Medidor de alto vacío de cátodo frio.

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

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

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

En el caso de las HCG, las ionización se consigue mediante un filamento caliente que emite electrones, una rejilla que los acelera y un ánodo que los recoge. Tiene una configuración en algunos aspectos similar a los de un triodo en el que la presión es proporcional a la corriente.
En el caso de las sondas de cátodo frío, incluyendo la Penning, esto se logra empleando altas tensiones, de 2 a 10 Kv y un campo magnético perpendicular de un par de kilogauss o mas.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Efectivamente, un inversor de tubos fluorescentes, con un doblador de tensión y además el doblador puede caber en la misma placa. Pensaba estabilizarla y tenia diseñado el procedimiento, pero he llegado a la conclusión de que no es necesario, debido al bajo consumo (200 uA) . Basta con regular la tensión de baja. Tened en cuenta que un error de un 5% el fuente es mucho menos importante que los errores del orden del 20% que tienen los dispositivos de medida del vacío. De todas maneras Mi objetivo es centrarme en el sensor, dejo abierta la puerta para los que quieran linealizar la respuesta, mejorar la electronica o incorporar medidores digitales.

Continuamos con el cátodo.

Aquí vemos un diodo DO-4 (metálico) y como con un poco de trabajo de torno, separamos una especie de cazoleta con pasamuros con el tornillo para sujeción. Realmente es mas fácil de lo que parece pero hay que sujetar el diodo por el tornillo. De esta forma obtenemos una cazoleta metálica que termina en una especie de ala. El electrodo central del diodo es un tubo de unos 2,5 mm de diámetro con un orificio de 1 mm aproximadamente, que aunque este aplastado en un extremo es fácil recuperarlo con el Dremel.

Como cátodo, yo he empleado varilla de acero inoxidable de 1,5 mm. No puedo asegurarlo, pero creo que no seria conveniente emplear cobre ya que es posible que ensuciase la cámara.

Lo mas conveniente es agrandar el agujero del diodo con una broca de 1,5 mm (o del diámetro de alambre que dispongamos) y soldarlo con plata. Hay que hacer la soldadura con mucho cuidado para no dañar el cierre de vidrio,. No obstante si metemos la barrita a presión por el orificio y rellenamos la pequeña cazoleta con epoxi, los resultados que se obtienen son muy buenos, ya que el epoxi no se expone directamente a la cámara del medidor.
El ala con que termina la cazoleta, nos viene muy bien porque con una junta toroidal de goma nos proporcionará el cierre del cátodo contra la cámara. El diámetro de esa cazoleta varia de unos os diodos a otros entre 7 mm y 9 mm.

Bueno, habréis entendido de que se trata de poner una electrodo en el eje de la cámara y que debe de estar aislado. No se debe de exponer plásticos en el interior de la cámara porque el plasma que se produce los descompone.

Para el electrodo central yo empleo diodos DO-4, los cuales desarmo. Me he encontrado que siendo DO-4 hay unos que tienen la el cuerpo de 6,8 mm y otros que lo tienen de 7,8 mm (aprox). Yo empleo los de 6,8 mm.

Para terminar el cuerpo de la CCG vamos a hacer el alojamiento del ánodo. Para ello, primero taladramos con una broca de 7 mm hasta pasar. Después con una broca de 10 mm taladramos parcialmente 10 mm, dejando por tanto 5 mm a 7 mm de luz que es donde se alojará la parte ancha del ánodo. Después se rosca con un macho de métrica 12 la parte taladrada a 10 mm.

Para terminar haremos la pieza que aprieta el ánodo contra el cuerpo. Tomamos un tornillo de M-12, a ser posible de latón, o un trozo de barra roscada, también vale de aluminio o hierro aunque es peor este ultimo. Se corta un trozo de 15 mm, se pone en el torno y se perfora completamente con una broca de 7 mm. En un extremo se quitan unos hilos de rosca para que pueda enroscarse completamente en el cuerpo de la sonda ya que no habremos podido roscar hasta el fondo. En el otro extremo con la lima se hacen unos cantos de unos 3 mm para facilitar el apriete con una llave.

Antes de montar el ánodo se coloca una junta tórica para que haga el cierre de vacío. Conviene además poner una arandela entre el ánodo y el tornillo de cierre. Procurar que el asiento de la junta tórica, tanto en el ánodo como en el cuerpo estén lisos para evitar las fugas. Si es necesario repasar con lija fina los asientos.

De esta manera es como yo he construido la sonda, pero por supuesto que cada uno puede hacerlo como quiera, tan solo tiene que respetar las dimensiones internas de la cámara y el ánodo si quiere que le sirvan los datos de calibración que proporcionaré.

A continuación esta el esquema de la fuente de alta tensión.

Es mucho mas sencilla de fabricar de lo que parece. Lo encerrado en el rectángulo de trazos rojos corresponde a los típicos convertidores para iluminar pantallas con tubos fluorescentes. El esquema que pongo es de los que yo tengo. No es necesario que sean iguales en cuanto a circuito pero si funcionales.
Como se puede ver, mediante un oscilador y un transformador se eleva la tensión de salida. La entrada del convertidor son los puntos A y B . Normalmente los convertidores tienen la masa de la baja tensión y la alta conectados. Para nuestro uso debemos desconectarlas (Nota 1). Un convertidor de este tipo suele dar una tensión en circuito abierto de unos 1500 v cuando los alimentamos a 12 V. Para obtener 3000, que es lo que necesita la sonda no podemos subir la tensión de alimentación a 30 V o mas porque destruiríamos el convertidor, por ello debemos colocar un doblador de tensión (formado por los diodos D1 y D2 y los condensadores C1 y C2 ) a la salida del transformador

Los convertidores suelen tener a la salida del transformador de alta un condensador de unos nF en serie, y un conector. Conviene quitar ambos. En el espacio que dejan y con un poco de maña se puede montar el circuito doblador de tensión formado por los diodos D1 y D2 y los condensadores C1 y C2. Mucho cuidado, con este montaje porque tenemos mucho riesgo de que salten arcos. Una vez montado el circuito conviene darle varias capas de barniz aislante para impedir los arcos.

La medida del vacío se hace midiendo la corriente que circula por el sensor. Teníamos dos opciones, colocar el medidor en la rama positiva o en la masa. Hemos tomado la decisión de medirla en la masa porque no seria prudente tener un medidor conectado a 3000 V dc. y por ello hemos tenido que separar las masas del convertidor.

C1 y C2 son de 4,7 nF 5000 V y D1 D1 diodos rápidos de 6000 v, 200 ns.
RG es un resistencia que limita la corriente y el voltaje en el medidor, esta confeccionada poniendo en serie 4 resistencias de 3,3 Megoms 1 W.

Nota: el valor se esta resistencia conviene ajustarlo. se explicara al final. Conviene colocar entre los extremos el medidor un condensador electrolítico de unos 100 uF /25 V para amortiguar las posibles inestabilidades.

En el circuito anterior, tenemos 3000 V conectado al sensor a través de cuatro resistencias de 3,3 megas, total 13,3 megas. En corto esto nos da una corriente de 230 microamp.

Si montamos el aparato sin imanes y conectamos la tensión, en cuanto la presión baje un poco se inicia la descarga y la corriente sube a unos 200 micro amperios, permaneciendo casi invariable mientras baja hasta que llega aproximadamente a los 100 microbares en que la descarga se interrumpe. Pero si colocamos los imanes, la corriente sigue circulando hasta presiones mucho mas bajas. Hasta aproximadamente 5 microbares, la corriente no es proporcional a la presión, pero a partir de ahí, si hay proporcionalidad.

Aquí hay una tabla aproximada.
Milibares Pascales Corriente
2,0 x 10e-3 2,0 x 10e-1 180 uAmp.
1,5 x 10e-3 1,5 x 10e-1 175 uAmp.
1,0 x 10e-3 1,0 x 10e-1 170 uAmp.
7,0 x 10e-4 7,0 x 10e-2 166 uAmp.
5,0 x 10e-4 5,0 x 10e-2 160 uAmp.
3,0 x 10e-4 3,0 x 10e-2 155 uAmp.
2,0 x 10e-4 2,0 x 10e-2 145 uAmp.
1,5 x 10e-4 1,5 x 10e-2 136 uAmp.
1,0 x 10e-4 1,0 x 10e-2 120 uAmp.
7,0 x 10e-5 7,0 x 10e-3 100 uAmp.
5,0 x 10e-5 5,0 x 10e-3 80 uAmp.
3,0 x 10e-5 3,0 x 10e-3 64 uAmp.
2,0 x 10e-5 2,0 x 10e-3 50 uAmp.
1,5 x 10e-5 1,5 x 10e-3 40 uAmp.
1,0 x 10e-5 1,0 x 10e-3 31 uAmp.
7,0 x 10e-6 7,0 x 10e-4 24 uAmp.
5,0 x 10e-6 5,0 x 10e-4 17 uAmp.
3,0 x 10e-6 3,0 x 10e-4 12 uAmp.
2,0 x 10e-6 2,0 x 10e-4 8 uAmp.

Insisto en que los medidores de vacío, tienen todos un error de medida del 30 % y ademas la medida depende mucho del gas que hay en la cámara, por lo que se deben de corregir para cada uno de los gases.

Recordar que :
1 Bar = 10 e5 Pascales = 760 Torr.

1 miliBar = 10e2 Pa = 0,76 miliTorr.

Que imanes podemos emplear?
Dentro de la sonda tenemos un campo radial, ya que el electrodo central esta a unos +3000 V respecto al exterior. Si no hay campo magnético los electrones seguirán el camino del eje central al cilindro exterior, pero lo que queremos es que en vez de ese camino corto los electrones se pongan a hacer círculos durante al mayor tiempo posible, mientras se van acercando al exterior. Durante esta trayectoria los electrones, mucho mas larga que un simple radio, chocan con las moléculas del gas residual y las ionizan haciendo que se establezca una corriente proporcional a la presión.

Para eso necesitamos que el campo magnético sea lo mas intenso posible y perpendicular al radio, es decir paralelo al eje. esto lo podemos conseguir mediante uno o varios imanes toroidales, bien sean de ferrita o de neodimio. La opción mas económica es emplear imanes de ferrita procedentes del desguace de magnetrones de horno microondas. La condición es que el diámetro interior sea de 22 mm y que la magnetización sea entre las caras. Esta ultima condición la cumplen todos los imanes de microondas. Deben de ser de 22 mm para que ajusten perfectamente en el cuerpo de la sonda. El diámetro exterior puede ser de 40 a 70 mm aunque si son muy grandes estorbaran mas.

Las dimensiones de los que estoy empleando son: 56 diámetro exterior, 22 interior, 13 mm altura. En una sonda empleo dos de estos. Si son mas finos se pueden colocar tres incluso cuatro, siempre que la altura total no supere los 35 mm. Cuanto mas intenso y mas espacio ocupe el campo magnético mas intensa será la corriente lo que nos permitirá llegar a medir presiones mas bajas. Si no se dispone de imanes de desguace, pueden adquirirse por un precio económico en las tiendas de imanes. Los de neodimio son bastante mas caros pero ocupan menos volumen para un resultado equivalente.

Nota:
Durante todo el funcionamiento de la sonda hay una pequeña descarga en su interior, cuando hay esa descarga se dice que esta encendido. A veces me ha pasado que he conectado el medidor cuando ya había vacío bastante alto y no circulaba corriente y por lo tanto no había medida. Entonces se dice que el tubo esta apagado. Cuando esto pasa hay que esperar un poco para que el tubo se encienda. Curiosamente el encendido se produce cuando la radiación cósmica natural u otra fuente ionizante atraviesa el tubo e ioniza alguna molécula. A partir de ese momento se produce una avalancha y el tubo se enciende. Esto solo suele ocurrir cuando las presiones son extremadamente bajas.

Bueno, después de mas de 10 series de medidas, sacando promedios y alisando la respuesta, me sale la siguiente curva de calibración:

El eje X representa la presión en milibares 2-3 significa 2 x 10 e-3 milibares y el eje Y, la medida de 0 a 10. Como veréis , las medida las hago en la serie 1 1,5 2 3 5 y 7, para que esten proporcionalmente espaciadas.

Solo falta poner el plano del la pieza que sujeta los imanes y el conector de salida…

Aquí se puede ver con detalle la sonda de medición,

He hecho una escala para ponerla al miliamperimetro. Lo he metido en una caja de un instrumento desahuciado y ya va pareciendo algo serio.

Una observación respecto al funcionamiento.

Cuando el medido esta a la presión atmosférica marca igual que cuando esta a una presión muy muy baja. La aguja del miliamperimetro esta a tope a la izquierda. Claro esta, que a la presión atmosférica no hay ionización y no conduce. En caso contrario es que hay un problema.
En cuanto baja el vacío se establece ionización y comienza a circular corriente por la sonda. Al principio la corriente no es proporcional a la presión y el medidor no es fiable. Solo cuando la presión esta cercana a los 10 e-3 milibares las lecturas son correctas. De una manera simplificada se puede ver en la escala.

El voltaje afecta a la medida, pero realmente no es necesario que la fuente sea muy estabilizada. Como he dicho anteriormente la precisión de estos medidores no es superior al 30 %. Empleando un inversor de los empleados en lamparas fluorescentes, y regulando la entrada, da suficiente precisión. El consumo es mas bien bajo, ya que 3000 V y 200 microamperios en el peor de los casos total 0,6 W,.

Una observación.
Si disponemos de un microamperimetro de 50 microamperios en vez de 200, colocaremos en serie con la bobina de este una resistencia de derivación, para que se comporte como si fuese de 200 micro amperios. para ello medimos con el polímetro la resistencia del aparato y le conectamos en paralelo una tres veces inferior. En ese caso si colocamos un interruptor en serie con la resistencia tendríamos la posibilidad de dos escalas. Una la escala presentada, cuando la derivación este conectada y otra cuando no lo este. Esa otra escala empezaría a medir en 2 x 10 e-5 e iria aproximadamente a 10 e -9 aproximadamente. No he profundizado en ese tema porque parece muy improbable que un aficionado trabaje a presiones mayores de 10 e-7 milibares.

Algún avispado también podría colocar un arduino y hacer una conversión de analógico a digital con la correspondiente tabla de corrección. Esos temas los dejo para otros, yo me ocupo de lo fundamental.

Hacer una sonda combinada, no es muy fácil. Es mejor dejarlo como está.

Gerardo Meiro/ febrero 2018