El debate en curso durante años ha sido "¿Cuál es el mejor método para medir el alto vacío? ¿Cátodo caliente(Bayard-Alpert) o cátodo frío?". Aunque los medidores de filamento caliente son populares y se utilizan en diversas aplicaciones, el cátodo frío tiene unas características de funcionamiento únicas que a menudo lo convierten en la mejor opción. Los medidores de cátodo frío son económicos porque rara vez hay que sustituirlos, no están sujetos a daños debidos a entradas accidentales de aire, no tienen errores inducidos por rayos X en vacío ultraalto (UHV) y no tienen un filamento que desprenda gases o reaccione con el gas de proceso. Su electrónica de control/detección también es más sencilla y, por tanto, más fiable que la electrónica Bayard-Alpert. El objetivo de este artículo es ofrecer una breve historia de la tecnología de medición de cátodo frío y proporcionar un modelo de aplicación para la selección del medidor. Se aclararán algunos de los mitos, como el arranque/encendido, la imprecisión de la medición y las interferencias magnéticas asociadas a la tecnología de cátodo frío.
Del mismo modo que existen sensores de vacío diferentes y evolutivos en la tecnología de cátodo caliente (Triode, Schulz-Phelps y Bayard-Alpert), cada uno con sus propias características de funcionamiento, existen diferencias claras en la clasificación de los medidores de cátodo frío. Categorizar todos los cátodos fríos en el mismo modo de funcionamiento es erróneo. Este concepto erróneo de la tecnología de medición de cátodos fríos se ha mantenido vivo más por el fervor corporativo competitivo que por hechos científicos. Aunque la mayoría de los cátodos fríos utilizados hoy en día son magnetrones, existen varios tipos diferentes de magnetrones, cada uno con sus propias características de medición y funcionamiento. Un magnetrón es un dispositivo con un emisor axial de electrones (cátodo) y un ánodo cilíndrico coaxial con un campo magnético axial superpuesto.
La primera forma de medidores de ionización de cátodo frío se construyó como un simple dispositivo de descarga, que era un tubo envuelto en vidrio con placas de descarga (electrodos) en cada extremo. Tenía un rango de medición de 20 a 10-3 Torr. La envoltura de vidrio estaba conectada a un sistema de vacío. Los electrodos estaban conectados a una fuente de alimentación fija de alta tensión. Los electrones del electrodo negativo chocaban con las moléculas de gas para producir iones, lo que provocaba una descarga entre los dos electrodos. La cantidad de corriente en la descarga era proporcional a una lectura de vacío. Todas las versiones posteriores de cátodo frío/imán utilizan esta característica para medir el vacío. La evolución de esta tecnología de medición consiste en una serie de mejoras del campo magnético y de la colocación de los electrodos. Cada paso de la evolución mejoró el diseño anterior eliminando o minimizando sus características negativas.
Ionización Penning Cátodo frío
El primer perfeccionamiento del tubo de descarga dio lugar al medidor de ionización Penning (PIG). Éste utilizaba un campo magnético para alargar el recorrido de los electrones, aumentando así la probabilidad de colisiones ionizantes y campos de descarga más estables. La versión original del medidor Penning se desarrolló entre 1936 y 1937. Como se muestra esquemáticamente en la Figura 1, este medidor se caracteriza por la orientación de las líneas de campo magnético (campos B) en relación con el ánodo. Los trabajos posteriores de Penning y Nienhnis condujeron a un PIG mejorado con un ánodo cilíndrico, que proporciona una descarga más estable.
Los vacuómetros Penning como el Televac®️ 7B Penning Cold Cathode miden el vacío en el rango de 10-3 a 10-7 Torr y son populares hoy en día debido a su robustez, con una mayor tolerancia a la contaminación, y la capacidad de ser desmontados y limpiados, alargando la vida útil del medidor. El medidor Penning de cátodo frío ofrecía una alternativa robusta al medidor de filamento caliente o Bayard-Alpert. Sin embargo, su descarga se apagaba cuando se utilizaba a niveles de vacío inferiores a 10-7 Torr. Se trata de un problema que se resolvería años más tarde, pero que fomentó la proliferación de los sensores Bayard-Alpert, que no presentaban ninguna de estas limitaciones de medición. También agravaron el desarrollo y la aceptación de los cátodos fríos las dificultades de diseñar fuentes de alimentación fiables de 3 a 5 kilovoltios y de convertir la corriente de descarga en una lectura de vacío fácil de usar, que en aquella época sólo era un medidor "analógico".
La corriente de colector del medidor Bayard-Alpert era una función lineal del vacío, mientras que el sensor de cátodo frío era no lineal. Las lecturas del Bayard-Alpert tenían escalas de medición lineales y ofrecían mejor resolución que las escalas de medición no lineales del cátodo frío. A medida que los amplificadores de registro, los microprocesadores y las pantallas digitales se hicieron comunes con el tiempo, la visualización de mediciones de vacío significativas y precisas se convirtió en un punto discutible, pero tuvieron que pasar décadas desde el desarrollo inicial del PIG para que esto sucediera.
Figura 1 - Vacuómetro de cátodo frío Penning
Magnetrón invertido Cátodo frío
La siguiente mejora importante en la tecnología de cátodo frío fue el medidor de magnetrón invertido (IMG). Este sensor se desarrolló entre 1950 y 1958. El diseño incorporaba un campo magnético paralelo al ánodo y proporcionaba mejoras operativas con respecto al medidor Penning. La figura 2 ilustra una célula de ionización básica de magnetrón invertido. Un cátodo rodea al ánodo, situado en el centro. El campo magnético en esta configuración es paralelo al ánodo. Los campos magnéticos y eléctricos cruzados resultantes proporcionaron un rango operativo estable mejorado y mejores características de arranque a alto vacío. Otros avances en la tecnología de magnetrón invertido, desarrollados en 1958 por Redhead, crearon un extraordinario dispositivo de medición capaz de medir el vacío hasta 3*10-13 Torr. Este diseño superó el problema del arranque a estas presiones tan bajas confinando los electrones en la región de descarga. Posteriormente, la NASA utilizó una versión de este medidor en la exploración espacial. Los IMG comercializados de esta época medían hasta 10-8 Torr con unas características muy superiores a las del Penning. Al mismo tiempo, el magnetrón invertido Redhead permitió vislumbrar las posibilidades de la tecnología de cátodo frío.
Figura 2 - Magnetrón invertido Medidor de vacío de cátodo frío
Cátodo frío de doble magnetrón invertido
Aunque los magnetrones invertidos mejoraron el rendimiento con respecto a los vacuómetros Penning, el funcionamiento fiable y sostenido de las mediciones por debajo de 10-8 Torr seguía siendo un problema para la mayoría de los fabricantes de vacuómetros de cátodo frío. La cuidadosa selección de los imanes y las tolerancias de fabricación supusieron pequeñas mejoras, pero una descarga sostenida y fiable a 10-9 a 10-11 Torr no era fácil ni económicamente alcanzable con muchos diseños de vacuómetros de magnetrón invertido.
En 1996 se desarrolló y patentó un magnetrón de doble inversión. Esto permitió un funcionamiento constante y fiable por debajo de 10-8 Torr, así como un campo magnético externo escaso o nulo, al tiempo que aumentaba el tamaño y la intensidad del campo magnético en el interior del sensor. De este modo se mejoró la sensibilidad. Los tiempos de arranque también mejoraron con respecto a los diseños anteriores. La figura 3 representa la construcción de un magnetrón invertido doble. Imanes opuestos mantienen dos campos magnéticos separados, creando dos celdas de magnetrón invertido separadas. La probabilidad de ionización aumenta, ya que una partícula ionizada que sale de una célula tiene un 50% de posibilidades de acabar en la otra célula. Las corrientes de electrones son esencialmente el doble de las producidas por una sola célula de magnetrón invertido, lo que proporciona una mejor relación señal-ruido y permite ampliar el rango de medición electrónica hasta 10-9 Torr y más allá. La capacidad de medición por debajo de 10-9 Torr, combinada con mejoras significativas en las fuentes de alimentación de alto voltaje, la medición de baja corriente y los materiales magnéticos, eliminaron los problemas del pasado, convirtiendo al magnetrón invertido doble en el enfoque más moderno para la medición práctica de alto vacío.
Figura 3 - Medidor de vacío de cátodo frío de doble magnetrón invertido
Los magnetrones invertidos dobles modernos son medidores muy diferentes de los primeros medidores Penning y magnetrones invertidos. Miden un intervalo de vacío mayor que un medidor Bayard-Alpert convencional, al tiempo que ofrecen una precisión comparable y una estabilidad a largo plazo muy buena. Los cátodos fríos no están sujetos a errores ESD (desorción estimulada por electrones). La ESD es una condición que aparece aleatoriamente en los medidores Bayard-Alpert y causa errores de al menos el 10% a 10-7 Torr, con errores que empeoran en vacío más profundo acercándose a 10-10 Torr. Es un problema que dificulta considerablemente el trabajo a baja presión.
Los magnetrones invertidos dobles son más adecuados para las mediciones de vacío alto y UHV porque no están sujetos a errores de rayos X ni a la desgasificación del filamento. A una presión de 2*10-10 Torr, un medidor Bayard-Alpert con un límite de rayos X de 2*10-10 Torr tendrá un error de medición aproximado del 100%. Este error se acentúa a medida que disminuye la presión real.
A diferencia de los medidores Bayard-Alpert, los medidores de vacío de cátodo frío de doble magnetrón invertidoTelevac®️ 7E, 7F, 7FC y 7FCS son resistentes a las irrupciones de gas, se pueden limpiar y tienen un campo magnético parásito mínimo. El 7FCS está especialmente diseñado para encenderse en vacío ultraalto (UHV) para aplicaciones que requieren encendido en el rango de 10-8 Torr o vacío superior, donde el 7FCS se encenderá en menos de cinco segundos.
La tecnología de medición de cátodo frío ha evolucionado significativamente desde los primeros medidores de ionización Penning. Estos medidores modernos proporcionan resultados de medición precisos, repetibles y fiables. Los magnetrones invertidos dobles miden de forma fiable un intervalo de vacío más amplio que la mayoría de los medidores Bayard-Alpert y no presentan errores por rayos X o ESD. La mayoría de las versiones pueden limpiarse, repararse o reconstruirse para proporcionar años de servicio en condiciones adversas para el funcionamiento y la longevidad de un medidor Bayard-Alpert. Uno de los aspectos más importantes, aunque a menudo pasado por alto, de los cátodos fríos modernos es que reducen los costes al eliminar el elevado coste de la sustitución frecuente de los medidores Bayard-Alpert.
Idoneidad de la aplicación
| Condiciones operativas | Bayard-Alpert o cátodo frío | Razón |
| Resistencia a los daños accidentales | Cátodo frío | Los cátodos fríos tienen un diseño metálico robusto (en comparación con los medidores Bayard-Alpert de vidrio o sin blindaje/desnudos) y son resistentes a los daños provocados por las irrupciones de gas. |
| Gases corrosivos | Cátodo frío | Los cátodos fríos no tienen un filamento a alta temperatura que reaccione con los gases corrosivos. |
| Procesos de alta contaminación | Cátodo frío | Los cátodos fríos se pueden limpiar para prolongar su vida útil, y su precisión se ve menos afectada que la de los medidores Bayard-Alpert cuando se exponen a la misma cantidad de contaminación. |
| Vibración | Cátodo frío | Los cátodos fríos no tienen estructuras delicadas que puedan vibrar, moverse o romperse como los filamentos de alambre fino y los conjuntos de rejilla de un calibrador Bayard-Alpert. |
| Mediciones UHV | Cátodo frío | Los cátodos fríos no tienen filamento, por lo que la desgasificación se reduce significativamente, y tienen una mejor estabilidad a largo plazo que los medidores Bayard-Alpert porque no hay estructuras de alambre fino que cambien geométricamente con el tiempo, en comparación con las estructuras de alambre fino de un medidor Bayard-Alpert que se moverán y cambiarán geométricamente con el tiempo, afectando al rendimiento. |
| MTTF | Cátodo frío | Los medidores de cátodos fríos tienen un MTTF más alto porque no tienen un filamento que pueda quemarse como un medidor Bayard-Alpert, la electrónica de control también es menos compleja, lo que lleva a una menor tasa de fallos electrónicos. |
| Máxima precisión | Bayard-Alpert | Los vacuómetros de filamento caliente disponibles en el mercado suelen tener una precisión inicial de alrededor de ±10%, mientras que los vacuómetros de cátodo frío disponibles en el mercado suelen tener una precisión de alrededor de ±30% durante toda la vida útil del vacuómetro. |
