(Thermal
Desorption
Spectroscopy),
independientemente del tipo de muestras a estudiar. [7]
En los dispositivos de la ESA (Agencia Espacial Europea), las máquinas u hornos
dedicados a la certificación del protocolo DHMR, están pensadas para ser rentables, y
poder realizar en una sola puesta en marcha el mayor número de componentes a limpiar,
o bien el tener una gran capacidad o volumen destinado a conseguir la limpieza de
piezas compactas de modelos de vuelo. [8]
En este trabajo uniremos la capacidad de realizar el mismo protocolo de limpieza
(DHMR), para un tipo concreto de muestras (en función de su superficie y su volumen),
y a la vez determinar el grado y efecto de la desgasificación, en el mismo momento que
se realiza el protocolo de limpieza.
6
El trabajo se ha desarrollado en la Unidad de Simulación de Ambientes Planetarios y
Microscopía del Centro de Astrobiología (CAB), situado en el campus del Instituto
Nacional de Técnica Aeroespacial (INTA) en Torrejón de Ardoz, Madrid.
Uno de los objetivos de la unidad, es la de servir de apoyo técnico y tecnológico a los
científicos usuarios del Centro de Astrobiología y de otros centros, interesados en la
realización de experimentos, dentro de la simulación de ambientes planetarios.
El desarrollo de este trabajo de investigación surge como respuesta a una necesidad
dentro del CAB, para el proyecto ExoMars. El Dr. Carlos Briones, PPO (Planetary
Protection Officer), responsable del proyecto, en cuanto a los criterios de protección
planetaria, plantea la necesidad de investigar los parámetros de la desgasificación en
tiempo real, mientras se realiza el procedimiento de limpieza DHMR, a fin de conocer
cómo evoluciona frente al tiempo la reducción de carga microbiana en las superficies de
dispositivos espaciales, destinados a la búsqueda de formas de vida en diferentes
entornos planetarios.
7
3. DESGASIFICACIÓN
En un sistema de vacío un factor que limita la presión del sistema es el Outgassing o
desgasificación del material. Todos los cuerpos pierden material a través de su
superficie. En este proceso intervienen muchos factores, como es la presión de vapor del
material, la superficie efectiva y la temperatura [9, 10]. Para medir la desgasificación de
un material, se necesita un sistema de vacío, en el que se pueda medir la pérdida de
masa y la composición de los gases que se desprenden en función del tiempo, a medida
que se aumenta la temperatura. [11]
Figura 1: Cámara de vacío PPC (Planetary Protection Chamber)
8
En las cámaras PPC y IE3C, se realiza el protocolo de limpieza bacteriológica DHMR y
el estudio de desgasificación. Para realizar esto se necesita un horno o celda de efusión,
en el interior de una cámara de vacío. En el horno, justo en la vertical del orificio de
efusión, se debe acoplar una balanza de cuarzo para determinar la pérdida de masa
[capitulo 4]. Esta balanza de cuarzo, trabaja a una temperatura constante y mantenida de
300K (25ºC). Esta temperatura, es inferior en 100ºC a la del horno, por lo que se
aumenta la velocidad de pegado en el colector de la balanza de cuarzo. La manera de
mantener la temperatura constante de la balanza de cuarzo es mediante un
intercambiador de calor, por el que se hace circular agua a 25ºC, de este modo se
consigue una gran estabilidad de la temperatura, para que no afecte a las medidas de
frecuencia, que repercuten en las medidas de masa de la balanza de cuarzo.
Del resultado de pérdida de masa de la substancia o espécimen, se obtienen los
parámetros TML, RML y WVR [6] [8], que nos sirven para calcular de manera
cuantitativa la pérdida de masa.
Figura 2: Outgassing muestra. El eje X muestra el tiempo, y el eje Y es una medida de masa.
Estos parámetros se definen cómo:
•
RML (Recovered Mass Loss): Masa total del espécimen sin agua. RML=TMLWVR
9
•
TML (Total Mass Loss): Masa total de un material desgasificado desde un
espécimen que es mantenido a temperatura constante a una determinada presión
y tiempo. Se calcula como la masa del espécimen medido antes y después y se
expresa como un porcentaje de la masa inicial del espécimen.
•
WVR (Water Vapour Regained): Masa del vapor de agua reabsorbido por el
espécimen después de su acondicionamiento. Se calcula como la diferencia en el
espécimen después del ensayo para TML y CVCM, y después de ser expuesto a
presión atmosférica y un 65% de humedad relativa a temperatura de (22+/-3) ºC.
La figura 2, ilustra la definición de las mismas, que representa la pérdida de masa con el
tiempo de proceso.
En los estudios de desgasificación (figura 2 y 3), aprobados por la ESA y la NASA, la
muestra debe de ser sometida a tres pasos o secuencias:
1. Se acondiciona la muestra, en un entorno controlado de temperatura y humedad
relativa a presión atmosférica por un periodo de 24h. Pasado este tiempo se pesa
en una balanza.
2. Se introduce la muestra en el sistema de vacío. El paso del entorno controlado al
de desgasificación, se debe de hacer en el menor tiempo posible, aunque ello no
suponga una diferencia significativa, cuando termina el proceso de
desgasificación. En este paso la muestra debe de estar a una temperatura de
125ºC, durante 24h, y una presión mejor de 10-3 Pascal en una atmósfera de
vacío.
3. Se ventea el sistema de vacío con Nitrógeno, y se saca la muestra, a la sala de
acondicionamiento, en la que se mantienen las mismas condiciones que en el
primer paso. Se pesa la muestra pasadas 24 horas.
Del resultado de las medidas de pérdida de masa, se obtienen los parámetros TML,
RML y WVR.
Este procedimiento estándar permite la obtención de unas librerías de materiales aptos
para el uso espacial. [12]
Para el colector, en este caso el cristal de la balanza de cuarzo, se obtiene el parámetro
CVCM:
10
Figura 3: Outgassing del colector de la balanza de cuarzo. El eje X muestra el tiempo, y el eje Y la
medida de la masa.
•
CVCM (Collected Volatile Condensable Material): Cantidad de muestra que se
condensa en el colector (balanza de cuarzo), mantenida a una temperatura dada
(125ºC) en un rango de tiempo determinado. Se expresa como un porcentaje de
la masa inicial, calculado como la diferencia de masa en el colector (balanza de
cuarzo), antes y después del ensayo.
Del mismo modo que es importante obtener una medida de la pérdida de masa de una
muestra, es necesario conocer el aumento de masa en el colector de la balanza de
cuarzo. Los pasos que se diferencian en el modo de medir la masa, son los siguientes:
1. Se hornea el colector en el interior de un sistema de vacío, con el objetivo de
dejarlo lo más limpio posible. Las condiciones mínimas son una temperatura de
125ºC, un tiempo mayor de 16 horas y un vacío mejor a 10-3 Pascal.
2. Posteriormente el colector se debe acondicionar a temperatura ambiente, un
tiempo de 24 horas, en un ambiente de 0% de humedad relativa. Pasado ese
tiempo se mide la masa del colector o lo que es lo mismo, se calibra la balanza
de cuarzo.
3. Se efectúa el proceso de desgasificación (muestra más colector). Es decir
durante un periodo de 24 horas las muestras se calientan a 125ºC, y se mantiene
la temperatura del colector a 25ºC. Este proceso se realiza en vacío, con una
11
presión mejor a 10-3 Pascal. Posteriormente, se mide la masa del colector con la
balanza de cuarzo. Es decir se realiza una medida de frecuencia en el transductor
de la balanza de cuarzo, y se obtiene el parámetro CVCM.
Para las medidas cualitativas del efecto de la desgasificación, se necesita un
espectrómetro de masas cuadrupolar [capitulo 4]. Este aparato, que nos indica la
concentración de cada masa del gas, se encuentra dentro de la cámara de vacío en una
posición geométrica que permita acercarlo lo más posible al orificio de la celda de
efusión. La información que da el cuadrupolo permite estudiar la relación de carga
masa, para todos los gases que son desprendidos de las muestras en el interior del horno.
Esta información junto con la masa depositada en el colector de la balanza de cuarzo,
nos permite determinar cuál es el coeficiente de desgasificación de cualquier material,
en el sentido de poder identificar la relación carga masa en función de la temperatura,
durante todo el proceso de DHMR.
En las medidas de desgasificación, la técnica llamada (TDS), del inglés, Thermal
Desorption Spectroscopy, es muy crítica la distancia entre la superficie de la muestra y
la cámara de ionización del espectrómetro de masas (ver figura 7 del capítulo 6). Este
punto es el que determina la precisión de la medida. La manera que hemos resuelto este
problema es mediante el diseño de la cámara IE3C, que permitirá no solo la realización
de TDS, si no también realizar otros procesos físicos más allá del objetivo de este
trabajo, cómo es la radiación por diferentes fuentes de luz, y la evaporación de metales
mediante evaporadores diseñados para ello.
12
4. PROTOCOLO DHMR
La Protección Planetaria es una política para proteger los cuerpos del sistema solar (es
decir, planetas, lunas, cometas y asteroides) de contaminación microbiana de origen
terrestre y otros, y para proteger la Tierra de las posibles formas de vida extraterrestre
que puede ser traídas de otros cuerpos del sistema solar. Es fundamental por varias
razones:
•
Para preservar el estado natural de otros mundos y su estudio científico.
•
Para evitar la contaminación que pueda dificultar la detección de vida en otros
lugares, si existe.
•
Para garantizar que la biosfera de la Tierra esté protegida.
El DHMR (Dry Heat Microbiological Reduction) o reducción microbiana por calor seco
[3], elimina los microorganismos, destruye los componentes celulares y desnaturaliza
sus proteínas y ácidos nucléicos. En la gráfica inferior se muestra el protocolo de
reducción. El valor D es el tiempo (medido en horas) necesario, a una temperatura
determinada, para reducir dicha carga microbiana, al 10% del nivel inicial (reducción de
1 log).
Figura 4: Esquema del proceso DHMR
El proceso de DHMR utiliza los siguientes parámetros:
Rango de temperatura válido para la reducción de carga biológica: 110-125 ° C
13
Tiempo D1 (reducción de 1 log) para la carga biológica de la superficie a 125°C: 1h
Tiempo D1 (reducción de 1 log) para la carga Microbiana encapsulada a 125 °C: 5 h
El valor Z: 21 °C
Límite superior de presión parcial de vapor de agua saturado durante el proceso de
DHMR:
4,6 Torr
Cálculo de valores D a diferentes temperaturas en el intervalo [110-146°C]:
Cálculo de presión parcial de vapor de agua saturado a diferentes temperaturas:
Usando el tiempo t en horas, la temperatura T en grados centígrados y la presión P en
Torr.
14
5. ADAPTACIÓN AL SISTEMA EXPERIMENTAL, PPC
La cámara de vacío PPC (Planetary Simulation Chamber), constituye el sistema
experimental que nos va a servir para cumplir la mayoría de nuestros requisitos
iníciales. Está cámara de vacío surge como evolución de la cámara MARTE (cámara de
simulación de Marte). El principal objetivo de esta cámara es de servir de plataforma
tecnológica de testeo para muestras, e instrumental, destinado a la exploración espacial,
en los casos que sea necesario realizar procesos de limpieza bacteriológica. Los usos
para los que se destina están relacionados con la protección planetaria, es decir estudios
de medida de desgasificación de materiales y de limpieza bacteriológica.
La cámara de vacío principal está formada por un cilindro de 500mm de diámetro y
300mm de alto, siendo este cuerpo fijo y soportado por tres patas que permiten que la
cubierta inferior se deslice en vertical, para abrirse y en horizontal para permitir la
introducción de muestras de gran tamaño.
La tapa superior puede ser colocada en cualquier posición, pudiendo rotar libremente,
de acuerdo con la orientación de las bridas, para de este modo poder ajustarse a los
requerimientos de la investigación. Toda la cámara posee bridas que siguen la norma
CF, (ver anexo) excepto los cierres de la cámara principal que son LF. Los cierres LF,
dan flexibilidad y rapidez de manipulación a la cámara de vacío, pero no permiten bajar
por debajo de 10-8mbar la presión total. Un punto fundamental de la cámara está en el
portamuestras, que permite el control de la temperatura, en un rango comprendido entre
-160ºC y 150ºC. El portamuestras, debido a sus dimensiones (205 x 205) mm, y su
configuración de mesa óptica con huecos para tornillos de M4 equiespaciados 20mm,
permite la adaptación de multitud de instrumentos.
Sobre este cuerpo de cámara es posible adaptar multitud de instrumentación [capitulo 7]
de acuerdo a los requisitos experimentales, pero entre su configuración normal, se
incluyen sensores de presión capacitivos, Pirani y Penning. Sensores de temperatura
superficial y ambiental formado por colección de sensores tipo K y RTD de Platino
Pt100 y Pt1000. También con un espectrómetro de masas cuadrupolar y una balanza de
cuarzo. Esta combinación de instrumentación apoyada por bombas de vacío rotativa y
Turbo, permiten a la PPC, convertirse en un instrumento de multitud de posibilidades
experimentales en el ámbito de la simulación espacial. Además hereda de la cámara
15
MARTE, la posibilidad de enfriar la atmosfera, mediante un anillo interno de Nitrógeno
líquido, y la capacidad de introducir atmosferas gaseosas de distinta composición.
Por último añadir que la realización del protocolo DHMR, ha permitido el diseño y
desarrollo de una celda de efusión adaptable a las necesidades de tamaño de cada tipo
de muestras, sirviendo como elemento constructor de la misma, juntas de cobre OFHC
(Oxigen Free High Conductivity) de tamaños comprendidos entre DN16CF hasta
DN160CF (ver anexo).
Para la limpieza bacteriológica o DHMR, es necesario un horno en condiciones de
vacío, o bien que la presión parcial de agua sea menor de 3mbar
a 0ºC
aproximadamente. Las muestras a limpiar, que van desde componentes aislados hasta
dispositivos electrónicos ya montados, han de someterse en las condiciones de vacío
antes mencionadas a temperaturas entre 125ºC y 150ºC un mínimo de 5 horas, aunque el
tiempo depende de la temperatura.
Para estudios de desgasificación de materiales, se combina la información obtenida
mediante el cuadrupolo y la balanza de cuarzo. Ambos dispositivos se encuentran
situados estratégicamente, para permitir insitu, hacer medidas cuantitativas y
cualitativas. Las medidas cuantitativas se realizan mediante una balanza de cuarzo y las
cualitativas mediante el cuadrupolo. Todo este sistema va montado y soportado en el
portamuestras, mientras se puede modificar la temperatura del mismo, y mantener la
atmosfera a un máximo de 10-5mbar, que permita mantener encendido el channeltron
del cuadrupolo [capítulo 7].
Para los casos en los que debido a la configuración de las muestras, no sea posible bajar
a una presión por debajo de 10-5mbar, la cámara PPC cuenta con una brida DN40CF,
para adaptar un tubo flexible hacia un grupo autónomo de bombeo (membrana más
TMP), donde se sitúa el espectrómetro de masas. De este modo se garantiza, mediante
bombeo diferencial entre la cámara de medida del cuadrupolo y la cámara PPC, que se
pueda encender el SEM del cuadrupolo y registrar medidas de la composición de gases
residual en tiempo real cuando se realiza el DHMR, a presiones comprendidas entre
3mbar y 10-4mbar.
16
Figura 5: Adaptación de la cámara MARTE para PPC
17
6. ADAPTACIÓN AL SISTEMA EXPERIMENTAL, IE3C
La cámara IE3C (Irradiation and Evaporation in Extreme Environments Chamber),
constituye una plataforma única para el desarrollo de técnicas de irradiación y
evaporación con muestras bajo temperatura controlada. Esto es muy importante ya que
permite realizar técnicas cómo TDS (Thermal Desorption Spectroscopy), que ayuden a
resolver problemas relacionados con la desgasificación en procesos en los que hay
cambios bruscos de temperatura, como ocurre en el entorno espacial. Además al tratarse
de una cámara de vacío optimizada para poder cruzar distintas radiaciones, y al tener la
posibilidad de introducir distintas mezclas de gases en condiciones de UHV (ultra alto
vacío), convertirán a IE3C en una plataforma única de pruebas experimentales.
La cámara de vacío IE3C, es una cámara de acero cilíndrica con bridas DN160CF, que
puede llegar a vacíos del orden de 10-10mbar después del horneo. Cuenta con tres
niveles de instrumentación. De abajo a arriba, en el primer nivel se encuentran los
evaporadores moleculares con un ángulo de 25º respecto a la normal. Estos
evaporadores son de metales, aunque al estar montados sobre bridas DN40CF, pueden
acoplarse distintos tipos de evaporadores. Aprovechando la ventana montada en
DN100CF, se sitúan en el siguiente nivel tres bridas DN63CF. Dos de ellas separadas
un ángulo de 173º, que en un futuro pueden servir para acoplar un interferómetro y
realizar FTIR en transmisión. Además sirven para poder acoplar una fuente de
electrones, y según las necesidades del diseño, se puede acoplar una válvula en una de
las bridas y acoplar una fuente de radiación ultravioleta de Deuterio. Por último en el
tercer nivel de instrumentación se encuentran una fuente ultravioleta de descarga de
Helio, un cañón de iones y un espectrómetro de masas (cuadrupolo en RF).
La cámara cuenta tanto en su parte superior como en la inferior de distintos puertos en
DN40CF y DN16CF, sobre los que acoplar instrumentación diversa como: Sensor de
presión Pirani-Penning, válvula de fugas, pasamuros eléctricos, etc,…
En la configuración arriba descrita, (ver figura 2, dentro de la figura 6 del documento),
la barra de transferencia permite incorporar un sistema con horneo, pudiendo girar la
muestra 360º. En un diseño más avanzado, la bomba Turbo se encontraría en la parte
inferior de la cámara y en la superior se montaría un manipulador en XYZ, Theta con
Criostato en circuito cerrado de Helio líquido, de esta manera se podrían realizar los
mismos estudios con temperaturas controladas entre los 8K y los 800K.
18
Figura 6: Cámara IE3C
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En la figura inferior, número 7, mostramos un esquema del interior de la cámara IE3C,
para realizar estudios de TDS, a la vez que se realiza DMHR, para muestras de 1cm2 de
superficie y espesor < 5mm.
Figura 7: detalle TDS en cámara IE3C
20
7. INSTRUMENTACIÓN UTILIZADA
Horno portamuestras, celda de efusión
Para limpiar las muestras o reducir la carga biológica bacteriana, conocida como
“bioburden” , es necesario por tanto un horno de vacío. En aquellos casos en los que es
posible hacer un horno específico para un tamaño de muestra, se emplea un horno adhoc, dentro de la cámara de protección planetaria PPC.
La figura 1, (dentro de la figura 8 del documento), muestra un detalle del horno
portamuestras de la cámara PPC, en la que se puede apreciar el sistema de horneo de
muestras, mediante una celda de efusión especifica diseñada de manera modular. El
horno se encuentra dentro de la cámara de vacío apoyado sobre el portamuestras de
cobre, figura 2 (dentro de la figura 8 del documento). Las paredes laterales del horno
están formadas por juntas de cobre OFHC, iguales a las utilizadas como juntas CF en
cámaras de vacío. Esto permite cambiar el diámetro y la altura del horno en función del
tamaño de la muestra. En este tipo de construcción la fuente de calor proviene solo de la
base
del
portamuestras,
por
lo
que
se
calienta
todo
el
portamuestras,
independientemente del diámetro del horno. Así el calor se transfiere a las paredes de la
celda de efusión u horno mediante conducción. Al tratarse de un horno de vacío, el
proceso de calentamiento en su interior se realiza mediante radiación, por lo que es
imprescindible para optimizar el funcionamiento del mismo, que el tamaño sea lo
mínimo posible.
El control de temperatura se realiza mediante sensores RTD tipo Pt100, el principal
situado en la superficie del portamuestras y el de referencia, que marca el inicio del
tiempo para DHMR, se sitúa en la tapa de cobre que cierra el horno. En algunos casos
se colocan sensores tipo termopar K, en la superficie de las muestras a limpiar, así como
repartidos por la superficie del portamuestras y en la superficie interior de la cámara de
vacío.
El portamuestras está formado por dos piezas fijadas entre sí mediante tornillos. La
parte inferior es un bloque cuadrado de 205mm de lado por el que en su interior se
encuentra un serpentin, que permite circular nitrógeno líquido. Entre la parte inferior de
acero y la superior de cobre se encuentra la resistencia, que permite mantener la
temperatura del portamuestras en su superficie entre -160ºC y 150ºC. La parte superior
de cobre cuenta además con un sistema multitaladro en M4 similar a la superficie de las
21
mesas ópticas, que permite la fijación de multitud de instrumental y otros dispositivos
en la superficie del mismo.
Figura 8: Portamuestras de PPC
El diseño más optimizado es el que se realiza con juntas DN63CF, con una altura de
20mm. Este tipo de horno es el que posee menor gradiente de temperatura, entre la
superficie del portamuestras y la superficie externa de la tapa de la celda de efusión,
para la temperatura de consigna de 125ºC. Para producir la efusión, el diámetro del
orificio de la celda es el mismo que el del colector de la balanza de cuarzo, pudiendo
oscilar entre 3mm y 10mm de diámetro, para presiones siempre mejores de 10-5mbar.
Las bridas de cobre se apilan unas sobre otras, y es la tapa de cobre la que hace posible
comprimirlas dejando en su interior el hueco para las muestras a desgasificar.
Para muestras de tamaños superiores, se hace necesario aumentar la potencia calorífica
de las paredes de la celda de efusión, mediante un arrollamiento no inductivo de
aleación de Manganina. Esta aleación permite un control optimo de la temperatura, ya
que su valor resistivo no se modifica con la temperatura, y además es compatible con
22
vacío, ya que el barniz que necesita para ser fijado posee un valor de presión de vapor
muy bajo, por lo que no desgasifica en condiciones de vacío a temperaturas muy
superiores a los 125ºC.
Balanza de cuarzo
Una microbalanza de cristal de cuarzo QCM, mide variaciones de masa con una
precisión de hasta 10-12 gramos. Este instrumento se basa en las propiedades
piezoeléctricas del cuarzo. Cuando el cuarzo se deforma mecánicamente, se genera un
potencial eléctrico a lo largo de su superficie. Además, cuando se aplica un potencial a
través de las caras del cristal de cuarzo, esté se deforma. Un cristal conectado a un
circuito eléctrico apropiado oscila con una frecuencia que es característica de la masa y
de la forma del cristal y que es extraordinariamente constante. Esta propiedad de
algunos materiales cristalinos se conoce como efecto piezoeléctrico, y es el fundamento
de la microbalanza de cuarzo.
Si un cristal de cuarzo se recubre con un polímero que absorbe de manera selectiva
ciertas moléculas, la masa del cristal aumenta cuando las moléculas están presentes, y
por tanto disminuye la frecuencia de resonancia del cristal de cuarzo. Cuando las
moléculas se desorben de la superficie y el cristal recupera su frecuencia original. La
relación entre el cambio de la frecuencia del cristal F y el cambio en la masa del cristal
M viene dado por:
;
;
;
;
Donde A es el área de la superficie, ρ la densidad, F es la frecuencia de oscilación del
cristal. El índice q, muestra el cuarzo sin recubrimiento, y el índice c el estado de la
frecuencia después del recubrimiento. La ecuación anterior indica que es posible medir
23
cambios muy pequeños en la masa del cristal si la frecuencia del mismo se puede medir
con mucha precisión. Hoy en día es posible medir de forma sencilla cambios de
frecuencia de una por cada 107 partes con una instrumentación barata, por tanto el límite
de detección de un sensor piezoeléctrico de este tipo es de alrededor de 1pg o 10-12g.
Estos sensores se han utilizado para detectar gran cantidad de analitos en fase gaseosa
incluyendo el formaldehido, al ácido clorhídrico, etc.…
De este modo, para una densidad del cuarzo 2.649gr/cm3, y un valor de frecuencia
constante de 166100Hz•cm, el espesor del recubrimiento es proporcional al incremento
de la frecuencia e inversamente proporcional a la densidad del material recubierto,
siguiendo la ecuación:
Por ejemplo; Un cristal de cuarzo con una frecuencia inicial de 6.0MHz, muestra un
decrecimiento a 2.27Hz, después de haber sido recubierto por una capa con un espesor
de 1Å de aluminio (2.27gr/cm3).
En la microbalanza de cristal de cuarzo, el transductor es el cristal de cuarzo y el
recubrimiento polimérico es la segunda fase selectiva, también llamado colector. La
combinación del transductor y de la fase selectiva o colector, constituye el sensor.
En la cámara PPC, se incorporan los dos tipos de sensores QMC (figura 2 y 3 dentro del
documento con número 9). La balanza tipo criogénica se monta sobre una pletina de
cobre, en la vertical el orificio de efusión. Mientras que la balanza refrigerada por agua,
va montada en una brida DN40CF del cuerpo de la cámara principal.
En la cámara IE3C, se monta una balanza de cuarzo refrigerada con agua, también sobre
una brida DN40CF.
24
Figura 9: Balanzas de cuarzo, y detalles de configuración en una aplicación típica de recubrimiento
25
Espectrómetro de masas cuadrupolar, Espectrometría de masas
Un analizador cuadrupolar consiste básicamente de una fuente de electrones que
produce iones por colisiones con las moléculas del gas, un cuadrupolo que produce
variaciones en las trayectorias de los iones dependiendo de su relación carga-masa y un
detector que mide el número de iones (intensidad) que no han sido deflectados.
El principio operativo de los espectrómetros de masas consiste en someter a los iones
existentes en un volumen a un campo electromagnético de manera que sigan diferentes
trayectorias de acuerdo a sus diferentes relaciones masa-carga (m/e). El analizador de
gases emplea un cuadrupolo que genera un campo eléctrico variable.
Variando la elección de U (voltaje continuo) y V (voltaje alterno) podremos elegir
diferentes iones y medir el número de iones en cada caso, obteniendo una medida de la
presión parcial de los diferentes gases en un entorno determinado.
Lo más significativo del cuadrupolo es el sistema separador de iones, a través de él, los
iones describen espirales en relación a su masa/carga, como consecuencia del campo
hiperbólico al que se ven sometidos. Esto es como consecuencia de la combinación
entre un campo producido por DC y AC.
U + V cos ωt
La longitud del sensor y el sistema separador, es del orden de 15cm, en sistemas de
UHV, para sistemas de XHV, puede ser de mayor longitud, de este modo el camino
libre medio de los iones, debe ser mayor de 15cm, por ejemplo: para aire y nitrógeno a
10-4mbar corresponde a 60cm, siendo esta la presión mínima a la que puede funcionar el
espectrómetro de masas. Otro ejemplo: Si deseamos medir con presiones del orden de
10-12mbar, la longitud el cuadrupolo puede ser reducida de 12cm a 2cm.
Modos de detección
Los espectrómetros de masas cuadrupolares, normalmente cuentan con dos modos de
detección:
•
Faraday: Los iones chocan contra el detector y pierden su carga. Un convertidor
de corriente en voltaje transforma la señal, que es proporcional a la corriente de
iones.
26
•
Channeltron: Un multiplicador de electrones (Channeltron ó CEM, Channel
Electron Multiplier), es un dispositivo que se utiliza para detectar partículas
energéticas como electrones, iones y fotones. El CEM, consiste en un pequeño
tobo curvado de vidrio, cuyo interior se encuentra recubierto por un material con
una alta resistencia. Este material actúa de multiplicador cuando se establece una
diferencia de potencial entre los extremos del tubo.
Debido al impacto de las partículas cargadas en las paredes del CEM, se generan
electrones secundarios, que actúan de multiplicadores de señal. Este efecto se
repite sucesivamente hasta el extremo final de tubo, donde se recoge una señal
amplificable analógicamente.
El punto de operación del CEM, se determina cuando la relación entre el voltaje
aplicado y el número de cuentas, da una curva característica, en la que el
comienzo de la región plana o “plateau”, determina el punto de mínimo voltaje
para el cual la ganancia es lineal., normalmente entre 50 y 100V de
desplazamiento sobre el punto de inflexión.
Otro elemento muy importante es determinar los factores que afectan en la vida
de los channeltron, que se ven afectados por malas condiciones de presión y por
contaminación debidos a gases de tipo orgánicos.
En los detectores de electrones que utilizan channeltrons, estos se suelen colocar
alineados en un conjunto que pueden llegar hasta nueve, esta cuestión está
determinada por la arquitectura propia del detector, de este modo se dispone de
ajustes o de “threshold”, para garantizar que todos los canales o channeltrons,
tengan la misma ganancia, y las curvas sean lo más parecidas.
El detector tipo Channeltron sólo se puede utilizar para presiones mejores a 10-5mbar.
Por lo que es el tipo de detector que usamos en las medidas en este trabajo.
Evaluación de los espectros:
Hay que tener en cuenta los distintos isótopos que pueden aparecer con distinto número
atómico (diferente masa e igual número atómico).
Dependiendo de la energía de impacto de los electrones, los iones pueden estar
ionizados múltiplemente. Para cada tipo de Ion, hay una energía umbral asociada. Para
la mayoría de los gases, la energía de los electrones se encuentra entre 80 y 110 eV.
27
Los fragmentos de patrones, tienen una distribución característica en el espectro (se
caracterizan en las tablas mediante tanto por ciento) (Ver figura 5, dentro de la figura 10
del documento).
Es realmente complicado averiguar una especie química cuando solo se dispone de esta
técnica analítica. Sólo para casos especiales como el vacío y/o gases muy conocidos, se
puede hacer una predicción con máximas garantías de acierto. En el momento que
cualquier muestra en el interior de la cámara de vacío desgasifica, los electrones de la
celda de ionización generan fragmentos de iones. Además la posibilidad de múltiple
ionización, depende de la geometría (diferente número de iones, depende de la longitud
y del campo de ionización). Por lo que es imprescindible mantener siempre las mismas
condiciones. Trabajar en el límite de vacío de la bomba, y mantener la misma distancia
y ángulo de la muestra con respecto a la cámara de ionización, garantizan la
reproducibilidad.
En resumen se identifican masas de manera fácil, pero las especies químicas asociadas a
las mismas aumentan en complejidad a medida que el número de masa se hace más
grande. Es más fácil identificar especies químicas con números hasta 50m/q, que
especies con números hasta 200m/q, debido a la fragmentación múltiple de iones de
moléculas grandes.
Sensibilidad del espectrómetro
La sensibilidad (S) del espectrómetro de masas, para un determinado gas, es la relación
entre la corriente de iones (Ix) recogida en el detector con respecto a la presión parcial
(Pp) del mismo en la fuente de ionización.
Para determinar la sensibilidad es necesario especificar la corriente de emisión del
filamento, la energía electrónica y el valor de resolución
28
Figura 10: Cuadrupolo en RF (espectrómetro de masas)
29
Espectrometría de masas. Qué es: Es una técnica basada en la posibilidad de separar
especies moleculares y atómicas según su masa. Es aplicable para el análisis de muchos
tipos de muestras desde elementales hasta grandes proteínas y polímeros
Que información se obtiene:
•
Medidas exactas de masas útiles para el cálculo de fórmulas empíricas
•
Huellas de fragmentación, específicas para cada compuesto, utilizables para
identificar muestras por comparación con bases de datos de fragmentos.
•
Fragmentación controlada para la elucidación estructural de nuevos compuestos.
•
Detección de patrones de fragmentación útiles para la detección de grupos
funcionales.
•
Detección de abundancias isotópicas de los compuestos que entran a formar
parte de un determinado compuesto.
Ventajas:
•
Se puede obtener mucha información con una cantidad muy pequeña de
compuesto
•
No implica la absorción o emisión de luz
•
Se utiliza, por ejemplo, un haz de electrones de alta energía que rompe la
molécula en fragmentos.
•
Las masas de los fragmentos y su abundancia relativa proporciona información
sobre la estructura de la molécula
Desventajas:
Es una técnica destructiva, la muestra no se puede recuperar íntegra, al haber sufrido la
fragmentación.
¿Cómo se consiguen los iones?: (Ver figura 2, dentro de la figura 10 del documento)
En la ionización por impacto electrónico, se bombardea la molécula con un haz de
electrones de alta energía. Un electrón de este tipo puede arrancar un electrón de un
enlace, creando un catión radical (ion positivo con un electrón desapareado).
¿Cómo se separan los iones?: (Ver figura 3, dentro de la figura 10 del documento)
Empleando un campo electromagnético que es capaz de provocar la deflección de los
30
cationes obtenidos. La intensidad de la deflección depende de la relación carga/masa. La
señal que se obtiene en el detector es proporcional al número de iones que “chocan”
contra él, variando el campo magnético, se pueden “recolectar” y contar iones de todas
las masas. En aplicaciones de UHV (ejemplo TDS, RGA), como la búsqueda de fugas,
se suele emplear el cuadrupolo en RF.
Sensores de temperatura
La temperatura es un parámetro termodinámico del estado de un sistema que caracteriza
el calor, o transferencia de energía. Dependiendo del estado en que se encuentre la
muestra a medir (sólido, liquido o gas), utilizaremos un tipo de sonda. También es muy
importante conocer el rango de temperaturas para las cuales necesitamos realizar
nuestras medidas.
•
Termómetro de resistencia (RTD): Consiste en un alambre de platino cuya
resistencia eléctrica cambia cuando cambia la temperatura (disminuye con la
temperatura). Utilizamos sensores de platino Pt100 (100Ohm. a 0ºC) y Pt1000
(1000Ohm a 0ºC).
En la cámara PPC, tenemos sensores Pt100, en el portamuestras, y en la cubierta
superior de la celda de efusión. Utilizamos los Pt1000, en el sensor de temperatura
ambiental.
•
Termopar: Es un dispositivo utilizado para medir temperaturas basado en la
fuerza electromotriz que se genera al calentar la soldadura de dos metales
distintos. Nosotros usaremos los de tipo K, formados por la unión de dos hilos,
uno de Chromel (aleación de Cromo) y el otro de Alumel (aleación de
Aluminio).
Utilizamos el termopar en ambas cámaras de vacío. Tenemos atornillado al
portamuestras de Tántalo este tipo de sensor en la cámara IE3C. En la cámara PPC,
utilizamos el termopar, en el portamuestras, en la celda de efusión, en las paredes de la
cámara de vacío, y en la balanza de cuarzo.
Sensores de presión
31
La cámara PPC cuenta con cuatro tipos de sensores de presión, y la cámara IE3C con
dos tipos de sensores (Pirani y Penning). El de medida directa es el capacitivo, y los de
medida indirecta son el Pirani, el Penning y el espectrómetro de masas, ya que como
hemos comentado puede realizar una medida de la presión, proporcional a la corriente,
como suma de todos los iones, que inciden en su detector.
•
Sensor Capacitivo
El medidor de presión capacitivo, mide directamente la presión del gas al margen del
tipo de gas que se trate. El fundamento físico se define como la fuerza que se ejerce por
unidad de superficie. El resultado de la medida de presión al ser independiente del tipo
de gas presente en la cámara de vacío es el resultado de la suma parcial de todos los
componentes de gas que se encuentren en la cámara de vacío. El diseño del sensor
consiste en un diafragma de superficie conocida A que se deforma proporcionalmente
debido a la fuerza F. El resultado de esta deformación se mide mediante un método
capacitivo. El sensor capacitivo consiste en un diafragma que se deforma o deflecciona,
y el resultado de esta deflección es medido a través de un cambio en la capacidad
eléctrica. Las membranas de este condensador están formadas por dos diafragmas de
material cerámico metalizado o bien de acero inoxidable. Dependiendo de las
dimensiones del diafragma, así como del espesor del mismo, se obtienen distintos
rangos de medidas de presión:
•
10-1 a 1100 mbar
•
10-2 a 110 mbar, (utilizado en PPC)
•
10-3 a 11 mbar
•
10-4 a 1,1 mbar
•
10-5 a 0,11 mbar
La temperatura influye de manera activa en el resultado de las medidas. Para corregir
esto se suele instalar un calentador interno, que mantiene a temperatura constante el
sensor de presión.
Las fuerzas que actúan sobre el diafragma se ven muy reducidas a bajas presiones, por
lo que los cambios de temperatura, influyen en la distancia que hay entre las dos
membranas, notándose en una medida errónea de la presión. Es muy importante en las
medidas de calibración, referenciar correctamente el cero del sensor de presión, para
32
ello es imprescindible en un primer momento asegurarnos que la presión de nuestra
cámara de vacío se encuentra en niveles inferiores al rango mínimo del sensor. Por
ejemplo para el sensor de 10-2, debemos asegurarnos en el cero una presión de 10-4,
antes de poder ajustar nuestro cero. De esta manera nos aseguraremos un correcto
funcionamiento cuando nos encontremos en el cero real de nuestro sensor, en este caso
10-2 mbar.
•
Sensor Pirani
Este manómetro tiene un tubo sellado a una presión menor de (10-3mbar). Lleva en su
interior una resistencia que constituye la celda de compensación y otro tubo abierto con
una resistencia igual a la anterior, la cual se conecta a la fuente de presión que va a ser
medida. Ambas celdas forman parte de un circuito que fundamentalmente es un puente
de Wheatstone y finalmente las variaciones de voltaje se miden con un potenciómetro
graduado en términos de presión absoluta.
El transductor Pirani tiene la ventaja de ser compacto y sencillo de funcionamiento,
pudiendo estar a presión atmosférica sin peligro de combustión. Tiene el inconveniente
de que su calibración depende de la composición del gas medido.
En la máquina PPC y en IE3C, el medidor Pirani está junto al detector Penning,
formando un manómetro combinado que puede llegar a medir desde presión atmosférica
hasta 5x10-9mbar.
•
Sensor Penning
Se basa en el principio de la medida de una corriente iónica producida por una descarga
de alta tensión. Los electrones desprendidos del cátodo toman un movimiento en espiral
al irse moviendo a través de un campo magnético en su camino hacia el ánodo (algo
parecido ocurre en el interior de una bomba iónica). El movimiento en espiral da lugar a
que el camino libre medio entre electrones sea mayor que la distancia entre electrodos.
Por consiguiente, aumenta la posibilidad de colisiones con las moléculas del gas
presente lo que da lugar a una mayor corriente iónica y de este modo la descarga
catódica se mantiene a una presión más baja, o sea a un vacío más alto. El sensor tipo
Penning (magnetrón invertido), llega a medir vacio hasta 5x10-9mbar.
33
8. PROCEDIMIENTO DESARROLLADO
En este apartado mostraremos el procedimiento de toma de medidas. Esto incluye la
manera de operar con el horno, la celda de efusión, el cuadrupolo y la balanza de cuarzo
de manera simultánea, para ambas cámaras de vacío. El procedimiento de puesta en
marcha es el siguiente:
1. El primer paso de nuestro sistema consiste en la calibración de todos los
sensores en las condiciones de vacío (QCM, Capacitivo, Penning), más optimas
para la realización del protocolo DHMR y para la desgasificación de muestras.
Tanto la cámara PPC como IE3C, la llevamos al régimen de vacío mínimo sin el
proceso de horneo. En la cámara IE3C, 10-8mbar y en la cámara PPC, 10-6mbar. Una
vez alcanzado este nivel, procedemos a la calibración de los sensores capacitivos
(offset) de la cámara PPC, ya que el cero se encuentra en (0.01), 10-2mbar.
PPC
IE3C
Vacío (mbar)
10-6
10-8
Después del horneo (mbar)
10-7
< 5x10-9
2. EL siguiente paso es realizar un cero-gas de la composición gaseosa en estas
condiciones. En este caso podemos utilizar el SEM ó channeltron del
cuadrupolo. Visualizamos un espectro hasta una relación de 50 q/m
Figura 11: Espectro de gas residual en IE3C,
presión base 4x10-8mbar
Figura 12: Espectro de gas residual en PPC,
presión base 7x10-7mbar
1,0x10-6
6,0x10-8
Ion Current (A)
-8
8,0x10
Ion Current (A)
5,0x10
4,0x10-8
Corriente
Corriente
-7
3,0x10-8
6,0x10-7
4,0x10-7
2,0x10-8
2,0x10-7
1,0x10-8
0,0
0
10
20
30
q/m
40
50
0,0
0
10
20
30
40
50
q/m
34
En la cámara IE3C contamos con un espectro limpio. (La composición gaseosa después
de un RGA, para masas >40, excluyendo la masa 44, (CO2), es ≤ al 1%,
). Este espectro corresponde al de un sistema de ultra alto vacío antes del
horneo, ya que se aprecia que la contribución de la masa 18 es la mayoritaria, siendo
esta la que corresponde al agua, y en segundo lugar se encuentra el hidrógeno (m=2).
Sin embargo en la cámara PPC, observamos que la mayor masa corresponde a la
número 28, además mantiene una relación con respecto a la masa 32 de cinco veces
más, quiere esto decir que tenemos una fuga de aire a esas presiones. En realidad esto es
normal, ya que la cámara PPC cuenta con cierres de alto vacío (10-6mbar) y el
pasamuros del sistema calefactor del horno (celda de efusión), está construido con vitón.
Observamos que se trata de una cámara de alto vacío, diseñada para realizar estudios
ambientales sin gran exigencia del nivel de vacío, que cuenta con un sistema de bombeo
de una gran velocidad para el bombeo primario (Seff=20m3/h), lo que le permite realizar
estudios de desgasificación para cumplir los requisitos de DHMR, para volúmenes
relativamente grandes.
3. El tercer paso, es parar nuestra máquina de vacío, ventear las máquinas, que ya
tenemos caracterizado nuestros sistemas sin muestra, (sensores de vacío y
composición residual de gases).
4. El cuarto paso, es introducir la muestra en el sistema de vacío. Dependiendo del
tipo de muestra lo haremos en una máquina u otra. Una vez que tenemos
caracterizada nuestra máquina IE3C, abrimos por la ventana en DN100CF e
introducimos una muestra conocida de la ESA. Es muy importante saber que en
IE3C, la desgasificación de la cámara se realiza con la muestra a medir en su
interior, esto es debido a que esta cámara, al igual que PPC, no cuenta con una
cámara de introducción de muestras, por lo que en la toma real de medidas, no
desgasificaremos la cámara previamente. Esto no afecta mucho, ya que cuando
realizamos las medidas de desgasificación, el cuadrupolo se encuentra a 1cm de
la muestra, siendo además la temperatura máxima que queremos alcanzar muy
baja (125ºC a 565ºC), por lo que en este caso no es imprescindible desgasificar
la cámara de vacío. Representaremos en la tabla inferior un resumen de las
principales características de las maquinas, que nos ayudaran a escoger el tipo
más recomendable para cada clase de muestra.
35
IE3C
PPC
10x10x5 mm
200x200x400 mm
Peso máximo de muestra
20 gr
--------
Seff (velocidad efectiva)
500 l/s, TMP
20m3/h, rotativa
Presión mínima
<5x10-9 mbar
10-6 mbar con TMP
Presión máxima
10-5mbar
3mbar (RGA con bombeo
Tamaño
máximo
de
muestra
diferencial)
Rango de Temperatura
Tamb < T < 565ºC
-160ºC < T < 150ºC
5. El quinto paso es llevar nuestra máquina al nivel de vacío más adecuado para la
realización del protocolo DHMR. Lo mejor es que el nivel de vacío sea el más
bajo posible, sin el proceso de horneo.
6. El sexto paso es proceder al calentamiento del horno a la temperatura de
consigna de 125ºC.
Ambas cámaras de vacío, disponen de un control de la temperatura mediante un
controlador PID (Proportional Integral Differential).
Figura 13: Esquema de realimentación del PC con la instrumentación en la máquina PPC
36
Figura 14: Esquema de realimentación del PC con la instrumentación en la máquina IE3C
Las figuras superiores 13 y 14, muestran el esquema de control de toda la
instrumentación, siguiendo el siguiente código: Amarillo, módulos de entrada/salida de
datos. Naranja, control de la fuente de alimentación. Azul: control de la presión. Rojo:
control de la temperatura. Verde: monitorización de datos (RGA, presiones,
temperaturas,
voltajes,
resistencias,
etc,…).
Las
líneas
continuas
muestran
realimentación con el PC de control. Las líneas discontinuas, muestran comunicación
con el PC, pero sin retroalimentación. La instrumentación se monitoriza y controla
mediante software realizado ad-hoc, utilizando la herramienta labview®.
En la cámara IE3C el control de la temperatura, es muy crítico, ya que se trata de
regular la temperatura en un portamuestras para UHV. Este protamuestras está formado
por una chapa de Tántalo de 1cm2 de superficie y 1mm de grosor. En un extremo tiene
un orificio que se utiliza para enganchar una pinza y poder realizar así transferencias de
muestras. Utilizaremos este orificio para atornillar en él, nuestro sensor de temperatura
(termopar tipo K). Este portamuestras se encuentra pegado mediante dos pinzas al horno
portamuestras. En este caso el horno es un filamento de W doble de 0.2mm de diámetro,
con una potencia de 50W. Con este sistema somos capaces de calentar nuestra muestra
hasta temperaturas de 565ºC, por lo que es imprescindible tener un ajuste muy fino de la
temperatura de consigna para el DHMR (125ºC). Podemos además realizar estudios de
desorpción espectroscópica de masas en cristales,
y de muestras biológicas,
modificando el portamuestras para que pueda albergar polvos.
37
Figura 15: Detalle portamuestras de IE3C
En vacío, realizamos una rampa de temperatura de 20ºC por minuto, hasta la
temperatura de consigna (125ºC), partiendo desde temperatura ambiente (25ºC).
Capturamos los datos de la presión y de la temperatura en función del tiempo. Una vez
en la temperatura de consigna, vemos el ratio de desgasificación en función del tiempo.
Es muy importante que el aumento de temperatura no sea muy brusco, ya que debemos
de poder garantizar siempre una presión mejor que 10-5mbar, para poder realizar una
lectura posterior de las masas que se desprenden con el cuadrupolo, por lo que
necesitamos poder encender el Channeltron (multiplicador de electrones, SEM).
Figura 16: Grafica de evolución del tiempo t y la temperatura T, en el proceso DHMR
38
7. El séptimo paso es proceder a las medidas de la presión, temperatura,
composición de gases y de frecuencias que provienen de la QCM.
8. El octavo paso, consiste en dejar que la muestra una vez que el DHMR ha
terminado, baje hasta temperatura ambiente y proceder a la apertura de la
máquina mediante una operación de venteo con nitrógeno. (Este proceso
garantiza que las paredes interiores de la cámara de vacío no absorban vapor de
agua del aire).
9. El noveno paso, es proceder a las medidas de pérdida de masa tanto en la
muestra como en el colector de la balanza de cuarzo, para obtener los parámetros
TML, RML y CVCM.
10. Mantenemos las muestras y/o los modelos de vuelo (dispositivos montados en su
configuración definitiva, que corresponden a uno o varios componentes
ensamblados, y listos para ser enviados al espacio) limpiados en la máquina
PPC, en el interior de las bolsas esterilizadas de espera, hasta su ensamblaje con
el resto de dispositivos, que formaran parte de la misión espacial. Este proceso
se debe realizar en el interior de una sala limpia.
39
9. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
En esta sección vamos a mostrar el resultado obtenido a partir de una muestra de la
ESA. Utilizamos una muestra de dimensiones (150x150x1) mm3, para realizar estudios
de limpieza mediante DHMR y la analizamos mediante el cuadrupolo en tiempo real, es
decir realizamos un TDS. Además utilizamos el colector de la balanza de cuarzo y la
propia muestra para medir de manera cuantitativa los parámetros de desgasificación.
El resultado de los parámetros de desgasificación obtenidos en el DHMR, difieren de
los establecidos por la ESA, ya que en el DHMR, solo calentamos las muestras un
periodo de 5h, mientras que en el procedimiento de desgasificación de la ESA, el
tiempo de desgasificación es de 24h.
Es muy importante comparar nuestros datos con los registrados en la base de datos de la
NASA [12], esto nos sirve para identificar el material, así como sus coeficientes de
desgasificación.
Este tipo de muestra la vamos a estudiar en la cámara IE3C, ya que se trata de una
muestra simple. Ajustamos el tamaño para el portamuestras de acero (10x10x1) mm3.
Elegimos la muestra con la referencia de la ESA: 08056, VMQ 60-ROJA. Se trata de
una silicona, usada como aislante térmico y junta estanca en el interior de los modelos
de vuelo. Representamos en la tabla inferior los datos obtenidos de desgasificación
mediante el colector de la balanza de cuarzo y la muestra, en función de los
coeficientes: TML, RML y CVCM, así como un espectro por transmisión en el
infrarrojo (ver anexo) realizado con posterioridad:
VMQ 60-ROJA
TML%
RML%
CVCM%
Picos cm-1
0.426
0.408
0.144
660.79
798.51
863.8
1027.52
1092.59
1260.58
1412.87
2962.72
Tabla 2: Resultados de desgasificación y FTIR de la Silicona.
Comparamos los datos obtenidos en nuestro sistema experimental, con las referencias
que existen en la NASA [12]. Observamos, que la NASA tiene identificado un tipo de
silicona, muy similar al que hemos analizado. COHRLASTIC RFI GASKET 8520
40
ALUM CLOTH/SILICONE: TML: 0.42, CVCM: 0.13 application: RFI GASKET.
Vemos que el acuerdo entre nuestro resultado y el esperado es muy bueno.
La silicona es un polímero sintético, compuesto por una combinación química de
silicio-oxígeno. La misma es un derivado de la roca, cuarzo o arena. Como propiedades
compatibles con espacio, es que es resistente a temperaturas extremas (-60ºC a 250ºC),
siendo resistente a la radiación.
Figura 17: Esquema de la molécula de Silicona
El procedimiento de medida implementado con la muestra de silicona, para realizar
estudios de desgasificación cualitativa, mientras se realiza el protocolo DHMR es el
siguiente:
Partimos de dos muestras iguales de silicona. Las llamaremos S1 y S2. Ambas poseen
las mismas dimensiones y peso (1cm2, 250 mgr.). S1 la montamos sobre un
portamuestras tipo “placa de Tántalo” (portamuestras que se emplean en condiciones de
UHV compatibles con microscopia STM, y que permiten la realización de
transferencias en el interior de cámaras de vacío). Para sujetar la silicona sobre el
portamuestras garantizamos el mayor contacto térmico mediante la soldadura por puntos
de unas pestañas de Tántalo.
Siempre que trabajamos en vacío, es imprescindible mantener una buena limpieza y de
esta manera garantizar que el resultado de la desgasificación que observaremos con el
cuadrupolo, sea debido a la muestra y no a la contribución del portamuestras. Por lo que
el portamuestras (sin muestra) es limpiado en un baño ultrasónico por inmersión en
acetona y limpiado posteriormente con papel empapado en alcohol. Una vez que el
portamuestras está limpio, se procede a introducir S1 en IE3C, para llevar la cámara a
régimen de vacío.
41
S1, nos servirá para explorar la desgasificación a distintas temperaturas e identificar las
masas más relevantes, cuando llevemos la muestra definitiva S2 a estudio.
Realizamos un espectro de la composición de gases residual a temperatura ambiente y a
125ºC (máxima temperatura del DHMR). De este modo obtenemos las masas más
representativas para poder realizar un seguimiento en todo el ciclo del DHMR cuando lo
hagamos mediante un MID (Multiple Ion Detector). En las figuras inferiores 18 y 19,
mostramos ambos espectros. A temperatura ambiente (figura 18), observamos un
espectro equivalente al espectro base (figura 11), es decir, observamos que la silicona,
con un coeficiente de desgasificación < 10-9mbar•l•s. prácticamente no desgasifica a
temperatura ambiente.
A 125ºC (figura 19), vemos que la silicona muestra un espectro que corresponde a la
desgasificación de sus principales constituyentes, Si, C, O, H, en relación a distintos
iones en sus relaciones q/m. Del estudio de este espectro identificamos las masas que
vamos a necesitar para crearnos una platilla, que nos registre los datos en el posterior
MID, que usaremos en la muestra S2.
Figura 18: Espectro de la muestra S1 a temperatura ambiente (25ºC)
42
Figura 19: Espectro de la muestra S1 a temperatura máxima en DHMR (125ºC)
Una vez que tenemos identificada la emisión de las siguientes masas: 2, 14, 15, 16, 18,
28, 32, 40, 41, 43, 44, 55, 57, 69, 73, 74, 148. Creamos una plantilla en el cuadrupolo
que nos sirva para medir el DHMR en función de las masas y el tiempo, y que nos sirva
para monitorizar una muestra nueva, que se llamara S2.
m/q
especie química
m/q
especie química
2
H2+
43
CH3SiO+
14
N+
44
CO2+
15
CH3+
55
Si2, 3CH6+
16
O+
57
Si2+
18
H2O+, CH6+
69
SiC2O+
28
N2+, CO+, Si+
73
SiO+, 4CH6+
32
O2+
74
SiOH2+
40
Ar+
148
Si3O4+
41
CHSiO+
43
El siguiente paso es realizar el protocolo de medida con una muestra completamente
nueva partiendo desde presión atmosférica sin haber realizado en la misma ninguna
desgasificación previa en vacío, garantizamos así que la lectura que proviene desde el
cuadrupolo, corresponde a la de la silicona “sucia”, que es la que se va a incorporar
como material de vuelo, en las misiones espaciales.
Comenzamos montando S2 en el portamuestras de acero, e introduciéndolo en vacío en
IE3C. En el momento que nuestro medidor PKR (Pirani-Penning), muestra una lectura
de presión de 10-5mbar, encendemos el cuadrupolo (filamento + SEM), y comenzamos
una medida de MID de desgasificación a temperatura ambiente con una S (velocidad de
bombeo) de (500l/s). Del resultado de estas medidas obtenemos la figura 20:
Figura 20: MID de desgasificación a temperatura ambiente
Vemos como las masas más representativas corresponden al Agua, al Oxígeno y al
Silicio. La contribución de agua será siempre la mayoritaria en un sistema sin hornear,
que se encuentra limpio de contaminantes, en ausencia de fugas reales o virtuales.
Prueba de ello es que todas las masas decrecen exponencialmente en el tiempo.
Una vez pasadas 72 horas de la puesta en vacío de la muestra S2, nos encontramos que
el interior de la cámara se encuentra a una presión de 6x10-9mbar.
44
Con una presión del orden de 10-9mbar comenzamos el protocolo de desgasificación
siguiendo las especificaciones del DHMR. Para ello situamos de cara a la cámara de
ionización del cuadrupolo, la muestra S2. Para el encendido del horno limitamos la
corriente máxima del filamento a 2,5A con un ratio de temperatura de 20ºC por minuto.
Este es el modo que tenemos para que afecte lo menos posible el encendido del
filamento sobre las medidas del cuadrupolo, ya que el filamento desgasificara mucho
más rápido que cualquier otro elemento que se encuentre sobre el horno. El resultado de
la desgasificación de las masas en función del tiempo, teniendo en cuenta la
temperatura, se aprecia en la figura 21:
Figura 21: MID de S2 en el procedimiento DHMR, en la cámara IE3C.
En la figura 21 mostrada arriba, vemos la dependencia de la presión parcial de cada
masa (corresponde a la corriente de los iones) en función del tiempo a temperatura
constante en el procedimiento DHMR.
El aspecto más destacable al inicio, coincide con el encendido del filamento del horno.
Ese primer pico provoca un rápido aumento de la presión debido al agua, al oxígeno y
carbono que se desprende de la superficie del filamento que es Tungsteno. Con el
filamento caliente, y comenzando a distribuir el calor por el horno, la muestra S2 se va
45
calentando, hasta la temperatura máxima de 125ºC. A esta temperatura el máximo se
encuentra en la masa que corresponden al 18, que es el agua. Esto nos dice que el agua
es el elemento con una presión de vapor más alto en el horno de IE3C.
A medida que transcurre el tiempo, manteniendo la temperatura constante, se observa
como la contribución mayoritaria de masas evoluciona, no siempre de manera
exponencial, esto se aprecia en la masa 14 y en la masa 16. Aproximadamente a mitad
del DHMR, estas masas son las mayoritarias, lo que quiere decir, que son las que
corresponden a los enlaces más débiles dentro de la estructura de la muestra, N, O y
CH3. Una vez que la muestra ha desgasificado estos elementos, lo que ocurre al final del
espectro es que la masa más mayoritaria es la 73, que corresponde a un oxido de silicio
y compuestos aromaticos. Estos compuestos se encuentran más ligados a la muestra, y
cuesta más desprenderlos, ya que poseen una presión de vapor más baja.
Mostraremos más adelante los detalles del comienzo y del final del DHMR.
En la siguiente figura, la número 22, mostramos la dependencia de la medida de la
presión total en función de la temperatura. Tanto la presión P como la temperatura T1
están en voltios, ya que corresponde a dos entradas analógicas del cuadrupolo. Se
empleo la entrada analógica 1 del cuadrupolo, para introducir la señal amplificada del
termopar tipo K del portamuestras. En la entrada analógica 2 se capturo la señal que
provenía de la electrónica del sensor de presión PKR (Pirani-Penning), a través del
modulo de lectura DualGauge de Pfeiffer.
46
Figura 22: Gráfica de la Temperatura y la Presión en función del tiempo para el procedimiento
DHMR en la máquina IE3C. El eje vertical Y, muestra la entrada analógica (que registra el
cuadrupolo) en voltios, que proviene del transductor de temperatura (Termopar K), y del sensor
de presión (Pirani-Penning)
Cuatro son los puntos más destacables de la figura:
1. El aumento de la presión corresponde con la puesta en marcha del horno.
Además se aprecia un pico, justo con el encendido del filamento.
2. La presión decrece de manera exponencial, una vez que ha alcanzado la máxima
temperatura en el DHMR.
3. Con el apagado del horno, la presión disminuye, llegando al valor inicial
pasadas 16 desde la puesta en marcha.
4. La temperatura de la muestra se mantiene constante y a un valor más alto de la
temperatura ambiente de comienzo del experimento (60ºC), una vez que el
DHMR ha terminado. Esto es debido a que el cuadrupolo se encuentra
encendido en todo el proceso, y el filamento del cuadrupolo, con una
temperatura de 1100ºC, hace aumentar la temperatura de la muestra, por encima
de los 25ºC de la temperatura ambiente. Este calor se transmite solo por
47
radiación, (10-9mbar). Al ser esta temperatura muy inferior de los 125ºC, no nos
afecta sobre las medidas de TDS con el cuadrupolo.
Observamos con detalle el comienzo de la desgasificación, según vemos en la figura 23
inferior:
Figura 23: MID de S2 en el comienzo del DHMR
1. El comienzo del calentamiento del horno, por el encendido del filamento,
produce una rápida respuesta en el cuadrupolo. Esto es debido a que la corriente
del filamento en el momento de la puesta en marcha aumenta hasta 2.5A
(máximo de consumo permitido por el filamento, de acuerdo a nuestra
experiencia de desgasificación), por lo que desgasifica de manera muy rápida.
Una vez que el propio filamento ha expulsado algo de contaminación adherida a
su superficie, baja la presión, hasta el nivel que le corresponde debido al valor de
su temperatura, sabiendo que tenemos una silicona, que es un material con una
aceptable presión de vapor (compatible con vacío).
2. El aumento de la desgasificación aumenta hasta la temperatura de consigna
(125ºC), momento en el que la velocidad de bombeo hace que comience a
disminuir la presión, aun manteniendo la temperatura constante a 125ºC. En el
48
máximo, las masas más representativas son las siguientes, de mayor presencia a
menor presencia: 18, 14, 73, 16, 43, 41, 57, 28, 55, 69, 2, 74, 44, 32, 40, 148. En
su mayoría corresponden a la desgasificación del filamento, y a la Silicona (Si,
C, O).
3. El aspecto más interesante se encuentra en la evolución de la desgasificación con
el tiempo, una vez que ha comenzado el procedimiento DHMR. Observamos
como la concentración de los gases varía en función del tiempo, haciendo que
aproximadamente a mitad del procedimiento, las masas más relevantes por
orden de máxima concentración son las siguientes: 14, 73, 16, 18 (agua), 55, 28.
Llegando en un momento a que la masa 16 (oxígeno), es la segunda más
representativa. Es decir se elimina toda el agua que contiene la silicona, y se
empieza a desgasificar de manera más efectiva los elementos constituyentes de
la silicona.
Al final del procedimiento, observamos la figura 24:
Figura 24: MID de S2 al final del DHMR
1. Pasadas 5h desde la puesta en marcha de la temperatura de consigna de 125ºC,
la contribución de las masas más relevantes es: 73, 28, 14, 16, 43, 18, 41, 44.
49
2. En el momento de apagar el horno, es decir bajando la temperatura de consigna
(125ºC), pero todavía desgasificando, la principal contribución corresponde a la
masa 28. Esto es debido a que es el propio filamento del cuadrupolo el que
mantiene la temperatura de la muestra sobre los 60ºC. Este aumento de
temperatura es debido exclusivamente a la radiación, por lo que hace que la
silicona S2 a esta temperatura desprenda Si. La temperatura del filamento del
cuadrupolo es de unos 1100ºC, y se encuentra a 1,5cm de la superficie de S2.
3. Si dejáramos más tiempo el horno encendido, S2 desgasificaría en el tiempo de
manera exponencial hasta dejar el interior de la cámara un espectro limpio y con
los constituyentes últimos de la muestra S2, en este caso Si, C, O e H.
La muestra de Silicona, también la hemos analizado mediante espectrometría infrarroja
(ver anexo). La diferencia fundamental es que el estudio de interferometría FTIR, no se
ha realizado en vacío, en el interior de IE3C, sino dentro de un interferómetro, en una
atmosfera de Nitrógeno a presión atmosférica.
En la tabla inferior, mostramos los resultados del análisis de infrarrojo.
Frecuencia en cm-1
Enlace
Tipo de compuesto
Intensidad
660.79
C-H
Anillos aromáticos
Fuerte
798.51
C-H
Anillos aromáticos
Fuerte
863.8
Si-O-Si
Silicatos
Fuerte
SiO
1027.52
1092.59
Si-O-Si
Silicatos
Fuerte
1260.58
Si-O-Si
Silicatos
1412.87
C-H
Alcanos
Fuerte
2962.72
C-H
Alcanos
Fuerte
Los resultados del análisis de infrarrojo, nos muestran la composición química principal
de la silicona, formada por Sílice y Silicatos [13, 14, 15], así como distintos tipos de
compuestos alcanos y elementos aromáticos.
En la siguiente tabla, mostramos las distintas especies químicas asociadas según la
relación carga/masa del espectrómetro de masas. A diferencia del infrarrojo, la
separación de las masas correspondiente a un entero, depende sobre todo de la
calibración del instrumento. El ajuste de las masas se realiza sobre la masa 18 en
50
condiciones de máximo vacío y sin hornear el sistema, por lo que cuando dos masas se
encuentra juntas o consecutivas, sobre todo para masas grandes, es posible que el ancho
del pico no se encuentre justo sobre un número entero, por lo que se debe de tener en
cuenta la proporción del número anterior y posterior al buscado.
m/q
especie química
m/q
especie química
2
H2+
43
CH3SiO+
14
N+
44
CO2+
15
CH3+
55
Si2, 3CH6+
16
O+
57
Si2+
18
H2O+, CH6+
69
SiC2O+
28
N2+, CO+, Si+
73
SiO+, 4CH6+
32
O2+
74
SiOH2+
40
Ar+
148
Si3O4+
41
CHSiO+
En la tabla superior observamos un grupo numeroso de especies químicas presentes en
la Silicona, que han ido apareciendo a lo largo de todo el proceso de desgasificación en
el DHMR. En dicha tabla mostramos los principales constituyentes de la muestra de
Silicona, así como las especies resultado de la desgasificación del filamento del horno y
los gases residuales del interior de la cámara de vacío.
En conclusión, vemos por el infrarrojo, que la muestra no se destruye durante el proceso
DHMR, ya que al realizar el análisis con posterioridad al vacío, se distinguen las
distintas líneas espectrales que corresponden a los constituyentes de la Silicona.
Además por la espectrometría de masas, vemos como va desgasificando primero las
masas que corresponden a especies químicas con una presión de vapor más alta.
51
10.
CONCLUSIÓNES
En este trabajo hemos presentado el diseño y realización de dos máquinas de vacío
existentes, para realizar estudios de distintas técnicas en condiciones ambientales o
atmosféricas adversas, que permiten en función de las características físicas de las
muestras, la elección de una de ellas.
La versatilidad, usabilidad y funcionalidad de ambas máquinas se pone de manifiesto,
en la realización del protocolo DHMR, que sirve para esterilizar muestras que van a ser
destinadas a la búsqueda de vida en entornos extraterrestres, así como la capacidad de
adaptación, para poder realizar estudios científicos sobre la desgasificación en tiempo
real, usando instrumentación específica para ello.
El diseño del portamuestras, de la celda de efusión, del horno, así como una correcta
disposición de toda la instrumentación y una adecuada optimización del volumen, y de
la capacidad de bombeo a la que se dota ambas máquinas, permite caracterizar infinidad
de muestras y dispositivos, que serán enviados al espacio en futuras misiones
espaciales.
En cuanto al protocolo o procedimiento de medida, se han descrito con detalle, los
aspectos más relevantes, para un usuario avanzado con experiencia en el manejo de este
tipo de instrumentación. Se han mostrado los espectros de masas, en vacío de las
cámaras, así como los pasos más destacables para poder llevar con éxito todo el
proceso.
Debido a la complejidad del manejo de la instrumentación, no se ha entrado en detalle
en el modo de operar con ella, pero si se ha explicado los fundamentos físicos sobre los
que se basan sus medidas.
Se ha trabajado con una muestra real, proveniente de la ESA. Sobre esta muestra hemos
realizado el protocolo DHMR, midiendo los parámetros que establece la agencia, así
como un espectro de infrarrojo en transmisión para poder determinar su composición a
fin de compararla con el estudio del cuadrupolo.
Hemos realizado TDS en tiempo real con el protocolo DHMR en marcha, y hemos
optimizado la búsqueda relevante de masas, mediante el procedimiento de estudio de
dos muestras gemelas S1 y S2, que nos ha permitido la elaboración de un espectro MID
ajustado a la composición química de la muestra. Esta es la parte más novedosa del
52
trabajo de investigación desde el punto de vista científico, ya que los trabajos actuales,
miden la desgasificación dependiente de la temperatura, pero no entrecruzan los
fenómenos que se producen cuando se realizan protocolos de limpieza bacteriológica.
Esta información es siempre beneficiosa, ya que permite saber la composición de los
gases no solo en componentes discretos, sino también en dispositivos electromecánicos
ya ensamblados para ser enviados al espacio.
Por último, mostramos en los espectros del cuadrupolo, la evolución temporal de la
desgasificación, en función de las masas. Lo que nos ha permitido comprender mejor la
distinta evolución de pérdida de masa, de manera exponencial, así como la contribución
de cada masa, en las distintas fases del protocolo DHMR.
Hemos empleado los resultados de otra técnica analítica, como es FTIR en transmisión,
para asegurarnos de la composición de la muestra a efectos de poder validar los
resultados experimentales de la espectrometría de masas.
En el diseño de las máquinas de vacío y la instrumentación, hemos tenido que combinar
un desarrollo en 3D con una optimización de las posibilidades reales de construcción de
las máquinas. Todo ello apoyado con el software de diseño SolidWorks®.
El control de la instrumentación y la toma de datos, se ha integrado, mediante el
software Labview®, a través de un único instrumento virtual.
53
11.
BIBLIOGRAFÍA
[1] J.M. Sobrado y J.A. Martín-Gago. La tecnología de vacío en la simulación
espacial, REF Julio-Septiembre 2010, Volumen24, número3, páginas (4-11)
[2] Trybology for Spacecraft, Training course, May 1996, ESA
[3] ExoMars, Planetary Protection Requirements, EXM-MS-RSESA-00005
[4] John F. O´Hanlon. A User´s Guide to Vacuum Technology. (Third Edition)
WILEY.
[5] John H. Moore, Christopher C. Davis, Michael A. Coplan. Building Scientific
Apparatus. (Third Edition) ABP.
[6] Thermal vacuum outgassing test for the screening of space materials, ECSS-QST-70-02C
[7] Skoog, Holler, Nieman. Principios de Análisis Instrumental. (5ª Edición) Mc Graw
Hill.
[8] Space product assurance. Thermal vacuum outgassing test for the screening of
space materials, ECSS-Q-ST-70-02C
[9] Karl Justen. Thermal Outgassing, Physikaliscch-Technische Bundesanstalt, Berlin,
Germany
[10] J.L. de Segovia. Physics of Outgassing, CETEF “L. Torres Quevedo”, CSIC,
Madrid, Spain
[11] J.W. Garrett, A.P. M. Glassford, and J. M. Steakley. ASTM E 1559 Method
for Measuring Material Outgassing/Deposition Kinetics. Lockheed Missiles & Space
Company, Inc. Sunnyvale, California.
[12] http://outgassing.nasa.gov
[13] W Bensch and W Bergholz. An FT-IR study of silicon dioxides for VLSI
microelectronics. Semicond. Sci. Tecnol. 5 (1990) 421-428
[14] C. Moore, at all. Study of structure and quality of different silicon ixides using
FTIR and Raman microscopy. SPIE Vol. 4876 (2003)
54
[15] Douglas B. Mawhinney, et all. FTIR Study of the Oxidation of Porous Silicon. J.
Phys. Chem. B 1997, 101, 1202-1206.
55
12.
ANEXO
Tabla de abreviaturas del documento:
abreviatura
CVCM
DHMR
ESA
FTIR
IE3C
ISS
MID
NASA
OFHC
PID
PPC
QCM
RGA
RML
RTD
SEM
TDS
TML
TMP
UHV
WVR
XHV
COLLECTED VOLATILE CONDENSABLE MATERIAL
DRY HEAT MICROBIOLOGICAL REDUCTION
EUROPEAN SPACE AGENCY
FOURIER TRANSFORM INFRARED
IRRADIATION AND EVAPORATION IN EXTREME ENVIRONMENTS
CHAMBER
INTERNATIONAL SPACE STATION
MULTIPLE ION DETECTOR
NATIONAL AERONAUTICS SPACE ADMINISTRATION
OXIGEN FREE HIGH CONDUCTIVITY
PROPORTIONAL INTEGRAL DIFFERENTIAL
PLANETARY PROTECTION CHAMBER
QUARTZ CRYSTAL MICROBALANCE
RESIDUAL GAS ANALYZER
RECOVERED MASS LOSS
RESISTANCE TEMPERATURE DETECTOR
SINGLE ELECTRON MULTIPLIER
THEARMAL DESORPTION SPECTROSCOPY
TOTAL MASS LOSS
TURBO MOLECULAR PUMP
ULTRA HIGH VACUUM
WATER VAPOUR REGAINED
XTREME HIGH VACUUM
El COSPAR (Committee on Space Research) categoriza las misiones espaciales en
cinco grupos, en función de la contaminación biológica:
Categoría
I
Misiones hacia localizaciones que no ofrecen interés en el estudio de la química
prebiótica, o sobre el origen y evolución de la vida. Ejemplo: Sol, Mercurio
II
Todo tipo de misiones con interés sobre el estudio de la química prebiótica y el
origen de la vida, pero que no tengan una probabilidad significativa sobre
contaminar los cuerpos celestes con microorganismos Terrestres. Ejemplo: Luna,
Venus, Cometas, Jupiter, etc,..
III
Misiones que contienen interés en el estudio de la química prebiótica y el origen
56
de la vida, pero que supongan riesgos de contaminación de los objetos
planetarios visitados. Ejemplo: Marte, Titan, Europa.
IV
Misiones de búsqueda de vida en objetos planetarios, en los que existe un riesgo
evidente de contaminación de los mismos. Ejemplo: Marte, Titan, Europa.
V
Misiones de retorno a la Tierra. Misiones que regresan a la Tierra con muestras
de distintos objetos planetarios involucrados en el estudio del origen de la vida.
Esta clasificación va cambiando a medida que aumenta el grado de conocimiento
científico sobre los distintos objetos planetarios con interés Astrobiológico.
Todas las misiones, que se encuentran en la categoría IV o V, están sometidas, a un
grado de limpieza del “bioburden”, que expresa la probabilidad de contaminación. En el
caso de Marte, se contabiliza con el número de esporas por superficie. Dependiendo del
número de esporas por superficie, podemos estar en el nivel IVa o IVb.
FTIR (Fourier Transform Infra Red). Espectrometría Infrarroja
Qué es: Se trata de una técnica de análisis, para obtener información acerca de los
procesos de absorción y emisión sobre las moléculas que se encuentran en la materia
Objetivo de la técnica: Determinar la composición y el estado químico de los
elementos presentes en materiales sólidos. Materiales aislantes y conductores, pueden
ser analizados.
Requisitos: Disponer de una fuente de radiación infrarroja (luz láser), de un
interferómetro por transformada de Fourier, y de un sistema de captura y análisis de
datos, mediante transformada de Fourier. En este caso la muestra a analizar se encuentra
en el interior de una cámara de vacío.
Funcionamiento: Las técnicas espectroscópicas, se fundamentan en la interacción de la
materia con la radiación. Esta interacción provoca procesos como la absorción o la
difusión (scattering). Cuando una molécula absorbe o emite un fotón, su estado
energético cambia. En general este cambio se manifiesta como un cambio en la energía
traslacional de la molécula, y como un cambio en su estado electrónico vibracional o
rotacional. Como las energías asociadas a cada uno de estos cambios son muy
57
diferentes, cada uno de estos procesos se puede tratar de manera independiente.
Exceptuando los cambios traslacionales, los estados energéticos de las moléculas están
cuantizados, consecuentemente, los procesos de absorción y emisión sólo pueden darse
a determinadas frecuencias de los fotones. Además, el conjunto de frecuencias a las que
se producen estos procesos es propio de cada molécula. Para cada molécula dada, su
espectro de adsorción/emisión constituye una "huella" de la misma.
Las absorciones que se producen en la región espectral del infrarrojo involucran
energías mucho más pequeñas si las comparamos con las energías de absorción
relacionadas con la estructura electrónica de la molécula (ultravioleta y visible). Con un
modelo sencillo de molécula, se obtienen resultados buenos, como un conjunto de
masas unidas por muelles. Según este sencillo modelo mecánico, esta puede absorber
energía para rotar o para vibrar, es decir, para cambiar su estado energético rotacional o
vibracional.
Sin embargo no todas las vibraciones y/o rotaciones producen una absorción de
radiación incidente. Sólo los modos vibracionales y rotacionales de moléculas con
momento bipolar diferente de cero, o bien aquellos modos que induzcan un momento
diferente de cero en la molécula, son activos al infrarrojo. Para que exista un espectro
rotacional activo en el infrarrojo se requiere que la molécula sea polar, mientras que
para tener un espectro vibracional activo en el infrarrojo basta que el movimiento
vibracional de los átomos de la molécula induzca un momento bipolar no nulo. Por
ejemplo; Las moléculas diatómicas así como la de gases nobles no presentan espectros
de absorción en el infrarrojo (2-20micras)
Aplicaciones:
Análisis cualitativo
•
Identificación y caracterización de sustancias
•
Frecuencia de grupo
•
Catálogo de espectros
Análisis cuantitativo
•
Ley de Lambert-Beer
Estudios de superficies
58
•
Especies adsorbidas (OH, H2O, CO3,etc...)
•
Determinación de centros activos
Estudios estructurales
•
Determinación de estructuras moleculares
•
Determinación de la simetría
•
Cambios de fase
•
Variaciones a altas y bajas presiones y temperatura
59
Figura 25: Espectrometría Infrarroja FTIR
60
Estándares de bridas de vacío:
•
CF: Son las bridas que se usan en las máquinas de UHV y XHV, teniendo las
siguientes especificaciones: (figura 1 dentro de la figura 26 del documento)
o Acero inoxidable, 304 o 316LN
o Rango de vacío: <10-13mbar
o Juntas de cobre OFHC
o Rango de temperaturas: -20ºC< 450ºC
o Permeabilidad magnética: <1.005
•
KF: Forman un económico sistema de uniones en vacío, ya que permiten la
reutilización de las juntas de cierre, se suelen usar en etapas de bombeo primario
y en aplicaciones de alto vacío, teniendo las siguientes especificaciones (figura 2
dentro de la figura 26 del documento):
o Acero inoxidable 304 o Aluminio
o Junta de vitón
o Junta de cierre de aluminio
o Máxima temperatura, 150ºC
o Mínima presión 10-8mbar
•
LF: Sistema de cierre parecido al KF, pero para diámetros grandes, siendo la
conexión de bridas mediante juntas de vitón ensambladas en anillos de aluminio
o acero, y realizándose la unión mediante un sistema de grapas, teniendo las
siguientes especificaciones:
o Acero inoxidable 304, o aluminio, siendo las grapas de acero inoxidable
o aluminio
o Junta de vitón y aluminio
o Máxima temperatura, 150ºC
o Mínima presión, 10-8mbar
Diámetros internos de la juntas de cobre CF:
Junta de cobre
DN16CF
DN40CF
DN63CF
DN100CF
DN160CF
Diámetro interno (mm)
16.2
38.9
63.6
101.7
152.5
61
Figura 26: Estándares de bridas y cierres en vacío
62