Fusor Farnsworth

Se trata de la realización un aparato que consigue que dos nucleos de deuterio se “fundan” en un núcleo de helio. En la reacción se desprenden neutrones y energía. Esta reacción es similar a las que se producen en el Sol y a las reacciones nucleares que se proponen para conseguir energía en el futuro.

Se emplea una técnica denominada confinamiento electrostático. En este aparato se emplean técnicas de vacío, alto voltaje, detección de neutrones y manejo de gases. Su nivel de peligrosidad es equivalente a la subida del Naranco de Bulnes. Este es uno de los proyectos mas ambiciosos que un aficionado puede acometer ya que supone el dominio de unas técnicas solo accesibles a aficionados bastatante experimentados.

Panorámica de mi ITER personal. Al la derecha arriba el detector y moderador de neutrones. Justo debajo una cúpula de cristal construida con una ensaladera de pirex. Debajo la cámara de vacío y debajo bomba de difusión. Al frente medición de vacío, generación de deuterio y control. Al fondo la bomba de vacío mecánica. En el centro el transformador de alta tensión. A la izquierda la electrónica del contador de neutrones.

Introducción.

La fusión entre núcleos de hidrógeno por confinamiento electrostático fue descubierta por el inventor americano Philo Farnsworth a mediados de los años 40 mientras probaba unas válvulas de vacío que había diseñado.

Mas información sobre la fusión nuclear casera se puede encontrar en el The Open Source Fusor Consortium, el mas importante foro dedicado a la investigación aficionada en fusión nuclear (en ingles).http://www.fusor.net/

Esta organización de aficionados “homologa “ los resultados conseguidos por aficionados que intentan conseguir la fusión. Según esta organización este fusor es el octavo que ha funcionado y el primero realizado fuera de Estados Unidos con éxito.

Al fin el éxito.

El día 19 de octubre del 2003 a las 13 30 de la noche, después de varios meses de trabajo preparatorio por fin fui capaz de detectar un significativo chorro de neutrones que confirmaban la fusión. Este es un resumen de aquella sesión y que en inglés se colocó el foro de fusoristas para que validasen el experimento.

"después de haber quemado varias fuentes de alimentación durante los últimos meses y haber sufrido muchos contratiempos entre otros la implosión de una campana de vidrio, al fin he conseguido la fusión de núcleos de deuterio.

Anoche trabajando a 10 militor de presión, cuando la corriente alcanzo los 28 miliamperios y 25 kV el contador de neutrones alcanzo un máximo de 170 neutrones/segundo. Considerando la geometría y la eficiencia del tubo detector estimo que se estaban produciendo unos 500.000 neutrones por segundo.

El fusor trabajaba bien por periodos de aproximadamente 20 segundos tras los cuales era necesario cortar el suministro de energía y esperar a que se enfriase. La operación de fusión se llevo a cabo una 24 veces y con el objeto de comprobar que el contador no estaba registrando artefactos.

Dos veces sustituí el deuterio por hidrógeno y otra mas por aire. Las cuentas de neutrones solo se producían cuando se suministraba deuterio por lo cual debo confirmar que estaba detectando los neutrones resultantes de la fusión de núcleos de deuterio.

Equipo empleado.

Cámara de vacío compuesta por una cúpula semiesfera de pirex (una ensaladera que cuesta 3 euros) y una base cilíndrica de acero torneada por mi mismo.

Bomba mecánica de las empleadas por los servicios técnicos de aire acondicionado seguida por una bomba de vacío de difusión de aceite, refrigerada por aire y también construida en casa. Las válvulas de manejo de vacío eran las corrientes de bola empleadas en fontanería.

El deuterio obtenido por electrolisis de agua pesada y suministrado a la cámara mediante un inyector de gasolina del motor de un BMW:

Rejilla exterior de 20 cm de diámetro construida con alambre de acero inoxidable de 1,5 mm y forma geodésica.

Rejilla interior de 2,5 cm de diámetro alambre de wolframio de 1 mm y forma espiral.

Alimentación de Alta Tensión a través de una bujía de coche.

Se emplea como medidor de vacío un equipo de termopar modelo KLJ205.

La fuente de alta tensión era un viejo transformador de Rayos X empleando un rectificador de onda completa externo sin filtrado.

Como contador de neutrones, el descrito en otras paginas de este lugar que emplea un tubo de He3 modelo LND 252139, con amplificador y contadores construidos aquí. Como moderador un cilindro de polietileno de 20 cm de diámetro."

Un poco de teoría.

Imaginemos una esfera del tamaño de un balón en la que se ha realizado un vacío del orden de 10 micras o menos. En el interior de la cámara hay una rejilla metálica conectada a un potencial de unos 25.000 voltios (negativo), el exterior del balón es también metálico y se encuentra a un potencial de tierra.

Los restos de gas que se encuentren en el interior de la cámara por el efecto del voltaje se ionizaran. Los electrones irán en dirección exterior que tiene un voltaje positivo y los iones positivos se aceleran en dirección al centro del balón atraídos por la rejilla negativa. Algunos chocaran con la rejilla pero otros la atravesaran pasaran al centro de la misma.

En el balón de que hablamos cuando no se aplica voltaje la presión es mas o menos uniforme en todo su volumen, pero al aplicar el voltaje la mayor parte de los iones del gas se concentran en el centro del aparto propuesto, tanto es así que en un pequeño volumen de la cámara hay una concentración mas de10.000 veces superior al resto del volumen.

Si el gas residual que queda en el interior de la cámara es hidrógeno, los iones de este estarán formados casi exclusivamente por protones ya que en el proceso de ionización el hidrógeno pierde su único electrón que forma su corteza electrónica. Los protones concentrados en el aparato han acumulado además la energía que les ha proporcionado la gran diferencia de potencial entre electrodos (de 35 a 40 kV). Los protones en la nube de plasma en el centro del fusor chocaran frecuentemente pero debido a la fuerte repulsión electrostática de los protones no se llegaran a fusionar.

Si en vez de hidrógeno el gas residual es deuterio (un isotopo de hidrógeno con un protón y un neutrón en su núcleo) el proceso será idéntico, pero en este caso los núcleos de deuterio cuando estén próximos además de la interacción electrostática sufrirán la interacción fuerte debida a los neutrones de su núcleo. En estas condiciones es posible que algunos núcleos se fusionen en un nuevo tipo de átomo con desprendimiento de energía y neutrones.

De una manera simplificada estas son las reacciones que se producen en el Sol y la consecución de estas reacciones de una manera controlada y estable es lo que persigue el hombre ya que puede ser una fuente prácticamente inagotable de energía.

Una descripción mas detallada del aparato y de las reacciones que se llevan a cabo puede verse en el documento redactado (en ingles) por Richard Hull que está considerado como el mayor impulsor del desarrollo de la fusión nuclear a nivel de aficionado.

Creo necesario resaltar, que aunque es posible conseguir la fusión nuclear en un laboratorio domestico, las posibilidad que ofrece esta técnica para conseguir un rendimiento neto de energía son muy lejanas, tan lejanas como la galaxia Andrómeda, pero la ejecución de este ambicioso proyecto por un aficionado es de un disfrute tremendo en donde hay que poner a prueba todas las habilidades que uno tenga.

Preparación del proyecto.

Si no lo has hecho antes, lee el articulo de Richard Hull comentado anteriormente. En mi caso ese fue el primer articulo que cayó en mis manos referente al fusor y a través del cual me pico el gusanillo. Yo lo localicé en The Bell Jar una web americana destinada a los aficionados al vacío de donde posiblemente puedes aprender muchas cosas.

Si no tienes experiencia con vacío, tendrás que cacharrear previamente. Si ya tienes experiencia puedes continuar realizando el fusor.

Es imprescindible que dispongas de una bomba de vacío capaz de llegar a 1 micra. Puede que esto lo consigas con una única bomba rotatoria o como es mi caso que tengas una bomba mecánica que tira de una bomba de difusión de aceite con la cual consigo vacíos del orden de 0,0001 micras ( 10e-7 Torr). No es necesario tanto vacío pero gracias a ello me da excelentes velocidades de vaciado. No se describe en este articulo las técnicas de vacío salvo cuando son necesarias. En otros apartados de esta web hay o habrá artículos dedicados a ese fin.

Es prácticamente imprescindible disponer de un medidor de vacío capaz de llegar a 1 micra. En mi caso empleo un manómetro de termopar que llega a 1 micra. Son relativamente caros (unos 400 euros) aunque se pueden conseguir en subastas en eBay por 100 euros. En estas paginas también hay información para construir un medidor de vacío que te puede servir.

Las rejillas.

Para que se produzca fusión, es necesario que los núcleos de deuterio choquen con suficiente energía, y para que la probabilidad de choque sea alta es necesario que la mayor parte de los núcleos de deuterio se concentren en una reducida zona de la cámara de vacío. Esto es precisamente el objeto del confinamiento electrostático y se consigue mediante dos rejillas de forma esférica que si bien crean campos eléctricos esféricos deben ser transparentes al plasma para que pueda circular. Como la teoría esta suficiente explicada en el documento redactado (en ingles) por Richard Hull aquí describiremos únicamente detalles prácticos..

La rejilla exterior no es imprescindible si la cámara de vacío es metálica de las adecuadas dimensiones y de simetría esférica. En caso de que haya que construir una rejilla tampoco es compleja, la forma normal que se emplea es la geodésica, o sea como los meridianos y paralelos de la Tierra. De cuatro a seis meridianos y de tres a cinco paralelos es lo normalmente usado aunque aquí hay bastante libertad. Las dimensión más habitual es de 20 cm de diámetro, aunque se han probado diseños con diversas dimensiones de entre 15 y 30 cm que funcionaban correctamente. Se recomienda que sean de alambre de acero inoxidable de 1 mm de diámetro soldado por puntos o mediante soldadura de plata. Pero como se ha dicho esta rejilla no plantea muchos problemas ya que no es critica y tampoco alcanza altas temperaturas.

En esta fotografía se observa parte de la rejilla exterior. Como puede apreciarse la rejilla no es precisamente muy tupida.

Rejilla interior.

Esta si es un elemento critico. Sus dimensiones son bastante mas pequeñas entre 20 y 35 mm de diámetro. Esta situada en el centro de la cámara de vacío conectada al potencial negativo mediante una terminal largo que debe estar aislado eléctricamente mediante una cubierta a ser posible de alúmina ya que tanto la rejilla como la espiga sufren el bombardeo del plasma de deuterio y pueden alcanzar temperaturas superiores a los 1000 ºC.

Aquí se ve como una rejilla se calienta al rojo por el bombardeo de plasma.

Hay básicamente dos formas de realizar la rejilla interior, la forma tradicional o geodésica y la que los americanos han bautizado como "Meiro spiral grid" empleada por primera vez por el autor del presente trabajo y que aquí simplemente llamamos espiral.

Rejilla geodésica. Es totalmente similar a la rejilla exterior, aunque no sea mas que por estética debería tener el mismo numero de meridianos y paralelos. Es un poco compleja de fabricar por las soldaduras necesarias. Hay que tener en cuenta que debido a las altas temperaturas que alcanza la rejilla solo se puede fabricar con metales de alto punto de fusión. Los mas recomendables ordenados por temperatura de fusión son el Wolframio, Tantalio, Circonio, Titanio y acero inoxidable. Precisamente ese mismo orden implica dificultad en la realización de la rejilla ya que resulta totalmente inútil soldar la rejilla con soldadura de plata porque durante el funcionamiento la soldadura por plata se suelta. Solo es posible emplear la soldadura por puntos o la soldadura en atmósfera inerte. Además hay que considerar que el wolframio es bastante poco maleable y se rompe con facilidad después de un recalentamiento. ( También puede utilizarse nicrom, el hilo empleado en las resistencias). La mejor combinación de maleabilidad y alto punto de fusión la da el tantalio, aunque el wolframio sigue siendo mucho mas resistente ya que aunque la rejilla llegue a calentarse a mas de 2000 ºC sigue conservando su rigidez mecanica.

Rejilla espiral. Precisamente por las dificultades de realizar la rejilla geodésica, desarrolle este otro modelo que no necesita ninguna soldadura y puede realizarse con un poco de maña en pocos minutos. En resumen la espiral conductora crea un campo eléctrico mas o menos esférico gracias a que el conductor realiza un camino al de la peladura de una naranja. Ya que esta rejilla no tiene soldaduras puede realizarse fácilmente con cualquier metal incluyendo wolframio. Mas aun, salvo para fusores de prueba se recomienda hacerla únicamente con wolframio. Esta rejilla al ser mucho mas débil desde el punto de vista estructural es mucho mas sensible a deformarse cuando la temperatura es alta y reblandece el metal. Por el contrario su ausencia de soldaduras y su simplicidad permiten alimenta al fusor con energía suficiente para alcanzar la incandescencia como si del filamento de una bombilla se tratase ya que el wolframio sigue conservando una excelente resistencia mecánica incluso a mas de 2000 ºC.

Esta rejilla esta construida con alambre de wolframio de 1,5 mm. Puede apreciarse el cilindro aislante de ceramica que conecta la rejilla con la alta tensión exterior.

Suministro de deuterio.

El deuterio es un isotopo de hidrógeno con un protón y un neutros en su núcleo. Sus propiedades físicas y químicas son muy similares, salvo que su densidad es el doble que la del hidrógeno. Aunque su densidad es el doble que la del hidrógeno resulta ser la misma que la del helio.

El deuterio se puede adquirir en botellas de gas comprimido. La compañía Carburos Metálicos dispone de botellas de 60 litros. Ignoro su precio ya que no he conseguido hasta la fecha obtener una respuesta. La cantidad de deuterio que se consume es insignificante por lo cual con estos 60 litros habría para años de uso.

En mi caso me propuse emplear deuterio obtenido por electrolisis de agua pesada. El agua pesada es mucho mas fácil de conseguir. Aunque es cara ( 1 euro c.c.) basta una pequeña cantidad para este experimento. Es relativamente fácil de conseguir y 25 c.c por ejemplo son mas que suficientes ya que con ellos podemos obtener unos 30 litros de deuterio gaseoso.

La introducción del deuterio en la cámara de vacío debe realizarse a través de un tubo capilar, una válvula de paso muy fino ya que la cantidad de gas a introducir es muy pequeña. En mi caso y en la mayor parte de los casos el volumen de la cámara del fusor es de unos 4000 c.c.. Para llenar este volumen con deuterio a una presión de 10 micras solamente se necesitan 0,52 mm3. Es decir que con un centímetro cubico tendremos para llenar la cámara 1000 veces. La realidad es que el consumo es mucho mayor debido ha que hay que lavar la cámara, mantener la presión, además de múltiples perdidas.

De cualquier manera puede intuirse que la introducción de fracciones de milímetro cubico de deuterio en la cámara no es muy sencilla. Comentare las tres posibilidades mas frecuentes que son el tubo capilar, la electroválvula y la válvula piezoeléctrica. Otra técnica que todavía no he probado es el almacenamiento en paladio o en hidruros metálicos. Mas información sobre almacenamiento en paladio.

Los tubos capilares son hilos muy finos, o de cuarzo o metálicos (como los de la agujas hipodérmicas). Se aplastan o se doblan para obstruirlos. El paso de gas se regula doblándolos en sentido contrario. La ventaja de los tubos capilares es que pueden producir un flujo de gas bastante continuo. La presión en el interior de la cámara se regula con la toma de vacío. Las válvulas piezoeléctricas son exactamente igual que las electroválvulas salvo que el accionamiento se realiza por las deformaciones de un cristal piezoeléctrico. Como consecuencia son muchisimo mas rápidas y con un solo paso se puede controlar el interior de la presión con bastante facilidad. Recientemente he conseguido una de estas válvulas pero todavía no las he probado.

Todos conocen como es una electroválvula. En este caso las electroválvulas comerciales no funcionan ya que los volúmenes a controlar son ínfimos. Tras una buena comida de coco se me ocurrió probar con un inyector de gasolina de coche. Primero visite un concesionario de Seat , cuando supe el precio 200 euros me fui a un desguace y compre cuatro por 6 euros. Mas información sobre inyectores.

Los inyectores de coche de gasolina funciona relativamente bien. Mediciones efectuadas determinaron que el pulso mínimo de apertura de un inyector es de un milisegundo. Con este tiempo de apertura la presión en la cámara de vacío se incrementaba casi 20 micras ( aproximadamente 1 mm3). El doble de lo necesario. Modifique una de estas electroválvulas para que se pudiese ajustar el paso de gas. Fue una labor de mecánica fina increíble que no mereció la pena. Visto esto opte por una solución híbrida con dos electroválvulas.

La filosofía es la siguiente. La electroválvula 2 abre el paso del deuterio a una cámara intermedia que suponemos que inicialmente esta a muy baja presión. Si partimos que la electroválvula permite el paso de 1 mm3 por milisegundo y temporizamos la electroválvula para 100 milisegundos el volumen de deuterio que pasara es de 100 mm3 a la presión atmosférica. Si el volumen de la cámara es de 10 cm3 ( 10.000 mm3), la presión que se establecerá en la cámara intermedia será 100/10000 ( 1/100) de atmósferas.

Según esto con una apertura de 1 milisegundo de electroválvula 1 pasan solo 1 mm3, pero esta vez el gasta esta a 100 veces menos presión con lo cual la cámara del fusor se incrementara solo 0,1 micra por cada pulso de 1 milisegundo. Estos cálculos son muy aproximados ya que no se ha tenido en cuenta muchos parámetros, pero suficientemente aproximados para que el sistema funcione.

Con el torno se planean las dos caras del cilindro de aluminio. Después se rebaja el borde para que el vaso( con un poco de holgura ) entre en la campana 6 u 8 mm. Después se hace una acanaladura circular para alojar una junta tórica de neopreno de 4 o 5 mm. Esta junta es la que va a garantizar la estanqueidad de la cámara. La junta queda protegida de las descargas porque esta mas baja que la superficie del cilindro.

En la parte inferior del cilindro puede hacerse un agujero ciego, centrado y roscado con M6 o M8 para sujetarlo a un vástago o una plataforma. Los conductos con el exterior de la cámara de vacío se realizan por todo el perímetro del cilindro. Por eso es tan grueso. Lo mas frecuente es preparar cuatro conexiones: Vacío, introducción de gases, medidor de presión y ventilación. Cuatro conexiones que pueden quedar separadas 90º. Mecánicamente es más sencillo hacerlas a través de la base, pero luego se monta un lío de collarines que no funciona.

Por ello conviene hacer cuatro orificios ciegos de 10 mm de diámetro a 28 mm del centro. Los orificios deben tener una profundidad de unos 6 u 8 mm menos que el grueso de la base de aluminio. El orificio que vaya destinado a la toma de vacío puede agrandarse hasta un diámetro de 15 mm para mejorar la conductancia del vacío. Lateralmente se realizan otras perforaciones que conecten con estas. Inicialmente convienen que sean de unos 8 mm de diámetro en espera de la decisión de que aparatos se van a conectar. La toma de vacío se debería hacer con un flanco QF16 de aluminio. Ambas piezas se pueden unir mediante roscado sellando la rosca con epoxi para vacío o alojando en el final una junta de neopreno. A pesar de que sea un poco mas caro recomendamos que en resto de las tomas se haga exactamente lo mismo, de esa manera la campana es mas flexible y los instrumentos y controles mas versátiles.

Preparación de la campana.

Como se ha comentado anteriormente la campana es un simple vaso de vidrio Pirex de 500 cc de capacidad de la marca BODUM. El la mayor parte de los casos el vaso cierra perfectamente contra la junta tórica sin mas que mojar ligeramente la junta con grasa o aceite para vacío. Si hay dificultades para hacer el cierre hermético conviene planear el borde del vaso. Para ello colocar un folio de papel esmeril al agua de grano 200 sobre una superficie bien plana. Mojarlo con un par de cucharadas de agua y apoyar el vaso por la boca moviéndolo haciendo la figura de un ocho contra el papel esmeril. De vez en cuando limpiar el borde del vaso y observar si toda la superficie del mismo esta siendo atacada por el esmeril. Continuar la tarea hasta que consideremos que el vaso esta suficientemente plano.

Preparacion de

Mi campana "cubata" después de haber sufrido unas sesiones de sputering. Obsérvese que frecuentemente se recubren de metales las paredes de la cámara. Tal como esta construida se pueden soltar todas las piezas metálicas y meter el vidrio en ácido para dejarla como nueva.

Detector de neutrones.

Hacia años que había jugado con detectores geiger , detectores centelleo y otras historias. Por lo cual no pense cuando llego el momento que detectar neutrones me iba a dar tantos quebraderos de cabeza. Ahora con un poco mas de conocimiento de causa pienso: si el neutrón no tiene carga y pasa entre la materia prácticamente sin enterarse debe ser difícil detectarlos. Y es así.

El 11 de Junio de 2002 cayó en mis manos el primer tubo detector de neutrones. Su aspecto totalmente similar a un tubo geiger salvo que no tiene ventana de mica (algunos geiger tampoco tienen)

Aquí están las especificaciones que el fabricante da de su detector en su Web.

LND 252139

CYLINDRICAL He³ DETECTOR

GENERAL SPECIFICATIONS

THERMAL NEUTRON SENSITIVITY

ELECTRICAL SPECIFICATIONS

Como vi que la tensión de alimentación era muy similar a los otros detectores de partículas que tenia enseguida lo conecte, esperando al menos oír los chasquidos de la radiación de fondo. Un silencio sepulcral se hizo en el taller, esperando los clásicos clics. Nada, por mas que revisé todo estaba bien. Después de este jarro de agua fría, comencé el estudio sistemático del tubo y de la forma adecuada de hacerlo funcionar.

El detector esta relleno de una mezcla de ³He y CO₂ a una presión aproximada de 10 atmósferas. Su volumen interior es de 25 cc aproximadamente.

En las especificaciones del tubo no vienen, pero de información complementaria obtuve que un detector como este podía tener una eficiencia de 0,77 para neutrones térmicos de 0,025 eV. Es decir que detectaría aproximadamente el 77% de los neutrones térmicos. Esta eficiencia pasa a ser de tan solo un 2% para 100 eV y 0,1% para 10 Kev y 0,002% para 1 Mev. Esta claro que es un detector casi exclusivamente de neutrones térmicos.

La reacción que se desarrolla en el interior del tubo es

³He + n ---- ³ H + ¹H + 765 keV

En resumen el helio 3 captura un neutrón térmico expeliendo un protón y 765 keV.

Los 765 keV se absorben ionizando el gas del tubo a razón de un par de iones por cada 30 eV, resultado de lo cual se crean aproximadamente 25 x 10³ pares por cada neutrón capturado, lo cual supone aproximadamente una carga de 2 x 25 x 10³ x 1,6.10-19 = 8 x 10^-15 culombios.

Si no hubiese amplificación en el tubo, y dado que tiene una capacidad de 8 pF esta carga hubiese generado un pulso de 1 x 10-3 voltios que resulta en la practica ser del orden de 20 mV debido a la amplificación del tubo. La especificación del tubo es de 0,1 picoculombio por neutrón.

De aquí se extrae la primera conclusión de diseño. Al contrario que con otros detectores que mediante un cable coaxial se conectaban a una caja donde se encontraba la electrónica, en el caso de estos tubos la electrónica debe estar directamente conectados a el. Lo contrario significaría añadir en paralelo con la capacidad del tubo, la capacidad del cable (del orden de 50pF) lo cual reduciría en un factor de 7 la señal de salida. El previo conectado al tubo debería tener una capacidad de entrada lo mas baja posible, una impedancia de salida de 50 ohmios y seria conveniente que tuviese una ganancia en tensión de 50.

Por otra parte la alimentación de los tubos foto-multiplicadores que tengo se realiza a 950 V, sin embargo para este tubo al tensión recomendada es de 1100V. Afortunadamente ajustar la tensión a este valor no resulta excesivamente complicado, ya que estaba previsto en el esquema original de la fuente de alimentación.

Selección y diseño del amplificador.

Antes de ponerme a diseñar cualquier amplificador estuve buscando en Internet algún esquema o circuito valido. Lo cierto es que no encontré ninguna receta lista para emplear. Sin embargo parecía que en todos los dispositivos de detección de partículas un poco avanzados se empleaban Amplificadores de Carga.

Un amplificador de carga es un dispositivo que proporciona un voltaje a la salida proporcional a la carga que se inyecta a la entrada. En el fondo no es mas que un integrador en el que la resistencia de entrada es cero. La ganancia de estos circuitos se especifica en voltios / pico-culombio.

Como componentes comerciales encontré entre otros los siguientes dispositivos.

A101 de Ampteck y otros productos del mismo fabricante. Realizados en tecnología híbrida tienen unas excelentes características pero tienen un precio del orden de 300 euros.

Del fabricante japonés Clear-pulse los modelos también híbridos CS515, 1 y 2, con una sensibilidad de 1V/picoculombio, de los cuales no pude obtener precios.

Momentáneamente desistí de adquirir un amplificador construido, y busque en mi librería de circuitos. Recordaba que en amplificadores de foto-diodo hace años había construido amplificadores de transconductancia que no eran muy diferentes.

Curiosamente encontré en el Horowitz en la pagina 911 un preamplificador para un foto-multiplicador denomina High-speed charge-sensitive amplifier for photon counting.

El circuito propuesto por Horowitz proporciona una ganancia de aproximadamente 0,15 V/picoculombio, aproximadamente diez veces menos que los circuitos comerciales pero no estaba mal para empezar. Aunque esto significaría obtener pulsos de 15 mV .

Pero encontré algunas discrepancias entre ambos. En el circuito de H el tiempo de bajada del integrador es del orden del de subida, o sea unos 10 mientras que en los amplificadores comerciales esta constante de tiempo estaba situada en unos microsegundos. De hecho la realimentación que actúa como integrador típica consistía en una resistencia de 1 G en paralelo con 1 pf, lo cual da una constante de milisegundos. La entrada de la mayor parte de estos circuitos era a través de un transistor FET, mientras que en el H era a través de un bipolar, lo cual de alguna manera debido a la polarización del transistor impone una resistencia de realimentación baja.

Seguí dándole al perolo, y por fin termine de comprender la razón de emplear los amplificadores de carga.

Los detectores de particular de semiconductores intrínsecos y fotodiodos de gran superficie producen cargas del orden de 10-13 culombios por partícula (aproximación burda) pero los detectores tienen capacidades relativamente altas, del orden de los 1000 pf y mas. Un amplificador de carga que tenga como condensador de integración un picofaradio proporciona ganancias en tensión de 1000 con una excelente relación señal /ruido. Sin embargo en el caso del tubo detector de neutrones la capacidad del ánodo es de tan solo 8 pf por lo que el mismo amplificador solo proporcionaría una ganancia de 8, en cuyo caso no se justifica un amplificador de carga y si un amplificador de tensión con alta impedancia de entrada y bajas capacidades parásitas.

El circuito electrónico.

A continuación reproduzco el esquema del circuito electrónico del preamplificador.

Como se ha mencionado el circuito estaba diseñado para emplear la misma electrónica de conteo que se emplea con varios detectores de centelleo. Por lo tanto el mismo cable coaxial que alimenta el tubo con al tensión sirve como señal de entrada de pulsos.

Como se puede ver en el esquema los 1200 V de alta tensión pasan a través de una resistencia de 1k2 y se filtran con un condensador de 2000 pF/2000V. La polarización del tubo se hace a través de un R de 1M5 . El consumo del tubo es insignificante mientras no reciba un chorro de neutrones suficientemente intenso. Los pulsos del tubo detector pasan a través de un condensador de 100pf/200V en serie con 1 K a la entrada del FET (un BFW 11).

La resistencia de 1 K mas los diodos d1 y d2 ( 1N914) protegen la entrada del FET de pulsos que pueden aparecer en el encendido y apagado. El potenciometro de 100 K se ajusta para que la entrada del OPA642 este en la mitad (6 V) de la alimentación.. Este operacional esta configurado como amplificador no inversor de ganancia en voltaje 30 en alta frecuencia y ganancia unitaria en continua. La salida del amplificador también se protege de pulsos mediante dos diodos 1N914. La señal de salida se suma a la alimentación a través del condensador de 1nF/2000V

Segundo intento.

Decidido a que la cosa funcionase correctamente a la segunda, me preocupe de realizar una mecánica bastante correcta para entre otras cosas evitar parásitos e interferencias externas. Para ello diseñe una arandela de INOX que se fijaba al tubo y podía sostener el circuito de doble cara, aprovechando los contactos de conectores viejos conecte sin realizar soldaduras la placa al tubo y además lo doté de una carcasa de aluminio con orificios para la salida de los conectores y los cables.

El la fotografía anterior se ve poco mas o menos la realización. Los circuitos los monte en SMD chapuza. Emplee una placa de fibra de vidrio con cobre por las dos caras realizando las pistas removiendo el cobre con una fresa y el dremel. Las resistencias son de 1/8 w y muchos condensadores son del tipo SMD. No hice perforación para las patas de los componentes solo algunas para conectar los planos de masa que son las dos caras.

El circuito era un amplificador de tensión basado en un OPA642 que proporciona una ganancia en tensión de 40. Además en la entrada dispone de un FET en seguidor de fuente para aumentar la impedancia de entrada y bajar la capacidad. Se dispuso de diodos para proteger tanto la entrada como la salida frente a sobretensiones. Adicionalmente un condensador de 1 pf permite comprobar el circuito inyectando a través de el un pulso de 0,4 voltios.

Por la cara inferior se hicieron las conexiones de alta tensión (1100v) aislando de esta manera el amplificador lo mas posible. El conector BNC esta soldado directamente al cobre.

Tanto los componentes de alta tensión como el interior del tubo que sirve de blindaje se aislaron con lamina flexible de fibra de vidrio.

Ajustar todos los componentes en tan poco sitio daba sus problemas pero se consiguió. Tengasé en cuenta que el tubo detector tiene un diámetro exterior de 25 mm, por lo que la plaquita de circuito tiene unas dimensiones aproximadas de 20x 50 mm. La señal de salida se superpone a la alta tensión para de esta manera poder aprovechar la electrónica que dispongo para los detectores con fotomultiplicadores. Hubo que dotar al medidor antiguo de una salida de 12 v para alimentar el preamplificador. Además de realizar los conectores y cables necesarios.

Todo parecía listo, solo faltaba probarlo.

Después de comprobar que las tensiones eran correctas y que la amplificación también lo era, se aplico la alta tensión. 1 o 2 cuentas por segundo anunciaban un buen fin. Pero curiosamente el numero de cuentas comenzó a crecer sin que se aplicase ninguna fuente de radiación. Al cabo de unos minutos el numero de cuentas era tan alto que corte la alimentación. Después de comprobar todas las tensiones llegue a la conclusión de que el chisporreteo podía deberse al polvo. Limpié todo con aire comprimido y aplique un barniz aislante cuidadosamente a todas las partes de alta tensión. Sustituí los condensadores de entrada de 1000 voltios (estaba un poco justos) por otros de 2000 voltios. Volví a montar todo y no hubo ninguna cuenta. Tanto silencio me mosqueo así que volví a medir el circuito. Todo estaba correcto. Mi hipótesis de que microchispas eran amplificadas era correcta.

Siguiente paso.

Llene una lata de café de 20 cm de diámetro y 30 de alto de perlas de polietileno para que actuase como moderador ya que el detector solo es sensible a los neutrones térmicos. Introduje el detector ahí conectándolo con una T para poder observar con el osciloscopio que pasaba. Silencio absoluto.

Metí también en el polietileno un tubo lleno de polvo de Berilio en el cual había introducido 10 plaquitas emisoras alfa de detectores de humos. Suponía por los cálculos realizados que obtendría entre 20 y 60 cuentas por segundo pero Oh maravilla….silencio sepulcral.

Volví a comprobar todo, había un poco de rizado el la alimentación de 12 voltios de 65 kHz proveniente de la fuente de alimentación de conmutación, lo solucione mediante tres espiras del cable en un toroide de ferrita y un condensador de 10 uF. Después de eso todo estaba bien. Había un nivel de ruido de 5 mv superpuesto a la alta tensión y yo esperaba pulsos de 400 mV que no veía por ninguna parte.

Aparentemente todo funcionaba pero no sabia si fallaba el detector, el moderador o la fuente de neutrones y no sabia como avanzar. Sumido en tan gran depresión me quede dudando si emborracharme con agua pesada o suicidarme "tragandome" un episodio de Gran Hermano.

Reflexión.

Para reflexionar un poco sobre el tema me tome un descanso con el detector propiamente y me dedique a mejorar el moderador.

Construcción del moderador.

Hasta el momento había utilizado como moderador primero una pila de parafina y después un bote metálico de café lleno de lentejas de polietileno. Como la cosa resultaba ser un poco chapuza quise darle una forma un poco mas profesional.

Tanto la parafina como el polietileno están compuestas de largas cadenas de átomos de carbono que saturan con hidrogeno los enlaces libres. La ventaja de emplear polietileno frente a parafina es que el polietileno es mucho mas adecuado para ser empleado por sus características mecánicas, ya que es mucho mas alta su temperatura de fusión y es mas resistente a la abrasión. Como moderador es igualmente eficaz ya que se compone exclusivamente de carbono e hidrogeno correspondiendo aproximadamente a la formula [CH₂]_n.

En la bibliografía de que dispongo encontré la siguiente tabla, en la que se especifican el poder moderador y la relación moderadora.

La capacidad moderadora de manera simplificada es la capacidad para frenar los neutrones, mientras que la relación de moderación es el cociente de esta y la absorción de neutrones por parte del material moderador. Como se ve de la tabla el agua pesada es el mejor moderador pero se necesitan grandes espesores para moderar. El polietileno por el contrario es un buen compromiso entre capacidad moderadora y absorción de neutrones por lo que es universalmente utilizado en los moderadores que se emplean en los detectores.

Fusión del polietileno.

Primeramente se empleo como moderador una lata llena de lentejas de polietileno. Esto es fácil de emplear pero decidí realizar un cilindro compacto de polietileno para lo que necesitaba fundirlo, lo cual no resultó trivial. El polietileno comienza a reblandecerse a 110ºC pero resulta muy viscoso y mal conductor térmico lo cual dificulta una rápida y eficaz fusión. Por ello es mejor jugar con el factor tiempo que elevar la temperatura.

Se empleo como molde una lata metálica galletas danesas de mantequilla que tenia un diámetro de 19 cm y una altura de 18. El lateral se recubrió de una capa de fibra de vidrio de la empleada para aislamiento en la construcción de 10 cm de espesor y se coloco en un hornillo eléctrico de 500W intercalando entre la resistencia del hornillo y la base de la lata una chapa de material aislante para homogeneizar el calor.

La lata se lleno de lentejas de polietileno, se tapo con otro trozo de fibra de vidrio para evitar perdidas de calor y se conecto la corriente. A las tres horas se había fundido el polietileno pero había bajado nivel de la lata. Se volvió a llenar de polietileno y se cerro de nuevo la lata. Una hora mas tarde se repitió el proceso. Media hora mas tarde todo el polietileno estaba fundido, pero quedaban algunas burbujas en el polietileno. Se desconectó la corriente pero se dejo el recipiente cerrado dos horas mas para eliminar las burbujas. Después se quito el aislante y se dejo enfriar lo cual llevo casi un día ya que aunque el exterior parecía frío, seguía conservando calor ya que el polietileno estaba fundido en el interior.

Totalmente frío se arranco la chapa de la lata lo cual no resultó muy difícil dejando al descubierto un magnifico cilindro de 18 cm de diámetro y 18 cm de alto. Con una lima de madera se aplanaron las bases.

Posteriormente con brocas de madera y a baja velocidad para evitar que el polietileno se calentase y se pusiese pastoso se realizo un orificio en el centro para el detector y otros en la periferia para colocar muestras.

La fuente de neutrones.

Hubiese sido magnifico haber podido acercarme a alguna universidad y probar mi detector en una fuente de neutrones seria pero como cada vez que preguntaba ponía cara de poker no tuve mas remedio que construirme una que todavía no se si funciona ya que a esta fecha no he detectado ninguna.

La fuente esta formada por un gramo de berilio y 10 microcurios de americio resultado del desguace de múltiples detectores de humos extraídos de los contenedores de las obras de unas oficinas ceca de donde trabajo.

La bibliografía consultada dice que la combinación Am-Be produce entre 2 y 3 neutrones por cada microcurio de americio. Según esto y para simplificar la fuente de referencia debería producir aproximadamente 20 neutrones distribuidos de manera isotrópica.

Si la fuente y el detector se encuentra separados a 8 cm de estos 50 neutrones solo atravesaran los 12 cm² de área eficaz del detector

20 · 12 / (4 · 3,14 · 8² ) = 0,3 n/s aproximadamente.

Ahora falta por averiguar cuantos de estos neutrones son absorbidos por el moderador, cuantos llegan al detector con la energía adecuada y cuantos son detectados por el tubo.

Si, en tanto no lo calculo con precisión supongo que en los 3 casos es un 50% las cuentas que debería señalar el equipo seria de 0,08 por segundo es decir 8 cada 100 segundos. Bastante menos que lo que inicialmente estaba esperado.

En esta imagen se ve el cilindro de polietileno ya terminado. En el orificio central esta situado el detector. Abajo a la derecha la fuente de neutrones.

De nuevo a la caza de neutrones.

Con el nuevo moderador, los resultados fueron idénticos a los ya padecidos. Las cuentas parecían se aleatorias y los resultados no tenían ninguna correlación, a pesar de que las repetí con todo cuidado, tanto que empecé a pensar que me habían timado y que me habían vendido un ladrillo. Buscando alguna señal de que el detector no estaba mas sordo que una tapia le acerqué un pedrusco de mineral radioactivo que tengo bien guardado en un arcón de plomo. Nada, unas 10 cuentas cada 1000 segundos sin ninguna coherencia. Pensando someterlo mas a la posible radiación gamma decidí en vez de aproximarle un "piedro" meterlo directamente en la caja. Como ya eran las 3 de la mañana puse el contador a cero le di un tiempo de 10.000 segundos y me fui a la cama. El día después al ver el contador me lleve una agradable sorpresa. En un periodo de 10.000 segundo solo había contado un pulso…. Eso significaba muchas cosas. Que las cuentas aleatorias se debían a radiación de fondo y que al ser paradas por las paredes de plomo eran radiación gamma, posiblemente cósmica. Saqué todos los minerales introduje el tubo con el moderador, añadí la fuente de neutrones y le puse al contador un periodo de 1000 segundos. 17 minutos después el contador había registrado 3 clics. Repetí la cuenta sin fuentes y la medida fue cero. Volví a repetir con la fuente y la medición fue 4 ¡¡¡¡¡¡Aleluya Aleluya ¡¡¡¡ estaba contando neutrones. Todo estaba funcionado pero las cuentas eran tan bajas que estaban totalmente enmascaradas en la radiación de fondo.

Repetí el proceso con 10.000 segundos, con fuente de Am-Be las cuentas eran 3,1 neutrones cada 1000 segundos y sin fuente eran 0,08. Estaba claro que funcionaba. La diferencia es que de yo había calculado 8 neutrones cada 100 segundos sin embargo el detector me daba cuentas 30 veces inferiores.

Conclusiones.

En todos los sitios que había visto decían que los electrones son muy escurridizos, y así es, los niveles de detección y producción con artilugios de aficionado son muy bajos. Afortunadamente el nivel de ruido del detector utilizado es muy bajo y puede filtrase mediante blindaje de plomo y proporcionar cuentas fiables en niveles tan bajos como varios neutrones cada 10.000 segundos.

Pero de esta experiencia contada casi como se ha ido produciendo y que algunos pueden considerar como un rollo chino, se saca la conclusión mas importante. Solo un trabajo sistemático, analítico concienzudo meticuloso y perseverante puede llevarnos al éxito. Ir de flor en flor, rendirnos a la primera dificultad es ir de fracaso en fracaso.

Porque las cuentas eran tres veces menos ?. La primera razón era que el americio emite las partículas alfa en un solo hemisferio porque esta sobre una plaquita metálica, esto reduce las posibles cuentas a la mitad. Además Los cálculos realizados en función de la geometría suponen un medio transparente y la realidad es que es un medio translucido ya que los neutrones para ser moderados deben chocar al menos 30 veces con los núcleos de hidrogeno. Carezco en este momento de los conocimientos para calcular la densidad de neutrones.

Mejora de la fuente de neutrones.

Una vez que parecía que todo estaba funcionando me decidí a aumentar la intensidad de la fuente de neutrones. Después de unos cuantos paseos por varios desguaces en busca de detectores de humos conseguí que mi detector contase 4 neutrones cada 10 segundos una intensidad suficientemente grande para superponerse al ruido de fondo. La mezcla Americio-Berilio la introduje en un pequeño cilindro de acero inoxidable hermético. De esta manera el acero filtra la mayor parte de la radiación gamma del americio pero los neutrones salen sin ninguna complicación.

Hay una prueba muy concluyente de que las medidas de mi aparato cuenta neutrones que realizo según sigue:

Enciendo el detector, lo pongo a contar 100 segundos, sin moderador ni fuente. Las cuentas son 0 mas menos 1 cuenta.

Coloco el moderador de polietileno al detector. Las cuentas son 0 mas menos 1 cuenta.

Quito el moderador, coloco la fuente pegada al detector. Las cuentas son 1 mas menos 1 cuenta.

Coloco el moderador la fuente y el detector en sus sitios. Las cuentas son 45 mas menos 4 cuentas.

Las pruebas son irrefutables, NO????

Nota adicional.

Hay un excelente documento relativo a una practica de laboratorio del Instituto Tecnológico de California (Caltec) que puede servir de base teórica para esta realización. Recomiendo que se vea.

La practica en cuestión, emplea una fuente de neutrones de Californio, un detector de F3B y emplea como moderador un bidón de agua. Se somete a irradiación con neutrones térmicos una plaquita de indio y después se realiza una gamma-espectrografía empleando un detector GeLi. El documento completo se encuentra en formato PDF en la dirección http://www.pma.caltech.edu/~ph77/labs/exp16.pdf

Generadores de alta tensión. Parte 2

Rectificador y multiplicador de tensión.

De manera casi unánime, para obtener tensiones muy altas se recurre a circuitos multiplicadores de voltaje mediante redes de condensadores y diodos ya que resulta bastante complicado o no conveniente pasar directamente de tensiones de decenas de voltios a decenas de miles. Para alimentar los tubos de rayos catódicos en los televisores se emplean tensiones del orden de los 25 kV que se obtienen triplicando la salida del transformador de MAT.

Cuando se trabaja con voltajes superiores a los 10 KV, las posibilidades de chispas, fugas coronas y otros efectos de alta tensión son el mayor problema a resolver por el constructor de estos aparatos. Por ello en los circuitos multiplicadores comerciales los componentes del multiplicador y los cables de entrada y salida suelen estar muy bien aislados con gruesas capas de silicona. Pretender hacer un circuito sin un buen planteamiento de los aislantes es lanzarse a un fracaso casi seguro.

Empleando la técnica descrita a continuación yo he construido varios circuitos multiplicadores que han alcanzado el espantoso voltaje de mas de 300.000 voltios, con chispas de mas de 40 cm de longitud que hacían el ruido de una buena traca de petardos. Y tengo que decir que me siento muy satisfecho de su funcionamiento, flexibilidad y facilidad de fabricación.

Circuitos multiplicadores de voltaje.

A lo largo del siglo XX se desarrollaron diversos máquinas y circuitos para obtener altos voltajes de corriente continua. Entre ellos están lo generadores Van del Graaf, los carretes de Rumkoff y otros como los multiplicadores de voltaje a partir de una corriente alterna de alta tensión que son los que describimos aquí. Estos circuitos se desarrollaron durante por Cockroft y Walton en 1932 como fuente de alta tensión para un acelerador de partículas para experimentación nuclear. En la página http://wavecrypt.webcindario.com, puede encontrarse mas información sobre alto voltaje.

A continuación se representa el circuito que corresponde a la celda básica de un multiplicador de tensión

Como se puede ver esta formado por dos diodos y dos condensadores. Su suponemos que el consumo de corriente es nulo, El voltaje en continua Vout, es dos veces el voltaje de pico de la corriente alterna de entrada Vin. La salida es de tensión positiva. Esta celda básica, teóricamente, se puede repetir cuantas veces sea necesario aunque en la práctica a partir de diez veces su rendimiento no resulta aceptable.

En el circuito anterior se han conectado cinco etapas multiplicadoras en serie con lo cual, el voltaje de salida (positivo) es aproximadamente 10 veces el voltaje de pico de la entrada.

Para obtener voltajes positivos en vez de negativos basta con invertir el sentido de los diodos, pero resulta mas conveniente construir un subconjunto que simplemente cambiando las entradas y las salidas para que proporcione voltajes negativos o positivos.

Como puede verse, si consideramos masa (o común ) el terminal 2 y conectamos la entrada de alterna al 1, La salida 4 proporcionara frente a 2 una salida positiva. Para obtener salidas negativas se conecta la entrada de alterna a 3, consideremos masa a 4 y la salida la obtenemos en 2 (considerando masa en 4).

Valores de los componentes.

Generalmente los diodos y los condensadores de toda la red de multiplicadores tienen el mismo valor. Esta claro que la tensión inversa máxima de los diodos y de los condensadores debe ser al menos dos veces la tensión de pico de la entrada aunque se aconseja dejar un margen suficientemente amplio.

No vamos a desarrollar las formulas para calcular el rizado, tan solo alguna receta suficiente para conseguir un buen funcionamiento del circuito. En teoría cuanto mayor sean estos condensadores menos rizado tiene el generador. No obstante cuanto mayor sea esta capacidad mas energía se almacena en ellos con lo cual si el valor es demasiado grande cualquier descarga accidental se transformara en un rayo con capacidad para destruir muchos circuitos. El valor mínimo de estos condensadores puede considerarse para un rizado de un 5 % de la tensión de nominal de suministro. Este valor disminuye con la frecuencia de operación y aumenta con la corriente esperada de consumo.

Como caso practico, un circuito multiplicador que opere a 20 kHz, alimentado con corriente alterna de entre 10 y 15.000 voltios y una corriente de 2 mA o menos puede operar con un rizado bastante aceptable empleando condensadores de 1 nF. Si operamos a la mitad de frecuencia o pensamos en el doble de intensidad, o si necesitamos la mitad de rizado el valor de estos condensadores deberá ser el doble.

Algunas veces he pensado en emplear un transformador de neón con una salida de 15 kV de pico para alimentar un multiplicador. Pensaba en obtener corrientes del orden de los 20 mA, para lo que debía emplear condensadores de al menos 400 nf a 15.000 voltios. Con un pequeño calculo ( E= 1/2 CV²) se calcula que la energía almacenada en cada condensador es de 50 julios, mas o menos el equivalente a la de una bala de pistola. Suficiente para destruir los diodos u otros componentes en caso de una descarga accidental. Si en vez de operar a 50 Hz operásemos a 20 khz los condensadores pueden ser 400 veces inferiores y su energía almacenada 400 veces menor. Como se puede ver es evidente la ventaja de operar a las frecuencias mas altas posibles. Los condensadores son menores, lo cual produce un aumento en la fiabilidad y una enorme reducción del coste de los componentes y el tamaño.

Diodos. Los diodos deben soportar al menos el doble de la tensión de los condensadores y deben ser lo suficientemente rápidos para operar a las frecuencias decididas. Muchos diodos como los empleados en hornos microondas son adecuados para trabajar a la frecuencia de la red, pero no lo son para trabajar a 20 Khz que es el caso en que estamos.

Construcción practica, de un generador de 300.000 voltios 1 mA.

La fotografía a continuación muestra la etapa rectificadora y multiplicadora. Esta compuesta por 12 etapas que dan un total de multiplicación por 24. Teóricamente alimentando con 15.000 voltios a 20 kHz debería proporcionar 360.000 voltios. En la practica no llega a alcanzar esta tensión salvo en circuito abierto.

El conjunto esta montado en un tubo de poliéster transparente de 50 mm de diámetro y 600 mm de longitud. El cilindro esta lleno de aceite de parafina para aislar los componentes. Este aislamiento es mucho mas ventajoso que embeber los componentes en resina ya que se pueden ver las posibles coronas interior y resulta muy fácil su reparación. A cambio hay que tener cuidado para evitar que se salga el aceite. Se puede emplear aceite de transformador, pero el aceite de parafina es mas limpio y suficientemente aislante y además es incoloro y transparente.

Los componentes azules y amarillos son exactamente el mismo condensador de 1 nF 15 Kv, la diferencia de color se debe a que son de distinto fabricante.

El tubo esta cerrado en su parte inferior con un tapón de metacrilato pegado. En la parte superior se cierra con un tapón con una junta tórica que se fija mediante unos tornillos de plástico. El sistema resulta hermético y no pierde aceite. Tanto en el cierre inferior como en el superior hay dos conectores de dos contactos.

En el interior del tubo hay una placa de metacrilato de 10 x 30 x 550 mm con un conector en cada extremo que se acoplan con los de los cierres. Sobre esta placa se montan los componentes según el esquema expuesto anteriormente, de manera que simplemente sacando la placa e invirtiendo su sentido se puede pasar de generación de voltaje positivo a negativo. Como se puede ver en las fotografías, se deja una pequeña cámara de aire en el interior del tubo para permitir la dilatación del aceite.

La placa de plástico contribuye a dar estabilidad mecánica a la red de condensadores y diodos. Para mejorar la estabilidad conviene, de cuando en cuando, atar los componentes a la placa mediante un hilo de material no conductor. (nylon por ejemplo)

El sistema de montaje empleado tiene varias ventajas. Es económico, es fácil de fabricar, permite invertir la polaridad con solo girar la placa de componentes, es fácilmente reparable ya que en el caso de que se estropee un componente se desarma la placa y se sustituye.

En mi caso el tubo completo de multiplicador se fija en una U ( de 200 x 200 mm aprox.) construida con chapa de aluminio de 2 mm de espesor. Las conexiones de alterna de sacan por debajo con cable aislante de alta tensión. (tener en cuenta que se alimenta a 15 kV).

La salida cuenta con un conector hembra de los del tipo banana, sellado con Araldit para evitar fugas de aceite. En una de las fotografías anteriores el terminal positivo esta conectado a una esfera de aluminio de las empleadas en los generadores Van der Graaff. Si se dispone de una de ellas es muy conveniente, ya que las tensiones que aquí se manejan no son "moco de pavo".

Si se coloca una esfera como la descrita, y acercamos (empleando una vara de un metro de material aislante) un electrodo conectado a tierra, saltaran chispas de mas de 25 cm de longitud con un buen ruido. En caso de no conectar la esfera, del terminal de salida saldrá una especia de chorro de iones de color azulado y ruido parecido al del aire a presión de casi 5 cm de longitud. Si colocamos aquí un electrodo terminado en punta este chorro será aun mas potente.

Materiales para fabricar el multiplicador.

Los condensadores empleados son cerámicos de 1 nF / 15 KV. Pueden conseguirse en RS, numero de catalogo 119-097, a un precio de 2,53 euros.

Los diodos empleados son Philips modelo BY 8224, están caracterizados para 30 kV y 3 mA con 100 ns de tiempo de recuperación . En RS el numero de catalogo es el 294-3937 y tienen un costo de 0,45 euros.

El tubo de plástico transparente, se puede comprar en Resopal o en RS, numero de catalogo 282-2262, tiene un coste de 30 euros. El aceite de parafina puede obtenerse en Riesgo.

Conclusión:

El diño del multiplicador de tensión embebido en aceite de parafina resulto tremendamente practico. De hecho en diferentes momento hubo que sustituir condensadores y diodos averiados, lo que se realizo sin problemas. Cuando esta en funcionamiento pueden verse corrientes del aceite de parafina inducidas por los potenciales electrostáticos. Los diodos utilizados resultaron pequeños y se estropearon frecuentemente. Resultaría conveniente instalar una resistencia de 5 M a la salida para limitar la corriente. Este multiplicador produce chispas de mas de 30 cm de longitud que resultan estremecedoras.

El circuito oscilador de potencia presentado en este trabajo funciono bien. Por contra tiene el problema de estar alimentado en CC lo que encarece el circuito especialmente si se requieren altas potencias ya que es necesaria la fuente de alimentación completa.. Este circuito se ha superado con un nuevo diseño en el que la red es directamente rectificada filatrada y chopeada por un oscilador de medio puente mucho mas robusto que el aquí presentado. El circuito en cuestión resulta mas simple y barato y además se suministra las transparencias para realizar el circuito impreso, con lo que se simplifica el montaje. Ver aquí el circuito Choper.

El sistema de vacío.

Para conseguir la fusión de los núcleos de deuterio estos deben chocar con energías superiores a los 20 kV, por lo tanto deben acelerarse con diferencias de potencial de ese orden y para que en un recipiente se puedan mantener esas diferencias de potencial el vacío existente debe ser del orden del 10 militorr o inferior.

A presiones mayores la conducción del gas enrarecido es tan alta que es difícil mantener tensiones superiores a un par de miles de voltios salvo que las corrientes sean de varios amperios lo cual supondría un consumo de energía tan grande que el sistema se destruiría en pocos segundos. Por otra parte un vacío suficientemente alto como el propuesto garantiza que el recorrido medio de los núcleos de deuterio es lo suficientemente grande para que no haya demasiadas colisiones con otros núcleos (fuera de la zona central del fusor) con la consiguiente perdida de energía.

Pueden emplearse vacíos más altos aunque entonces las corrientes que circulan son mucho mas bajas y cuesta encender el fusor. La densidad de núcleos es también mas baja y por tanto la velocidad de fusión más lenta. Por tanto lo más frecuentes es mantenerse entre 1 y 10 militorr.

Para conseguir estos vacíos puede emplearse exclusivamente un muy buena bomba de vacío mecánica pero no el lo mas recomendable ya que si alcanzase presiones por debajo de los 10 militorr la velocidad de aspiración seria muy baja y no resultaría operativa. Por el contrario una asociación en cascada de una bomba mecánica y una de difusión proporciona vacíos mucho mejores y una vez que la bomba difusora esta caliente la velocidad de aspiración es muy elevada.

Construcción de una bomba de alto vacío por difusión de aceite (1ª parte).

Introducción

Las bombas de vacío rotatorias pueden conseguirse en el mercado por unos 250 euros nuevas, y bastante menos de segunda mano. Además con un poco de ingenio se puede convertir el compresor de un frigorífico para obtener vacíos no muy exigentes.

Pero cuando se trata de obtener vacíos mas altos que 50 micras, hay que optar por otras soluciones. Entre estas soluciones están las bombas de difusión, las turbo moleculares y las de adsorción. Las bombas de adsorción emplean aire o nitrógeno liquido lo cual no suele estar al alcance de los aficionados. Las bombas turbo moleculares, son imposibles de fabricar por un aficionado. Si se quiere adquirir una turbo molecular la única posibilidad es acudir a eBay pensando en gastarse mas de 1000 euros. Por supuesto que seria un milagro encontrarla en España, por ello a ese dinero habrá que sumarle portes y aduanas.

En el mercado hay algunas bombas de difusión de mercurio que pueden ser suficientemente buenas para muchos aficionados. Es una opción que no se debe descartar a priori. La bomba de simple efecto cuesta unos 110 euros y la de doble efecto 400 euros. Consultar en los fabricantes de material de vacío para tubos neón.

Cuando yo comencé a trabajar en alto vacío la única posibilidad de encontrar una bomba de este tipo era comprándola nueva. Ebay existía pero (sobretodo el americano) pero yo no lo conocía bien y los procedimientos de pago por Internet estaban en pañales. Hoy sin embargo la situación es otra.

En eBay con suerte y tiempo mirando, puede conseguirse una bomba difusora por unos 350 euros mas otros 100 de gastos. Por menos dinero se corre el riesgo de comprar basura inservible. Los chollos existen, si ves uno aprovéchalo.

Si eres un manitas y te gusta hacerte las cosas puedes fabricarte una. Eso si, necesitas torno, fresa (aunque simple) y soldadura de plata y paciencia. Si eres meticuloso y sigues mis consejos podrás fabricarte tu propia bomba difusora metálica con prestaciones equivalentes a las que venden comercialmente en España por un precio no inferior a los 1500 euros.

Vista de la bomba difusora completa. Además tienen conectada una válvula de aislamiento y unos adaptadores para conectar el medidor de vacío. Y un circuito que permite aislar la bomba.

Un poco de animo.

Cuando yo decidí fabricar mi bomba difusora tengo que confesar que nunca había visto una en directo. Las ideas para construirla las saque de catálogos, Internet, dibujos etc. También tengo que confesar que nunca había soldado acero inoxidable, por lo cual decidí hacerla en acero normal. A pesar de ello la construí, empleando como principales herramientas el sentido común y la perseverancia.

El premio fue gordo. La bomba funcionó a la primera. Y eso que empleé aceite de la bomba rotatoria. Pruebas posteriores, empleando aceite de silicona y un medidor de vacío de magnetrón invertido me permitieron alcanzar un vacío de 10 e -9 torr. Para un principiante no esta nada mal. NO?

Posteriormente tuve algunos problemillas. Se quemaba la resistencia de calefacción. Pero una vez encontrada la solución el funcionamiento ha sido totalmente satisfactorio, ya que mi bomba lleva funcionando casi tres años. Con ella he conseguido fusión D-D, sputering y he realizado muchos experimentos.

Entretanto, he visto otras bombas difusoras, también turbo moleculares. He soldado acero inoxidable con plata, también he aprendido a soldar en atmósfera de argón. He aprendido mucho sobre estanqueidad.

El diseño de la bomba original esta inspirado en la difusora Edwards EO 50/60, que esta refrigerada por aire. Tiene una capacidad de bombeo de 50 l/s

Todas estas experiencias están de alguna manera recogidas en este diseño. Por lo cual esta bomba no es exactamente la original, pero a cambio es mas fácil de construir y mas fiable a largo plazo.

Fundamento de una bomba de difusión.

Los amantes al cine bélico sin duda recordaran esas socorridas escenas en que un obús muy gordo le da a un enemigo. La cabeza, el brazo o cualquier cosa que arranque será arrastrado en la dirección del obús. Pues una bomba de difusión funciona de manera similar, salvo que en este caso los enemigos son las moléculas del gas que hay que evacuar y los obuses son las moléculas del liquido que emplea la bomba difusora en forma de vapor.

Para entender mejor esto fijémonos en la el dibujo de una bomba de difusión de mercurio, de simple efecto construida en vidrio. Consta de una cámara en la que se calienta el mercurio el mercurio a baja presión se evapora y el vapor sale a alta velocidad por el difusor. Los vapores de mercurio arrastran las moléculas del gas a extraer hacia el área de bajo vacío. Mientras tanto los gases de mercurio al chocar con las paredes de la cámara, que están refrigeradas por agua se enfrían y se condensan en gotas liquidas. El mercurio liquido y frío pasa de nuevo a la cámara de evaporación a través del sifón. El sifón además de permitir el retorno del mercurio a la cámara sirve para mantener la diferencia de presión entre la cámara de evaporación y la de condensación.

Las bombas difusoras construidas con vidrio empleando mercurio se han utilizado desde principios del siglo XX y se siguen empleando en la actualidad en algunos talleres de fabricación de tubos luminosos.

Hay que resaltar que para que funcione una bomba difusora es necesario que haya un vacío previo. El vacío previo necesario depende de la construcción de la bomba y del liquido a emplear. En la mayor parte de los casos basta con un vacío previo equivalente a 500 micras de mercurio, lo cual se consigue generalmente mediante una bomba mecánica. En otras palabras la bomba mecánica esta conectada a el conducto denominado bajo vacío.

Con una sencilla bomba difusora de vidrio es posible conseguir un vacío de 0,1 micra o menor ( 10 e-5 torr) a partir de las aproximadamente 100 micras ( 10 e -2 torr) que da una bomba mecánica.

Una bomba de este tipo construida en vidrio se puede adquirir por aproximadamente 100 euros. Las bombas de doble efecto (con dos etapas de difusión de mercurio) cuestan aproximadamente 400 euros.

Para el aficionado serio estas bombas presentan dos problemas: el vidrio y el mercurio. El problema del vidrio es evidente, es frágil, se puede romper con facilidad, es difícil hacer conexiones serias ya que es casi obligatorio emplear tubos de goma y estos tubos producen gases y fugas de vacío. Por otra parte hay que reconocer que una bomba de vidrio es preciosa sobretodo si es de doble o triple efecto.

Los problemas del mercurio son otros. El mercurio es tóxico, se alea con mucho metales, y aunque sea en pequeñas proporciones termina por invadir todos los componentes conectados a los circuitos de vacío. Esto en el caso de los fabricantes de tubos de neón no es problema ya que al final del proceso de fabricación siempre suelen introducir en el tubo una pequeña parte de mercurio para aumentar la generación de rayos ultravioleta. Pero a pesar de que estos sean graves problemas en el mercurio, la razón por la que no se suele en las bombas de difusión es otra, es que el vacío máximo esta limitado por la presión de vapor del liquido difusor y la presión de vapor del mercurio es muy alta si la comparamos con otros líquidos mas adecuados.

De hecho la presión de vapor del mercurio a 20 ºC es de solo 0,0012 torr y a 100 ºC esta presión sube hasta 0,27 torr. ( 1 atmósfera equivale a 760 torr). Como lo mas frecuente es que la toma de alto vacío de una difusora se encuentre entre 40 y 60 ºC en estas condiciones es prácticamente imposible conseguir vacíos inferiores a las 2. 10 e-3 torr salvo que empleamos trampas refrigeradas con agua o mejor con nitrógeno liquido.

Sin embargo existen muchos líquidos orgánicos, tan baratos o mas que el mercurio con presiones de vapor mucho mas bajas que el mercurio. Con aceites idénticos a los que se emplean en las bombas de difusión, pueden conseguirse vacíos del orden de 10 e -5 torr, con siliconas de precio medio 5. 10 e -7 torr y con Santovac 5 se puede llegar a los 10 e -9 torr sin necesidad de emplear trampas de nitrógeno liquido.

Algunos de estos aceites pueden ser caros, incluso legan a costar los 200 euros litro, afortunadamente una bomba difusora pequeña bien construida solo necesita entre 25 y 50 cc para funcionar lo cual significa que incluso empleando el aceite mas caro del mercado su coste no llega a superar los 10 euros. El consumo de aceite es prácticamente insignificante. Y solo después de bastantes horas de uso es necesario cambiarlo. (con un uso bastante regular yo lo cambio una vez al año). De cualquier manera, para empezar basta con emplear el mismo aceite que se emplea en la bomba mecánica. Este aceite cuesta menos de 10 euros el litro.

Vista del cuerpo de la primera bomba construida.

Conjunto de difusores de la primera bomba.

Documentos para la realización de una bomba de difusion de aceite.

Se trata de la construcción amateur, de una bomba con capacidad para alcanzar un vacío del orden de 10 e -6 torr o superior y un flujo de al menos 40 l/s. Para realizarla se necesita disponer de torno, taladro, soldadura oxi-propano o equivalente, y unas buenas habilidades mecánicas. Esta básicamente construida con acero inoxidable y aluminio. Las soldaduras se realizaran con plata aunque quien disponga de soladura MIG lo puede hacer con esta.

En estos momentos la bomba se ha realizado con éxito. Cuando se realizo se hizo con el propósito es que quien quisiera se fabricase esta bomba a la vez que lo hacia yo . Me basé en la bomba anteriormente realizada y la experiencia acumulada pero de manera mas simple y económica, hacerla en INOX ya que la anterior es de acero normal.

Pretendí que esta bomba, tenga una construcción y acabado profesional, si alguien quiere en base a este diseño hacer otra cosa mas simple allá el. Quiero decir, que yo no necesito esta bomba para nada, hice este diseño porque vi que hay mucho interés por disponer de una bomba de estas.

En su momento emplee mucho de mi tiempo en diseñar y hacer esta bomba, exclusivamente a favor de muchos aficionado que la necesitan, y emplee muchísimo mas tiempo en preparar toda la información necesaria para que se pueda fabricar la bomba, solo pido una cosa a cambio, que quien haga una de estas me lo diga, creo que me merezco la satisfacción de saber que mi trabajo no ha sido en vano.

Porque emplear acero inoxidable?

Mi anterior bomba esta construida en acero. Algunas superficies de la misma alcanzan temperaturas de mas de 200 ºC. Esto unido al ambiente de un laboratorio hace que el acero se oxide y en algunas zonas que por diseño deben ser muy finas me han aparecido poros muy difíciles de resolver a posteriori. La solución a esto es el INOX. Se que mecanizar el INOX es un coñazo, por ello recomiendo que se consigan los materiales en las dimensiones exactas que propongo ya que de esta manera el trabajo de mecanizado será mas simple.

Documentos del proyecto.

Además del presente, para evitar tiempos de carga innecesarios este proyecto se documenta en varios apartados a los cuales se puede acceder desde aquí.

Primer escandallo de materiales.

Tubo inox 50,8 mm diámetro exterior 47,8 interior 143 mm long. Es una medida estándar . Cuerpo

Cilindro inox 50 mm diámetro, 14 mm long. Base calefactora.

Barra perforada de inox 70 mm diámetro exterior, 50 interior, 15 mm long. En su defecto puede emplearse una loncha de inox de 70 mm diámetro 15 mm longitud. Boca.

Tubo inox, 20x18 mm, 63mm long, 1 mm pared. Conexión a baja.

Tubo inox, 15 x12 mm, 52 mm long. Conexion de cuerpo a toma de baja..

Cilindro de inox 30 mm diámetro x 25 longitud. Usos varios,.

Cilindro alu 55 mm diámetro, 40 mm long.. Cierre.

Cilindro alu 40 mm diámetro, 30 long. Calefactor.

Cilindro inox 30 mm diámetro, 50 long. Toma de baja y varios.

Barra alu, 60 x 60 x 60 mm. Refrigeración.

Cilindro alu 40 mm diámetro 70 mm long. Caldera.

Cilindro alu, 30 mm diámetro 40 mm long. Difusor y varios.

Cilindro alu 30 mm diámetro 25 long. Conexión a bomba mecánica. (opcional)

Cartucho resistencia, 150 W /220 V.

Ruptor térmico 70 grados.

Ruptor térmico, 200 grados.

Cuenco de Inox 150 mm diámetro.

Brida metálica, 40 mm diámetro.

Junta torica 45 diámetro, 5 mm grueso.

Construcción de una bomba de alto vacío por difusión de aceite (2ª parte).

A continuación se presenta un boceto en corte de la bomba, especialmente del cuerpo de la cámara que es la parte mas importante. En ese boceto falta el calefactor, la refrigeración y las tomas de entrada y salida de vacío. Reseñar que la toma de alto vació de la bomba esta hecha en el formato QF50 , mientras que la salida a la bomba mecánica es en formato QF 16. Mas adelante se darán instrucciones para adaptar la salida QF50 a otros pasos y para hacer un adaptador de QF16 a tubo de goma. Quien no desee estos pasos puede modificarlos a su antojo con un poco de ingenio. Por otra parte en el boceto a continuación no se ha incluido el sistema de refrigeración por la razón de que es posible emplear agua o aire. Parece mucho mas cómodo aire pero la verdad es que refrigerando con agua se consigue casi el doble de velocidad de aspiración y vacíos mas bajos. Para la mayor parte de los aficionados bastará con aire, pero por si acaso…

Antes de dar los planos con las cotas definitivas vamos a explicar el funcionamiento de la bomba y en especial de la caldera que es la parte más delicada del diseño.

La imagen anterior representa de manera aproximada la caldera de la bomba. El cuerpo es el cilindro de acero inoxidable de 51 mm de diámetro exterior. Ese cilindro en posición vertical está cerrado en la parte de abajo con una pieza que cumple varias funciones:

Cierra herméticamente la bomba por la parte de abajo.

Transfiere el calor producido por el calefactor a la parte central del aceite.

Soporta un gradiente de temperatura ya que mientras la parte central esta a unos 200 grados la parte del cuerpo de la bomba este a uno 70 ºC, es conveniente que la mayor parte del calor se transfiera al aceite y que se pierda la menor parte por transferencia a las pareces del cuerpo.

A esta pieza se atornilla con buen contacto térmico el calefactor eléctrico.

En esta pieza se atornilla además un eje central coaxial con el cuerpo de la bomba que servirá para fijar las cámaras de aceite y los difusores.

Como se puede ver en el dibujo, las gotas de aceite frío (amarillo), caen hacia abajo acumulándose en ese pequeño espacio hueco que hay entre las paredes de la bomba y la cámara interior. El aceite pasa al interior de la cámara mediante una serie de orificios que hay lateralmente en el fondo de la cámara. La columna de aceite del exterior configura un sifón que mantiene la adecuada diferencia de presiones entre el interior y el exterior de la cámara. El aceite del interior de la cámara se calienta y entra en ebullición saliendo el vapor a presión por los difusores situados en la parte superior de la bomba.

Mecanizado de las piezas.

Base de la caldera

El croquis anterior representa la base de la caldera. Considero que es la primera pieza que se debe hacer. El primer croquis corresponde a un corte por el diámetro.

Se parte de un cilindro de acero inoxidable de 50 mm de diámetro y de 13 mm de longitud. Primero se refrenta una superficie, se cilindran 8 mm a 35 de diámetro. Se suelta la pieza y se sujeta en el plato por la parte cilindrada a 35 se realiza un taladro a 3 mm ciego que al menos deje 2 mm sin perforar. Se cilindra de nuevo a 49 mm +- 0,1 y se rebaja el grueso de esta parte hasta que quede solo 0,7 mm. Se realizan dos perforaciones ciegas por la parte menos gruesa. Los dos orificios de la parte de abajo que servirán para fijar el calefactor se taladran a 3,5 y roscan a M4. El orificio superior que sirve para fijar los difusores se taladra con 2,5 y se rosca con M3

Partir de una rodaja de 13 mm, en caso contrario se perderá un tiempo excesivo hasta completar la pieza.

Soporte calefactor.

Se trata de una pieza de aluminio de forma cilíndrica que por una parte abraza el calefactor y por otra comunica su calor a la base de la caldera.

En el orificio de 9,5 mm, se inserta el calefactor. Este orificio debe ser hecho para que el cartucho calefactor entre de la manera mas ajustada posible para que trasmita eficientemente el calor.

Por otra parte esta pieza se atornilla a la base de la caldera, mediante dos tornillos de acero inoxidable M4x20 para a su vez trasmitir el calor a esta.

Para mejorar la conducción térmica puede emplearse pasta de silicona como la empleada para los transistores de potencia.

Construcción del Cuerpo.

El cuerpo de la bomba se realiza partiendo de 143 mm de tubo de inox de 51 mm de diámetro interior y 47,5 interior. Se han dado 3 mm de mas porque normalmente en los talleres no cortan las cosas con precisión. Este formato de tubo es estándar en el mercado. Ajustar los dos extremos del tubo para que este planos y bien cortados, y dejarlo en 140 mm mas menos 1 mm.

A continuación tienes el plano del tubo y justo encima la pieza de la toma de alto vacio.

Comenzaremos a a mecanizar el cuerpo.

En el tubo hay que hacer pocas mecanizaciones, por una parte un orificio de 14,5 mm de diámetro situado a 45 mm de la base y subir a 49 mm el diámetro interior en la base .

El orificio de 14,5 va a alojar la conexión al bajo vacío. El tubo que se va a insertar aquí tiene un diámetro de 15 mm, se hace inicialmente un poco menor para luego ajustar y que entre a presión.

La base la caldera, la pieza que se torneo en primer lugar se inserta en el inferior del tubo. Debe entrar unos tres mm para facilitar la soldadura.

Encima del dibujo del cuerpo esta representado el plano de la boca de la bomba de donde se tomara el alto vacío.

Para mecanizar esta pieza se parte de una rodaja de barra perforada de inox de 70 mm de diámetro exterior 50 mm de interior y 13 mm de longitud. Si no se tiene barra perforada se puede emplear cilindro. Evítese de cualquier manera que la longitud sea mucho mayor que 13 mm para evitar trabajos de desbaste innecesarios.

En esta arandela de cierre tiene que entrar a presión el cuerpo de la bomba. Además en ella se fijara el adaptador a la toma de alto vacío. Para ello se disponen de 6 orificios separados 60 grados roscados con M4. Los orificios deberán estar situados en la parte mas exterior en un circulo de 32 mm de radio, para dejar espacio al cierre con una junta tórica.

Mecanizar ambas piezas, pero no soldar la arandela de la boca hasta que se den instrucciones concretas que será después de haber colocado la refrigeración.

Toma de bajo vacío.

La conexión de la difusora a la bomba rotatoria se realiza mediante una toma QF16, por ello conviene para comprobar la construcción disponer de alguna terminación en este formato para asegurarse de que el dispositivo esta correcto. En caso de que no se disponga de estos componentes se recomienda posponer la soldadura de ese componente para el final.

Como se ve en el plano anterior, la toma de bajo vacío esta compuesta de un tubo vertical de INOX de 20 mm de diámetro exterior, 17 interior y 60 mm de longitud. Conviene cortarlo a 62 y ajustar y planificar los extremos a la longitud señalada ( +- 2 mm)

Este componente además de la conexión a la bomba de baja, tiene el objetivo de condensar las ultimas trazas de aceite, enfriando los gases.

El tubo tiene un orificio de 14,5 mm que se conecta al cuerpo de la bomba con un tramo de tubo horizontal. Este tubo tiene un diámetro de 15 mm y se ajustara con el torno o lima para que entre a una cierta presión que facilite su soldadura.

En la parte inferior del tubo con el torno se aumenta el diámetro unos cuatro milímetros para alojar una tapa que no tiene otro objeto que cerrar el tubo. En la parte superior se rebaja el diámetro por fuera y por dentro para encajar en la terminación QF y por el interior para que entre la arandela de centrado del formato QF.

Por ultimo el tramo horizontal que esta formado por un tubo de inox de 50 mm de longitud, 15 mm de diámetro externo y 13 de interno. Como se ha comentado, el orificio planteado es de 14,5 por lo que si el orificio sale bien, (en los tubos de paredes finas suele salir mal) el tubo no entrará. Ajustar con la lima el diámetro de orificio o con el torno unos 10 milímetros del tubo para que entre con una cierta presión y se pueda colocar de manera mas o menos fija para la soldadura.

En este momento ya se pueden soldar algunos componentes, El cuerpo de la bomba, el tubo horizontal y el tubo de baja.

Recomiendo que la soldadura se haga con las varillas Rhotman 609 con un 40 % de plata y recubiertas de fundente. Funden a 680 grados mas que suficientes para este aparato que como mucho se calentara a 250 y pocos como para deformar el inox. Esta soldadura tiene la ventaja de que si se mete en ácido nítrico se disuelve y quedan todas las piezas sueltas e impolutas. Cuando se hayan soldado estas tres piezas repasar el interior de los tubos con una lima para eliminar las partes del tubo horizontal que sobresalgan del perímetro del tubo, no dejar mas allá de 0,5 mm de exceso.

Construcción de los difusores.

Los difusores se tornean en aluminio. En total el conjunto esta formado por cuatro piezas que encajan una en la otra. Adicionalmente hay un espárrago de acero inoxidable roscado en ambos extremos y una tuerca ciega que mantiene el conjunto unido y fijado a la base de la caldera y una especia de tuerca que .

Debe empezarse a tornear la pieza mas grande y próxima a la base, partiendo de barra cilíndrica de 50 mm de diámetro. La segunda pieza también se hace con esta barra. Al tornear las sucesivas piezas procurar ajustar para que encajen con una cierta presión.

Para la salida de gases del primer difusor se harán 12 orificios de 3,5 mm y para el segundo 10 de de 2,5 mm. Marcar los centros de los orificios previamente para evitar que salgan descentrados.

Vista de los difusores desmontados.

El conjunto de difusores montados y atornillados a la base para comprobar su montaje. Aquí también se puede ver el cartucho calefactor y la pieza que lo fija a la base de la caldera.

Construcción de una bomba de alto vacío por difusión de aceite (3ª parte).

Refrigeración de la bomba.

El proceso que se lleva a cabo en el interior de una bomba es similar al de un alambique: el aceite se transforma en calor en la caldera y re convierte de nuevo en líquido en las paredes de la bomba. Para que este ciclo se repita continuamente es necesario evacuar todo el calor que genera el calefactor.

Aproximadamente el 30 % del calor se disipa a través de las paredes y del cuerpo de la bomba pero es necesario evacuar el 70% restante manteniendo la boca de la bomba la temperatura mas baja posible,

Sin ninguna duda el mejor sistema de refrigeración es hacer circular alrededor de la bomba agua del grifo, con un caudal de tan solo 3 litros /hora podremos conseguir que la boca de la bomba se mantenga a tan solo 10 grados mas alta que el agua. Como no es raro que el agua del grifo venga a 20 grados o menos la temperatura de la boca será de unos 30 grados. Si conseguimos mantener la temperatura a este valor el aceite de la bomba producirá poco reflujo y conseguiremos las mas bajas presiones posibles.

Sin embargo la refrigeración por agua es un incordio por ello se tiende a emplear refrigeración por aire forzado. En este caso por mucho que nos empeñemos no será fácil conseguir que la boca de la bomba este a menos de 40 o 50 grados, especialmente si la temperatura ambiente es de 30 ºC. Con esta temperatura casi el doble la presión mínima que alcanzara nuestra bomba será al menos tres o cuatro veces mayor que en el caso de la refrigeración por agua debido en buena parte a que la presión de vapor del aceite de difusión será mayor. De cualquier manera no asustarse con refrigeración por aire se pueden conseguir fácilmente presiones de 10 -6 milibares muy por debajo de las necesarias para la mayor parte de las aplicaciones que puede emprender un aficionado que se sitúan entre los 10-3 y los 10-1 milibares. Tres ordenes de magnitud mas baja.

Refrigeración por agua.

Si la refrigeración por agua es la mas eficaz también es la mas sencilla de construir. Solo se necesita 1 metro de tubo de cobre recocido de una luz interior de 5 o 6 mm. Mucho más, dará dificultades para doblarlo pero no afectara en absoluto al funcionamiento. Si no tenemos tubo recocido se puede partir de tubo de cobre normal y con un soplete darle un buen calentón.

Comenzar a doblar por la toma de baja presión, soldar cada tres centímetros aproximadamente haciendo presión para que el tubo este próximo a las paredes de INOX. Que a nadie se le ocurra soldar el principio y el final para dejar el tubo fijado con la esperanza de soldar los puntos intermedios después, ya que la dilatación de tubo al calentarlo lo separara de las paredes y será imposible hacerlo bien. No es imprescindible soldar todo el recorrido, con hacer una soldadura generosa de 1 cm de longitud cada 2 o 3 es suficiente.

Como se puede ver en el dibujo el agua fría entrara por el extremo de la boca de alto vacío y saldrá por el de bajo vacío.

Existen en el mercado refrigeradores de agua para las CPUs de ordenadores, posiblemente se puedan adaptar esto equipos y realizar un circuito de refrigeración por agua en ciclo cerrado. Posiblemente no se consigan obtener las temperaturas empleando agua del grifo pero serán suficientes. Asegurarse de que esos equipos son capaces de disipar al menos 100 W.

Refrigeración por aire.

Las soluciones para refrigerar por aire son varias, voy a proponer varias de ellas y al final por la que yo he optado. Seguro que hay muchas mas.

Radiadores de electrónica. Esta solución ya la emplee en la anterior bomba. Se toman dos radiadores de aproximadamente 70x70x140. En la mitad del radiador se fresan dos sectores de circulo de diámetro 50.8 mm y 20 mm de profundidad. Se asegura que abracen bien ajustados al cuerpo de la cámara. Se untan de aceite de silicona para transistores y se atornillan para que hagan buen contacto con el cuerpo de INOX. Se coloca un ventilador que fuerce la circulación de aire.

Si no se dispone de radiadores una solución parecida es tomar un cilindro de aluminio de 80 mm de diámetro y 70 de longitud.

Solución de chapas.

Se trata de conectar térmicamente siete u ocho chapas de aluminio de 100x100 mm y 1,2 mm al cuerpo de la cámara.

La imagen siguiente muestra la bomba después de haber montado las chapas durante pruebas de calefacción.

Preparación de las chapas.

Se necesitan ocho chapas de aluminio de las dimensiones que se especifican.

Para conseguir estas chapas se cortan cuadrados de aluminio de 100x100 mm de 1,2 o 1,5 de espesor. Pueden emplearse igualmente chapas de 90x90 mm. Se realiza un orificio en el centro de la chapa de 8 mm que sirve como guía y los cuatro orificios que van a servir para el paso de la varilla roscada. Se sujeta la chapa en el torno con un tornillo, tuerca y una arandela de respaldo. Se coloca una herramienta en punta aguda para perforar la chapa pero tratando de que por la parte posterior quede bastante rebaba, como se indica el dibujo.

La chapa deberá entrar en el cuerpo de la bomba bastante justa. Conviene tener un par de chapas de mas para hacer pruebas. Conviene cortar las esquinas de las chapas en forma de chaflán 4 o 5 mm.

La rebaba que queda al ser aprisionada entre las arandelas de separación mejoraran el contacto térmico con el cuerpo de INOX. Si se quiere mejorar aun mas el contacto puede aplicarse un poco de silicona de transistor o epoxi.

El conjunto esta formado por dos arandelas de fijación mas grandes, siete u ocho arandelas de separación y cuatro varillas roscadas a M4, yo las he puesto de inox pero pueden ponerse de acero galvanizado. Las chapas y las arandelas de separación son aprisionadas entre las arandelas de fijación por medio de las varillas roscadas y sus tuercas.

El dibujo a continuación representa las arandelas de fijación y de separación en corte. Para las arandelas de fijación se parte de barra de aluminio de 70 mm, se tornean a un diámetro interior de 50.8 mm cuidando de ajustarlas bien al cuerpo de la cámara. La arandela que se va a introducir primero deberá ir lo mas justa posible aunque sea con bastante esfuerzo. La arandela que va a ir cercana a la toma de alto vació deberá ir justa pero no excesivamente, se deberá poder introducir con la mano.

Para realizar las arandelas de separación lo mejor es partir de tubo de aluminio de 55 mm exterior y 50 mm interior. Tornearlo para un diámetro interior de 50,8 y cortarlo en rodajas de 7 mm. Estas arandelas deberan entras suavemente pero sin holguras. Si no se puede disponer de tubo de aluminio se pueden conseguir torneando cilindro de aluminio de 55 mm de diámetro.

Montaje del refrigerador.

Antes de montar el refrigerador deben estas soldados los tubos horizontal y vertical y la toma de bajo vacío. Asegurarse bien de que no hay fugas, para ello las soldaduras deben estar generosamente recubiertas especialmente en los ángulos, ya que los dos ángulos son los lugares mas probables para la existencia de poros. Solo cuando se este convencido de que no hay poros proceder al montaje de las aletas.

Con la lima o la piedra esmeril achaflanar el borde superior del cuerpo para que entren las arandelas y chapas. Introducir la primera arandela de fijación cuidando que los orificios para los espárragos de apriete quedan uniformemente situados a cada lado del tubo horizontal. Cuidar de que no se someten las soldaduras a presión que pueda abrir poros. A continuación introducir una aleta con la rebaba hacia arriba. Seguir con una arandela de separación y así sucesivamente hasta completar el conjunto.

Ir cuidando de situar todos los orificios alineados. Introducir los espárragos y por ultimo la segunda arandela de fijación. Colocar arandelas y tuercas y aprisionar el conjunto apretando las tuercas de los espárragos. Facilitar la compresión utilizando el tornillo de banco aprisionado ente las arandelas de fijación en diferentes posiciones. Deberá dejarse suficiente espacio en la boca del tubo para soldar el acoplamiento de alto vacío.

Vista del subconjunto con las arandelas colocadas.

Construcción de una bomba de alto vacío por difusión de aceite (1ª parte).

Ensamblado de la bomba.

Una vez hayamos colocado y atornillado perfectamente el conjunto refrigerado procederemos a completar el cuerpo de la cámara.

Insertar la arandela de alta, sin llegar a enrasarlos (dejando hasta 1 mm). Soldar con plata, primero dar una pasada de soldadura un poco escasa y calentar bien para que la soldadura entre por capilaridad en las grietas. Después aplicar una segunda capa mas generosa que se extienda uniformemente. No calentar excesivamente para evitar quemar la soldadura.

Cuando todavía este suficientemente caliente aplicar un paño humedecido a los lugares en que hay fundente para que se desprenda. No enfriar el resto solo lo imprescindible para eliminar el fundente. Comprobar que la soldadura ha quedado completa, limpia, uniforme y sin poros.

Soldar el resto de las piezas con el mismo criterio. El la base de de la cámara la soldadura debe aplicarse al punto de unión con las paredes del tubo.

Eliminar todo los restos de fundente, lijar o aplicar con el dremel un cepillo de alambre pala dejar todas las superficies limpias y brillantes. Prestar especial cuidado a que las superficies de cierre de las tomas de vacío estén planas, limpias y semipulidas, sin rayones aparentes.

Introducir el calefactor en su pieza adaptadora previamente untado en silicona termoconductora. Aplicar silicona también a la base calefactora colocar ambas piezas y fijar mediante tornillos INOX M4 y sus correspondientes arandelas.

Es importante que las piezas queden bien fijadas para una buena transferencia de calor, ya que en caso contrario la vida del calefactor se vera afectada.

Desengrasar bien el interior de la cámara. Para ello colocar provisionalmente el cuerpo de la cámara boca arriba, llenarlo con agua y un poco de un detergente agresivo como el empleado en los fregaplatos. Conectarlo a la red y esperar hasta que hierva unos minutos. Repetir la operación con agua del grifo y luego enjuagar con agua fria.

Nota: La resistencia calefactora es de 150 w. El modelo usado es la referencia 837-587, con unas dimensiones de 9,53 x 50,8 mm. Puede adaptarse cualquier otro calefactor de 150 w de potencia.

Conexión a alto vacío. Como se ha comentado, bomba termina e la boca de alto vacío en una boca plana que se atornilla a un adaptador a un formato estándar para conexiones de alto vacío. En mi caso lo he adaptado al formato QF40,. También se da un dibujo para adaptarlo al formato QF25, pero con ligeras modificaciones puede adaptarse a cualquier otro formato, aunque se recomienda que sea de la mayor luz posible para no limitar la capacidad de aspiración de la bomba.

Esta pieza tiene también el objetivo de obstaculizar que los vapores del aceite de la difusora salgan hacia fuera (backstreaming).

Comprobar que la bomba no tiene fugas.

Antes de seguir conviene comprobar concienzudamente que la bomba no tiene fugas, para ello colocar una junta tórica de 45 mm x 3,2 ligeramente aceitada en el cierre de la cámara y adaptador de la toma de alto vacío, introducirlo en la boca y colocar seis tornillos inox M4 y sus correspondientes arandelas. Apretar hasta que se vea que el cierre es firme sin llegar a aplastar completamente la junta tórica.

Colocar en la salida el anillo de centrado, cierre y collarín que se haya elegido y fijarlo. Conectar la bomba de vacío a la toma de baja. En una parte del circuito deberá haber un medidor de vacío.

Poner la bomba rotatoria en marcha, al principio subirá el vacío rápidamente, después ira mas lentamente mientras se desprenden gases y otros restos que pueden quedar adheridos a las paredes de la bomba.

Pasados unos 20 minutos el vacío deberá aproximarse al máximo de la bomba. Si no se consigue esto se debe a la existencia de fugas. Buscar las fugas y resolverlas. Las zonas mas propensas a las fugas están en las tomas de vacío y en las soldaduras en ángulo.

Si estimamos que no tiene fugas conectar la resistencia calefactora durante 3 minutos, no mas, ya que al no tener aceite pude quemarse la resistencia o sobrecalentarse las soldaduras. Al principio caerá el vacío por el desprendimiento de gases pero después de un tiempo volverá a la situación normal. Con esto comprobamos que no existen poros que se abre al calentarse la base.

Una vez hecha esta comprobación damos la construcción del cuerpo como finalizada.

Montaje de la caldera y los difusores.

Aparte de los difusores anteriormente torneados necesitamos 110 mm de varilla de acero roscada a M3. Se debe haber comprobado con anterioridad que el conjunto se monta bien y que queda firmemente sujeto. Soltar el cierre de la cámara y montarlo, resulta un poco incomodo pero no se tarda mas de unos minutos. Volver a colocar después el cierre de la cámara y apretar los tornillos.

Base soporte.

Esta y otras operaciones no son críticas y no afectan al funcionamiento de la bomba así que no me extenderé en muchos detalles.

Yo he empleado un cuenco de acero inoxidable comercial de 120 mm de diámetro. He realizado un orificio de 50.8 mm y he colocado una arandela de aluminio que se atornilla al cuenco y por otra parte abraza a la cámara. Otra opción mas sencilla es hacer un orificio mas pequeño cortar la chapa del cuenco y luego con una abrazadera sujetar el conjunto.

Va a ser necesario mas adelante realizar un orificio en el cuenco para sacar los cables del calefactor. El cuenco se puede comprar en Macro por 3 euros.

El cuenco de la bomba debe estar sujeto en el cuenco aproximadamente a la mitad del espacio que queda. Durante el funcionamiento de la bomba el cuenco se calienta bastante ya que actúa como radiador.

A continuación se rellena el interior del cuenco con lana de vidrio o cualquier otro material aislante que soporte al menos 400 grados de temperatura. Posteriormente se cierra en cuenco con un circulo de aluminio que se atornilla mediante tres o mas tornillos rosca chapas.

Ventilación.

La ventilación se fuerza sobre las aletas mediante un pequeño ventilador. El aire se confina para que atraviese las aletas mediante un recubrimiento de chapa de aluminio. Como se puede ver el la fotografía se realiza fácilmente plegando una chapa de aluminio de 0,8 mm y atornillándolo con rosca chapas.. El ventilador se fija a la chapa con cuatro tornillos M3 sobre un orificio del diámetro adecuado.

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En la fotografía anterior la bomba lleva acoplada un adaptador de QF40 a QF 25. La chapa deja una parte descubierta para que por ella salga el aire, que de paso refrigera la toma de bajo vacío. La conexión a la bomba rotatoria se ha hecho mediante tubo flexible de inox.

Lo mas cómodo es emplear un ventilador de 220 voltios, si no se dispone de este, puede emplearse uno lo mas grande posible de 12v, pero habrá que prever para alimentarlo a 220 v.

Como opción puede colocarse un interruptor térmico fijado mediante una brida al cuerpo de la cámara inmediatamente debajo del conducto de bajo vacío. De manera que el ventilador se conecte cuando este interruptor alcance los 70 ºC de temperatura y permanezca encendido depuse de haber apagado el calefactor durante el tiempo necesario. Puede colocarse igualmente de una toma de corriente y de un interruptor de encendido /apagado.

Atención, La resistencia calefactora es de 150 w. El modelo usado es la referencia 837-587, con unas dimensiones de 9,53 x 50,8 mm. Puede adaptarse cualquier otro calefactor de 150 w de potencia.

Parte sexta: pruebas de funcionamiento.

Si se han seguido los pasos anteriores la bomba esta lista para funcionar. Solo falta cargarla de aceite.

Aquí puedes ver la bomba funcionando, tan solo faltan algunos detalles, como poner bien las tomas de corriente y un interruptor.

Durante las pruebas, conecte el calefactor de la bomba a través de un variac y dispuse de orificios en la base de la caldera y a lo largo del tubo para medir las temperaturas introduciendo en ellos sondas de termopar.

Conecte la bomba a la rotatoria y un medidor de vacío medio y a la salida un tubo de aproximadamente un litro de volumen y una sonda de alto vació de tipo magnetrón.

Durante unos días estuve jugando con la bomba para encontrar el punto óptimo de funcionamiento.

De aquí ha resultado que la potencia de calefacción optima es de 150 W y el volumen de aceite se sitúa en un mínimo de 15 cc y un máximo de 25 cc. El aceite seleccionado fue silicona Dow Corning 704 con una temperatura de ebullición de 215 ºC. y una presión de vapor de 10-10.

Conecte la calefacción y la bomba rotatoria aproximadamente al mismo tiempo, en unos segundos el vacío se aproximo a las 200 militorr. Luego bajo mas lentamente hasta alcanzar los 50 militorr. De vez en cuando se observaba una bajada en el vacío, esto de debe a que al calentarse el aceite expulsaba algún liquido o gas volátil. A los cuatro minutos y al aproximarse la temperatura de la base a la de ebullición del aceite de nuevo se observo una bajada de vacío. Esto se debe a que el aceite empezó a soltar vapores pero no en cantidad suficiente como para hacer el vacío. De repente se observo una caída de la presión y la bomba comenzó a funcionar. Desde que se conecto la bomba hasta que comenzó la aspiración pasaron aproximadamente 5 minutos.

El comportamiento descrito anteriormente en típico de todas las bombas de difusión. La primera vez lo hace muy notablemente después es mas suave, salvo que pase mucho tiempo entre uso y uso.

Un minuto aproximadamente después la presión estaba en 10 e -4 torr, dos minutos mas tarde en 5 x 10 e -5, cinco minutos después en 10 e -5, 15 minutos después en 5 x 10 -6, cuarenta minutos después en 3 x 10 e -6, cuatro horas después en 10 -6.

Seguramente habrá alguien que se escandalice de pensar que se necesitan 4 horas para conseguir 10 -6, el que se sorprenda lo hará porque nunca ha llegado tan lejos. Quiero decir que estos resultados para quien tenga experiencia en vacío serán excelentes.

De hecho posteriormente realice el mismo proceso en la misma cámara con una bomba turbo molecular Varian V60 y los resultados fueron ligeramente favorables a la difusora.

Apagado de la bomba.

Para que la bomba se enfríe antes conviene cortar la alimentación del calefactor sin cortar la ventilación. Por eso yo controlo el ventilador con un interruptor térmico y solo abro o cierro el circuito de calefacción.

Al cortar la calefacción en poco menos de un minuto la bomba deja de aspirar. Enseguida baja la temperatura del aceite y cesa la aspiración. Sin embargo a partir de ahí la temperatura baja mucho mas lentamente. Esto se debe a que mientras el aceite esta hirviendo absorbe mucha energía del calefactor, esta energía deja de absorberse y la bomba solo pierde calor por conducción. Este comportamiento demuestra el buen diseño de la bomba y un eficaz aprovechamiento del calefactor.

Apertura y cierre de la bomba.

Bajo ningún aspecto debe permitirse la entrada del aire a la bomba cuando este funcionando.

Si en condiciones de funcionamiento se soltase la toma de la bomba rotatoria la cámara de vacío absorbería el aire atmosférico a través de la bomba difusora arrastrando gran cantidad de vapores de aceite con lo cual la cámara y todo su contenido se pringaría de aceite. Total un desastre.

Si se parase la rotatoria mientras la difusora estuviese caliente el problema seria un poco mas suave pero no menos imprudente.

Si se abriese la toma de alto vacío en funcionamiento la bomba rotatoria podría absorber los vapores de aceite de la difusora, algo tampoco conveniente. Tampoco debe permitirse que la cámara se avente a través de las bombas aunque estas estén frías y apagadas.

Si se quiere hacer una instalación versátil, la bomba rotatoria debería conectarse por un lado a la cámara de vacío y por otro a la difusora, además se dispondría de una llave que cerrase el paso de la difusora a la cámara.

Al poner en marcha el sistema se abrirían las tres llaves de manera que se hiciesen los vacíos en todo el recinto. Y se conectaría la calefacción de la difusora. Mas o menos cuando el vacío se aproxima a 1 torr, se cierra el paso de la cámara a la rotatoria. Y se deja que ambas hagan el vacío en la cámara. Debe disponerse igualmente una llave para aventar la cámara.

Si se quiere cambia el interior de la cámara, se cierran las dos llaves de la campana (difusora y rotatoria) se abre el aventador, se manipula en la cámara y luego se cierra. Ahora se cierra durante un instante el paso de la difusora a la rotatoria y se abre el paso de la rotatoria a la cámara. Cuando la presión de la cámara es próxima a 1 torr se abren todas las llaves menos el aventador y un poco después se cierra la llave de la rotatoria a la cámara.

Si se opta por no poner el conjunto de llaves mencionados habrá que se precavido y dejar que la bomba se enfríe suficientemente antes de permitir que entre el aire en su interior. Como ya se ha comentado en aproximadamente un minuto la bomba deja de aspirar y en cuatro minutos mas la temperatura ha descendido lo suficiente para no esperar resultados adversos.

Esto es solo en el caso de que se emplee silicona ya que si empleamos otros aceites corremos el riesgo de que al someter el aceite a temperaturas elevadas en presencia de aire se oxide y se formen compuestos volátiles que perjudiquen su funcionamiento. En algunos casos la oxidación de los aceites provoca que se transformen el líquidos pastosos o grasa y sea necesario tirarlos y poner nuevo liquido.

La silicona por el contrario soporta mucho mejor el ataque del oxigeno en caliente y no sufre modificaciones. Por el contrario es mas cara aunque el consumo evidentemente es mínimo ya que solo son necesarios 25 cc para funcionar al menos un año. En mi caso he cambiado una vez al año la silicona pero por motivos diversos como una que vez me implotó una campana de pirex y se lleno la difusora de cristales.