Primer prototipo de trampa fría con pasante eléctrico para vacío de bajo costo

Abstract

En un trabajo previo, Conde Garrido y Silveyra propusieron una novedosa tecnología de trampa fría capaz de atrapar contaminantes en sistemas de vacío. La misma fue diseñada para ser aplicada en sistemas de deposición de películas delgadas de vidrios calcogenuros por ablación láser pulsada. Mientras que los sistemas tradicionales se enfrían por compresión de gases o baños fríos como nitrógeno líquido, la trampa reportada se enfría por efecto termoeléctrico. Esto permite reducir la inversión de capital, los costos operativos y los tiempos de puesta en marcha y mantenimiento. En el presente trabajo se presenta la construcción, puesta a punto y caracterización del primer prototipo físico de la trampa fría. La caracterización incluyó, en primer lugar, el control de la presión final alcanzada por el dispositivo. Para caracterizar el desempeño térmico del dispositivo, se diseñó y fabricó un sistema de medición temperaturas. Como parte de este sistema de medición, se destaca un pasante eléctrico para vacío de bajo costo. Los resultados indican que, con la trampa fabricada, se pueden alcanzar presiones menores a 2 × 10−5 mbar, mientras que las superficies frías alcanzan temperaturas de aproximadamente −12 ◦C. Los niveles de vacío y de temperatura cumplen las condiciones requeridas para el sistema de deposición de películas delgadas de vidrios calcogenuros por ablación láser pulsada. Sin embargo, no se logran temperaturas tan bajas como las estimadas para el prototipo virtual (de hasta −50◦C). Se identificaron entonces los puentes y resistencias térmicas presentes en el dispositivo fabricado, despreciados en el modelo, señalando oportunidades de mejora. Finalmente, se proponen revisiones al diseño actual que simplifican su proceso de manufactura, mejoran su robustez y eficacia, y facilitan su operación y mantenimiento.

In a previous work, Conde Garrido and Silveyra proposed a novel cold trap (baffle) technology capable of trapping contaminants in vacuum systems. The baffle was designed to be applied in systems to synthesize chalcogenide glass thin films by pulsed laser deposition. While traditional baffles are cooled down with compression cooling systems or cooling solutions such as liquid nitrogen, the reported baffle is cooled down by the thermoelectric effect, which allows for reducing the capital investment, operating costs, as well as start-up and maintenance times. This paper presents the construction, tuning, and characterization of the first physical prototype of the baffle. The characterization included, first, the control of the final pressure reached by the device. To characterize the thermal performance of the baffle, a temperature measurement system was designed and manufactured. Within this measurement system, we highlight a low-cost electric vacuum feedthrough. The results indicate that the constructed baffle can reach pressures lower than 2 × 10−5 mbar, while the cold surfaces reach temperatures of approximately −12◦ C. The vacuum and cold temperature levels meet the required conditions for the pulsed laser deposition of chalcogenide glass thin films. However, temperatures are not as low as those estimated for the virtual prototype (down to −50◦ C). Thermal bridges and resistances present in the fabricated device, neglected in the model, were then identified, pointing out opportunities for improvement. Finally, revisions to the current design are proposed that simplify its manufacturing process, improve its robustness and efficiency, and facilitate its operation and maintenance.