Técnicas del vacío y Metalización de los espejos

¿ Que es el vacío?

Figura 1: Distintas maneras de considerar el vacío.

Según el diccionario el vacío es un espacio que no contiene nada, ni objeto, ni materia. Para el físico, es un espacio donde las partículas materiales se enrarecen (presión inferior a la de la atmósfera). En realidad, el vacío tiene una diferente definición en cada ámbito de utilización.

Observemos la figura 1. Muestra las escalas de distintos tamaños físicos que representan la presión de un gas o está directamente vinculado.

Por convenio, la unidad utilizada para medir una presión es el Pascal (1 Pascal = 1 Newton/Metro-Cuadrado). No obstante, la unidad más empleada es aún el Torr. Una presión de 1 Torr causa una subida de 1mm del mercurio en un barómetro de Torricelli (1 Torr = 133 Pascal, 1 Pascal = 7,5 10^-3 Torr).

Para hacer un vacío avanzado, es necesario disponer de las bombas una detrás del otro. El vacío primario lleva este nombre, ya que se obtiene con la primera bomba.

El mejor vacío que se sepa realizar en laboratorio vale 10^-12 Torr. En el espacio situado entre la Tierra y la Luna la presión gaseosa desciende hasta 10^-13 Torr aproximadamente y el vacío interestelar se extiende debajo de este valor.

Un gas está formado por moléculas que se desplazan, se percuten y rebotan. Cuanto más la presión es baja y más el trayecto recorrido por estas partículas entre dos choques sucesivos será grande. El valor medio de esta distancia es el libre curso medio. La figura 1 indica, con la letra griega λ (lambda), el libre curso medio de una molécula del aire en función de la presión.

La fórmula siguiente indica el libre curso medio (en metros) de las moléculas en el aire a 20°C :

Las bombas de vacío

Examinaremos aquí los tipos de bombas más corrientes. Corresponden también a las técnicas utilizadas en el sistema de metalización al vacío de la Asociación Marsellesa de Astronomía.

Figura 2 : La bomba con paletas

Una bomba primaria : La bomba con paletas
La bomba con paletas se emplea generalmente para realizar un vacío primario. La figura 2 nos ayuda a entender su funcionamiento. La rotación del sistema a paletas en un recinto cilíndrico desplaza el gas. Este último penetra en primer lugar en una habitación que se dilata. La rotación implica sucesivamente el aislamiento de este volumen y a continuación su compresión hacia la salida. Los gases se escapan por una válvula ahogada en el aceite.

Este tipo de bomba permite alcanzar una presión de 10^-1 a 10^-2 Torr. Se podría imaginar que es posible rechazar este valor límite disponiendo varias bombas a paletas en cascada sucesivamente. En realidad, no se mejora mucho procediendo así, ya que el aceite necesario para el funcionamiento se evapora y limita el vacío en aproximadamente 10^-3 Torr. Se dice que la tensión de vapor de este aceite vale 10^-3 Torr.

Una bomba secundaria : la bomba a difusión de aceite
Para mejorar el vacío así obtenido es necesario recurrir a otro principio. La bomba a difusión de aceite se emplea mucho como bomba secundaria. Así como pueden examinarlo sobre la figura 3, esta bomba se interpone entre el recinto que debe vaciarse y la bomba primaria. Este último es indispensable, ya que la bomba a difusión de aceite no puede funcionar a una presión superior a algún Torrs.

Figura 3 : Bomba de difusión de aceite.

El aceite es elevado a ebullición por el sistema de calefacción. Los vapores emitidos se canalizan hacia el eyector superior. Éste reexpide el chorro hacia abajo con alta velocidad formando una capa cónica que implica las moléculas encontradas sobre su paso. A continuación, alcanza la pared enfriada por un conducto de agua donde se condensa nuevamente para darse la vuelta hacia la calefacción. Los gases llevados por este fenómeno son recuperados por la bomba primaria así como los vapores más volátiles del aceite que son enviados por el eyector inferior.

Entre la bomba y el recinto que debe vaciarse está dispuesta una trampa a nitrógeno líquida. Se trata de una pantalla en el cual se enfría con nitrógeno líquido cuya temperatura de ebullición es igual a -196°C. Los vapores de aceite vienen a condensarse sobre las paredes enfriadas. Así no van a contaminar el recinto que debe vaciarse.

A la otra extremidad de esta bomba secundaria se encuentra una pantalla que es enfriado por el circuito de agua y que recupera por condensación los vapores de aceite para evitar que estén evacuadas por la bomba primaria.

El aceite utilizado circula pues en circuito cerrado. Es necesario procurar que no esté en contacto con la presión atmosférica cuando es caliente. Esto lo deterioraría.

Se trata de un aceite a baja presión de vapor (10^-7 a 10^-10 Torr a 25°). Se elige en función de las dificultades químicas y dificultades de presión (presión límite, presión de cebadura, producción...) entre hidrocarburos, aceites siliconas o aceites de síntesis especialmente concebidos.

El flujo de la bomba primaria debe adaptarse a la producción de la bomba secundaria. Es necesario que la bomba primaria absorba el flujo gaseoso máximo cargado en cuenta por la bomba secundaria a una presión de trabajo que debe incluirse entre su presión límite y la presión de cebadura de la bomba secundaria.

En casos extremos, una bomba a difusión de aceite permite obtener un vacío del orden de 10^-9 Torr. Tenga en cuenta que es necesario tomar muchos cuidados para acercar este valor.

El valor límite del vacío alcanzado depende por supuesto del tipo de bomba y características del aceite. Depende también de las fugas residuales que son difíciles a encontrar. Además, des-gasificaciones pueden ser causadas por la naturaleza de los materiales empleados (fenómenos de deserción).

Tiempo de bombeo

La fórmula siguiente permite calcular el tiempo "T" necesario para hacer disminuir la presión desde el valor inicial "Po" hasta el valor final "Pf" en una unidad de vacío de volumen "V" considerando el flujo efectivo de la bomba "S" :

La medición del vacío

Las presiones superiores a una decena de Torrs (o mil de Pascal) pueden medirse con un manómetro de tipo Abejorro. En este aparato, una aguja indica la deformación de un elemento sujeto a la presión estudiada. Es el manómetro utilizado por los empleados de gasolinera para controlar la presión de los neumáticos. Otro instrumento muy extendido, el barómetro de Torricelli utiliza una columna de mercurio y puede servir para medir presiones superiores a algún Torrs.

Para medir presiones inferiores, existe una gran variedad de aparatos que utilizan distintos fenómenos físicos. Consideraremos, el medidor a ionización.

El Barómetro de Torricelli :
En 1643, el físico italiano Evangelista Torricelli (1608-1647) realizó una experiencia mientras que buscaba una explicación a un problema de bombeo. En efecto, algunos años antes, un fabricante de bombas había consultado a Galilea (1564-1642) preguntándole porque la altura hasta la cual se puede aspirar agua no puede superar 10 metros. Galilea había bien constatado este problema pero no pudo encontrar explicación. Es su discípulo Torricelli que solucionó este problema. Para eso, concibió una experiencia que se volvió muy famosa.

Figura 4 : La experiencia de Torricelli

Para realizar esta experiencia, Torricelli empleó el mercurio. Se trata de un metal que es líquido a la temperatura ambiente y cuya densidad es 13,6 veces superior a la del agua. Torricelli llena con mercurio un largo tubo de vidrio que devolvió a continuación en un recipiente que contiene también mercurio.

Constatara mientras que el mercurio desciende hasta una altura de 76 de cm aproximadamente que no depende del diámetro del tubo. Esta altura de la columna de mercurio es siempre constante a algunas pequeñas variaciones cerca de un día al otro.

Torricelli interpretó este resultado afirmando que es la presión ejercida por el peso de la atmósfera que "empuje" el mercurio en el tubo.

Se puede comprender esta idea recordándose una comprobación que había hecho Arquímedes (287-212 antes del J.-C). Este sabio ingeniero había comprendido que, en un líquido al descanso, se presentan dos puntos situados a una misma altura a presiones idénticas.

Se puede pues afirmar que la presión aplicaba en el mercurio a la base de la columna es la misma que la que se aplica sobre la superficie libre del líquido. Esta presión es la presión atmosférica, compensa habitualmente una altura de 76 cm de mercurio. El peso de una columna de mercurio de 76 cm de altura es equivalente al peso de una columna de agua así mismo diámetro y de 10m de altura. Con esta experiencia, Torricelli pudo explicar que es imposible bombear agua por aspiración a más de 10 metros.

Más tarde, después de haber tenido conocimiento de esta hipótesis, Blaise Pascal (1623-1662) comprendió que la altura de la columna de mercurio debe ser más escasa en altitud ya que el espesor de la atmósfera es menor. Su cuñado comprobó esta idea el 19 de septiembre de 1648, entre Clermont-Ferrand y la cumbre del Puy de Dôme en Francia.

Volvamos de nuevo a nuestro objetivo, queremos medir un "vacío", es decir, la presión que existe en una atmósfera enrarecida. Para eso, podemos conectar por una tubería adaptada la extremidad superior del tubo de Torricelli a nuestro estanque que debe vaciarse. Así la altura de la columna de mercurio nos informará sobre la presión que reside en el recinto. Antes del bombeo el mercurio no se eleva en el tubo. Luego, según la progresión del bombeo, la columna va a elevarse para alcanzar su altura máxima. Es la técnica del manómetro hidrostático.

Ejemplo: si la columna alcanza una altura de 660mm, se puede decir que la presión del recinto vale 100mm de mercurio (o 100 Torrs) ya que es necesario añadir 100mm para obtener la altura máxima de 760mm (en el mar).

Si m es la masa volumétrica del líquido, para una columna de altura h, considerando la aceleración de la gravedad g, la presión reinando a su base será :
     p = h.m.g              con g = 9,81m/s^-2(en Francia en el mar)

El manómetro de Bourdon :
Es un manómetro con deformación elástica.

Figura 5 : El manómetro de Bourdon

El manómetro de Bourdon posee un tubo de sección elíptica que se envuelve siguiendo un arco de circunferencia y se fija en una extremidad. Parece en rojo y rosado sobre la figura 5. A través de su extremidad fija, este tubo está en comunicación con el recinto en el cual se quiere medir la presión. La otra extremidad es cerrada y es conectada por una palanca grisa (balancín) en un sector dentado (azul). Bajo el efecto de la presión la sección del tubo tiende a convertirse en circular, lo que implica su rectificación. Esta deformación es ampliada por el mecanismo que lleva la aguja indicadora. Por supuesto, una depresión (un vacío) implica un movimiento opuesto.

El manómetro de Bourdon ilustrado en la figura 5 se gradúa en Bar. Es una unidad que estaba muy empleaba, es recomendado ya no utilizarlo ahora.

1 Bar = 1 Kgf / cm² = 1 Kilogramo fuerza por centímetro cuadrado ≈ 10⁵ Pa

Está en posición "0" al descanso. Su aguja se dirige hacia la parte negativa de su escala (-1) cuando mide una atmósfera enrarecida.

Este tipo de manómetro permite medir presiones hasta alrededor 100 mega pascal, es decir, mil de vez el valor de la presión atmosférica.

Puede también medir el vacío pero en ese caso, la precisión de la medida es perturbada por las variaciones de la presión atmosférica. Las medidas de escasos valores de presión deben interpretarse con prudencia. No deberían utilizarle por debajo de 10⁴ Pascal (alrededor de 80 Torrs).

El medidor a ionización :
Se trata de una bombilla de vidrio conectada al recinto en el cual se quiere medir la presión. Se equipa de dos electrodos metálicos entre los cuales se genera una alta tensión eléctrica.

Figura 6 : El medidor a ionización

Cuando dentro de la bombilla esta a la presión atmosférica, ninguna corriente eléctrica circula en el montaje. Pero, hay siempre en el gas algunos iones que son formados por choques o por distintas radiaciones ionizantes. Son atraídos por un electrodo y sido rechazados por otro debido a su carga eléctrica pero se recombinan rápidamente porque su libre curso medio es muy escaso (inferior al micrómetro).

Cuando la presión alcanza solamente a algún Torr, el libre curso medio es mayor, los iones del gas son acelerados mucho más tiempo por el campo eléctrico y alcanzan una velocidad suficiente para ionizar las moléculas que terminan por percutir. Se produce entonces una reacción en cadena y una corriente eléctrica se establece. La recombinación de los iones produce una emisión luminosa visible con no obstante una zona oscura a proximidad inmediata de cada electrodo (Zona oscura de Hittorf). A medida que la presión disminuye las zonas de Hittorf se amplían y terminan por juntarse. En ese momento la luz desaparece, la presión vale 10^-1 a 10^-2 Torr aproximadamente (~10 a 1 Pa).

Debajo de una presión de cerca de 1 Torr (= 133 Pa), la corriente eléctrica que circula entre los electrodos sigue la ley :

log( p ) = K.log( i )

Es decir, el logaritmo de la corriente es proporcional al logaritmo de la presión.

K es un parámetro que depende de las características del montaje, el gas analizado y la tensión empleada...

Este dispositivo permite así determinar una presión superior a 10^-4 Torr aproximadamente (~10^-2 Pa).

Metalización al vacío

Esta técnica consiste a producir la evaporación de un metal en el vacío calentándolo hasta su temperatura de ebullición. Los átomos metálicos se propagan entonces hasta la superficie fría del objeto que debe tratarse. El vacío debe ser suficientemente bueno para que los átomos metálicos no encuentren partículas durante su trayecto hasta el espejo. Para eso, es necesario que el libre curso medio sea bien superior a la distancia que reside entre la fuente de aluminio y el espejo.

Los átomos así proyectados en el vacío siguen trayectorias "balísticas". Obedecen naturalmente a las leyes de la gravedad.

Nuestra asociación ( AMAS ) posee un sistema de metalización al vacío con el cual depositamos una capa de aluminio de 50 manómetros (50nm) de espesor sobre los espejos de nuestros telescopios. Colocamos habitualmente la óptica que debe metalizarse a alrededor de 25cm de los filamentos o de la barquilla utilizados. La figura 1 nos muestra que es necesario realizar un mejor vacío que 10^-4 Torr para que el libre curso medio sea superior a 1m. Con esta presión residual, la casi totalidad de los átomos de aluminio pueden alcanzar el espejo. Para metalizar un espejo a una mayor distancia, sería necesario realizar un mejor vacío ya que sería necesario obtener un mayor libre curso medio.

Varios métodos permiten la calefacción del metal que se debe evaporarse :

- El filamento de tungsteno: Se colocan sobre robustos filamentos de tungsteno, algunos pedazos de alambre constituidos con el metal que debe evaporarse. Estos filamentos son calentados por una corriente eléctrica que los cruzan. Cuando la temperatura de fusión de los alambras se alcanza su metal "moja" el filamento y se extiende sobre la superficie de éste antes de evaporarse. Se elige el tungsteno para constituir estos filamentos, ya que este cuerpo tiene una alta temperatura de fusión. La óptica que debe tratarse se coloca abajo (o arriba o al frente) del filamento o de los filamentos.

- La barquilla (o crisol): Se coloca el metal en un crisol. Es un pequeño recipiente calentado por una resistencia eléctrica. La óptica que debe tratarse se coloca arriba.

- El cañón a electrones: Una muestra del metal que debe evaporarse es sometido a un intenso haz de electrones que lo caliente hasta la evaporación. La óptica que debe tratarse se coloca arriba. Con este método, no hay contaminación del metal que debe evaporarse con las paredes del crisol.

Desde 2004, preferimos disponer el aluminio en una barquilla en tungsteno colocada bajo el espejo.

La corriente necesaria (hasta 150 Amperios) es proporcionada por un puesto de soldadura al arco.

Limpieza de las ópticas que deben metalizarse

Para limpiar los espejos antes de aluminizarlos utilizamos un método muy banal. Retiramos en primer lugar la antigua capa de aluminio con una solución de soda cáustica (NaOH) luego, después de enjuague, nosotros limpiamos esta superficia óptica con ácido nítrico concentrado. Aclaramos al agua y a continuación limpiamos la cara óptica frotándola con un algodón empapado de alcohol a 90° (practicamos incluso una mezcla Alcohol-Éter). Esta última limpieza puede prolongarse. Lo efectuamos cambiando varias veces el tampón de algodón. Se puede apreciar la calidad de la limpieza examinando un reflejo sobre la cara óptica después de haber depositado una capa de vaho expirando con la boca sobre el espejo. El vaho muestra bien las zonas mal limpiadas.

A veces, el vaho nos revela rastros que resisten a nuestro tampón de alcohol. Es necesario entonces reanudar la limpieza al ácido.

Es necesario cuidarse de no traer sobre la superficie óptica impurezas que podrían encontrarse sobre el chaflán. Entonces, es necesario limpiar cuidadosamente este último.

Los distintos enjuagues se efectúan con agua desmineralizada comprada en una ferretería o un supermercado. Es también en este lugar que obtenemos la colada de soda que constituye nuestra solución de soda cáustica.

Por supuesto, practicamos esta limpieza con guantes de plástico. Es el caso, en particular, para la limpieza con alcohol ya que si no el alcohol disolvería las grasas de la piel de la mano y las depositaría sobre el espejo...

Se recomiendo también usar lentes de seguridad en la utilización del ácido y la soda y protección de sus prendas y su cuerpo.

Como pueden constatarlo, nuestro método tiene más del ingreso de cocina que de la química moderna. Nos da satisfacción.

Limpieza de los espejos protegidos :
La aluminización de los espejos del comercio es a menudo protegida por una fina capa de Sílice (SiO₂) que resiste a la acción de la soda cáustica. Para remover la metalización protegida de estos espejos, es necesario emplear el ácido clorhídrico (disponible en el sección de la ferretería o de su supermercado preferido).

El resultado no aparece inmediatamente, es necesario mantener el espejo en el ácido durante algunas horas o algunos días.

Este método es eficaz sobre las protecciones ordinarias. Sin embargo, algunas aluminizaciones disponen de una protección "mejorada" que es más difícil de retirar o aun imposible... Deseo precisar que no tengo la experiencia.

¡Cuidado este ácido es peligroso! Deberán emplear todas las precauciones necesarias para evitar proyecciones de este producto. No olvidan poner lentes de seguridad, guantes de protección del tipo "anti-acido" y llevar un delantal para proteger sus prendas de vestir. Disponga el ácido en un lugar inaccesible a los niños.

La unidad de metalización bajo vacío del AMAS

Figura 7: La unidad de metalización bajo vacío del AMAS.

La figura 7 representa un esquema de este sistema. El recinto que debe vaciarse está constituido por un cilindro en vidrio de 28cm de diámetro interior. Una placa circular sella su extremidad superior y soporta los filamentos de tungsteno o la óptica que debe metalizarse según el método elegido.

Una llave de paso situado a la base del recinto que debe vaciarse permite reintroducir el aire en final de la operación.

Tres válvulas permiten controlar el trayecto de los flujos de gases.

La calidad del vacío es apreciada por el fenómeno luminoso causado por una Gage a ionización (sin amperímetro). Ésta es realizada por dos electrodos situados a la base de la campana de vidrio y conectados a un transformador de 1500V. Este atisbo nos indica que alcanzamos un vacío primario suficiente para poder conectar la bomba secundaria. Este última se mantiene al vacío fuera de los períodos de utilización por el cierre de las válvulas 1 y 3.

Calefacción del aluminio con filamentos en tungsteno :
Antes, el espejo que se debe aluminar se colocaba a la parte baja de esta "campana", la superficie óptica hacia arriba. Con esta configuración, utilizábamos filamentos de tungsteno para evaporar el aluminio.

Compramos nuestros filamentos de tungsteno en LEYBOLD OPTICS Francia. Está compuesto por 3 hilos de tungsteno torcidos de 0,5 mm de diámetro cada uno (Figura 8). Una corriente de 35A debe cruzarlos para que su temperatura suba a 1400°C. Se conectan "en paralelo" en la fuente de corriente (Unidad de soldadura autógena eléctrico).

Figura 8 : Filamento de tungsteno con tres pedazos de aluminio

Es necesario colgar pequeños pedazos de aluminio muy puro sobre el filamento. Están constituidos por trozos de hilo de aluminio (puro al 99.98%, 1mm de diámetro y 8mm de longitud) doblados para darles la forma de la letra U. Estos pedazos deben en primer lugar quedarse un momento en ácido nítrico diluido (1/10) con el fin de quitarlos de sus posibles impurezas superficiales. Antes de instalarlos sobre los filamentos, los sacamos del ácido con una pequeña pinza (pinzas cromadas) y los limpiamos con un papel absorbente (tipo toalla nova). Después de "haberlos colgado" sobre el filamento, los aplastamos ligeramente con una pinza (limpia) para mejorar el contacto con el tungsteno.

Cuando llega el momento de empezar la aluminización, hacemos pasar una fuerte corriente eléctrica en los filamentos. El calentamiento del filamento así causado implica la fusión de los pedazos de Al que se transforman en gotas de aluminio. Luego, este metal ligero "moja" el tungsteno y se distribuye sobre el filamento antes de evaporarse.

Este método es relativamente simple de aplicar ya que no requiere apoyo particular para el espejo que debe simplemente colocarse en el fondo del recinto con su cara óptica dirigida hacia arriba. Desgraciadamente, a veces el aluminio se niega a mojar el tungsteno y forma una gota que puede descolgarse y caer... sobre el espejo. Conocimos este contra-tiempo muy desagradable sin comprender el error que habíamos podido cometer.

Es, para no sufrir mas este incidente que utilizamos ahora un crisol.

Calefacción del aluminio en un crisol en tungsteno :
Con este método el espejo debe mantenerse en la parte alta de la campana con su cara óptica dirigida hacia abajo.

Figura 9 : Ejemplos de crisoles en tungsteno (Unaxis)

Empleamos un crisol en tungsteno a través del cual hacemos circular una corriente eléctrica. Así pues, el crisol se recalienta y hace fundir los pedazos de aluminio que previamente se dispuso en su hueco.

La figura 9 muestra distintos tipos de crisoles. Utilizamos habitualmente el modelo del medio. Requiere una corriente de cerca de 120 Amperios para la aluminización.

Disponemos la cantidad de aluminio necesario en este receptáculo. Utilizamos finales de hilo de aluminio (puro al 99.98%, 1mm de diámetro) cuya longitud es compatible con el tamaño del crisol elegido. En nuestro dispositivo habitual, colocamos una docena de segmentos de hilo de aluminio de 12mm de longitud que limpiamos antes haciéndolos residir algunos momentos en una solución de ácido nítrico seguido de un enjuague al agua desmineralizada.

Con este método, no corremos el riesgo más de hacer caer gotas de aluminio sobre nuestros espejos. No obstante, presenta algunas dificultades.

Es necesario en primer lugar encontrar un dispositivo para mantener en total seguridad el espejo sobre el crisol. No podemos emplear varios crisoles simultáneamente como lo hacemos con los filamentos, nosotros pues debemos colocar el espejo a distancia suficiente para que el depósito de aluminio sea suficientemente uniforme. En efecto, si el espejo está demasiado cerca del crisol, su parte central recibirá demasiado aluminio y el borde no lo suficiente... Disponemos nuestros espejos a 25cm del crisol cuando su diámetro es inferior o igual a 260mm.

Otro parámetro reside en la intensidad de la corriente necesaria para el crisol para hacer fundir y evaporar el aluminio. Es lo que limita el tamaño de los crisoles que empleamos. No es molesto para los pequeños espejos pero eso complica la metalización de los grandes espejos (como nuestro espejo de 400mm) ya que deben colocarse a mayor distancia y es necesario pues evaporar una mayor cantidad de aluminio con un calor más intenso.

Figura 10: El crisol esta instalado en el centro de la torreta por barras en cobre.

La figura 10 muestra la disposición del crisol sobre nuestro sistema.

El crisol es mantenido por dos barras en cobre en el centro de la torreta que sirve de base al recinto. Estas dos barras son aisladas eléctricamente del armazón y cruzadas por la fuerte corriente eléctrica que sirve para calentar el crisol. Tienen una sección rectangular de 5x15mm.

La válvula 1 que separa el recinto de la bomba secundaria se encuentra a la parte inferior del crisol. Es para protegerlo de una posible caída de materia caliente que fijamos un "canaleta en acero inoxidable en la parte inferior del crisol.

Soporte del espejo :
Cuando se metaliza un espejo con un crisol, es necesario mantener el espejo sobre el vacío... quiero decir por encima del crisol. En la concepción del apoyo necesario, deseamos que puedan emplearle para la mayoría de los espejos que deben tratarse.

Fijamos 3 barras girantes sobre la tapa de la unidad. Como lo ilustran las fotografías siguientes, pueden así mantener espejos de distintos diámetros. La foto de arriba a la derecha muestra el empleo del apoyo con un espejo de 60mm mientras que con las fotos de la parte baja es un espejo de 200mm.

Figura 11: Tapa de la unidad con el soporte del espejo.

Las figuras siguientes (11 y 12) muestran en detalles este apoyo.

Los largos tornillos (designadas por la letra A sobre la figura 12) son los que mantienen el espejo. Para estos tornillos, elegimos cada vez un tipo adaptado al espejo (y a su espesor). El modelo indicado sobre la figura 12 es el que empleamos habitualmente para los espejos de 200mm de diámetro (alrededor 35mm de espesor).

El espejo se coloca en primer lugar sobre las cabezas de los tornillos "C" centrándolo en el soporte con la cara óptica hacia arriba. A continuación, hacemos girar sobre un eje las barras para chapar los troncos de los tres tornillos "A" contra el borde del espejo luego atornillamos los tornillos "B" a la mano. La sujeción de estos tornillos "B" permite un bloqueo en rotación de las barras así como en torsión de las que la apoya firmemente en el borde del espejo. El espejo entonces es bien mantenido y se puede dar la vuelta para volver a tomar su posición como tapa superior de nuestra unidad de vacío. Por lo tanto, la cara óptica se orienta hacia abajo, es decir, mirando hacia el crisol.

Empleamos este sistema para los espejos cuyo diámetro tiene un valor máximo de 260mm. Para el más grande de estos espejos (200 mm. o más), cuando sentimos la necesidad, mejoramos la seguridad del dispositivo rodeando el conjunto tornillo "A" y espejo con una abrazadera en plástico.

Figura 12: Detalles de una pata del soporte.

Las patas del apoyo son mantenidas por los tornillos "C" alrededor de los cuales pueden girar. Estos tornillos se fijan en agujeros tuertos trabajados a máquina en la tapa. Una contratuerca bloquea cada una de estos tornillos dejando al mismo tiempo liberta de girara al brazo en latón.

Los tornillos "C" se escariaron según su eje. Este orificio permite al aire atrapado en el agujero tuerto escaparse sin dificultad. Sin esta precaución, el aire atrapado en el agujero tuerto podría oponiéndose así la progresión del vaciado de la unidad de vacío.

Las propias patas están constituidas por dos barras en latón resultantes de una barra de 2x15mm de sección y se sueldan con autógena perpendicularmente entre ellas al estaño. Este tipo de perfil en latón se obtiene fácilmente en las grandes superficies bricolaje. Una tuerca M6 en latón soldada con estaño sobre la más pequeña placa le viene a completar el dispositivo. Tenga en cuenta la presencia del agujero con hilo M6 en la parte donde se superponen las dos barras. El tornillo "A" se atornilla en este agujero sin apretarlo.

Modo de uso de nuestra unidad de metalización bajo vacío

Después de haber instalado los pequeños pedazos de alambre de aluminio sobre los filamentos de tungsteno o en el crisol, instalamos el espejo cuidadosamente limpiado encima de su soporte. La unidad es enseguida cerrada con su tapa (en el cual puede ser fijado el espejo!); hay que asegurarse que la llave de entrada de aire es bien cerrada. Es tiempo de empezar el bombeo y abrimos la llave de paso N°2, dejando las otras cerradas.

En tres minutas la presión en el interior de la campana llega a un valor de algunos Torrs. El fenómeno luminoso alrededor de los electrodos confirme esa situación. En este momento, es conveniente cambiar el flujo de gas para bombear atravesando la bomba segundaria. Para eso hay que cerrar la llave de paso 2 y abrir las llaves 1 y 3. Se debe llenar la trampa de nitrógeno líquido. Hay que seguir el calientemente de la bomba segundaria antes que se pone en función. Debido al trabajo de esta bomba la luz desaparece paulatinamente atestiguando que la presión llega a un valor cerca de 10^-3 Torr. Dejando el bombeo efectuarse durante una decena de minutos después de esta extinción, la presión desciende debajo de 10^-4 Torr, se puede proceder a la evaporación.

Una unidad eléctrica mande una corriente de varias decenas de amperios o en los cuatros filamentos de tungsteno, conectados en paralelo en el crisol. Eso permite calentar los filamentos de tungsteno o el crisol y por consecuencia, los pedazos de aluminio. Tungsteno y aluminio están encandelados. Tan pronto la temperatura de fusión esta alcanzada, gotas de aluminio "mojan" los filamentos o el crisol. En este momento, se puede observar una capa de aluminio depositándose en el conjunto campana y espejo.

Mientra uno mira a los filamentos o el crisol se ve que progresivamente desaparecen debido a la mentalización de todo la unidad. Es una forma aproximativa de estimar el espesor de la capa de aluminio depositada en la campana y sobre el espejo. Cuando es suficiente se apaga la corriente. El proceso de evaporación tiene una duración de menos de un minuto a varios minutos dependiente de la intensidad del calientemente de los filamentos o del crisol.

Cuidado de bien cortar el calientemente antes de la evaporación completa del aluminio. Efectivamente, la evaporación del aluminio enfría el soporte de tungsteno y el peligro seria de evaporar parte del filamento de tungsteno degradando el filamento y depositar en el espejo una capa de tungsteno en cima del aluminio.

No queda ya que cerrar la válvula 1 e introducir aire en la campana antes de abrirlo y admirar el poder reflectante de la capa de aluminio del espejo. En algunas semanas, ésta va a cubrirse de una fina capa de alúmina, es decir, de óxido de aluminio. Esta película va a reforzar la resistencia de la capa reflectante a las agresiones exteriores. No obstante, este depósito de aluminio deberá renovarse al cabo de cinco a diez años.

El aluminio depositado en la campana puede ser eliminado limpiándola con una solución @ 5% de NaOH.

Si se termina la sesión, deben cerrar la válvula 3 y detener las bombas. En el caso contrario, preparamos de nuevo la campana, los filamentos (o el crisol) y un nuevo espejo. Para el bombeo primario, cierran la válvula 3 y abren la válvula 2. Durante este nuevo bombeo primario, los vapores residuales recogidos por la bomba secundaria se envían hacia la reserva de vacío. Este tanque permite a la bomba a difusión de aceite funcionar algún tiempo sin desactivarse a pesar de la ausencia de bombeo primaria. Tras tres minutos, un atisbo aparece sobre los electrodos, pasamos al bombeo secundario como antes.

Durante estos procedimientos, es necesario pensar de NO poner en contacto el aceite caliente de la bomba a difusión con la presión atmosférica.

Algunas fotografías

Ahí tienes en primer lugar dos fotografías de nuestra unidad de metalización.
La primera foto muestra la "campana de vacío" y la segunda muestra la unidad vista desde arriba sin la campana. En última observamos los alambres eléctricos que proporcionan la alta tensión necesaria para los electrodos de la Gage de ionización. En este caso, se trata de dos tornillos aislados eléctricamente del conjunto.

Ahí tienes ahora la base del recinto visto de costado. Se distinguen las dos cabezas de tornillo que hacen oficia de electrodos entre las cuales se colocó una alta tensión eléctrica alternativa. En realidad, esta tensión es proporcionada por un transformador "elevador". Éste eleva la tensión alternativa de la red a 1600 Voltios aproximadamente pero este valor disminuye a 300 Voltios cuando las luces aparecen. En seguida, cuando la presión disminuye la tensión remonta progresivamente. Es la intensidad de la corriente eléctrica que es responsable de esta caída de la tensión.

La vista siguiente muestra la aparición de los primeros atisbos que aparecen sobre los electrodos hacia el final del bombeo primario. Estos atisbos se difunden a continuación alrededor de los tornillos. La última foto muestra el atisbo al principio del bombeo secundario.

Las tres fotos siguientes muestran los atisbos de la capacidad a ionización para distintos grados de desarrollo del vacío secundario. Pueden observar las zonas indeterminadas de Hittorf, son las zonas ligeramente menos brillantes que rodean los tornillos.

Ahí tienes ahora un zoom sobre uno de los tornillos.

En la realidad, estos atisbos son mucho más espectaculares a ver. Las fotografías no dan cuenta de toda la belleza de este fenómeno. En particular, las zonas de Hittorf son más evidentes que sobre las fotos.

Veamos ahora los filamentos de tungsteno que se usan para la evaporación del aluminio.

La primera imagen muestra uno de los cuatro filamentos de tungsteno sobre el cual colocamos a tres pedazos de aluminio. Cuando el bombeo esta conveniente, hacemos circular una fuerte corriente eléctrica en los filamentos. Esto implica un calentamiento del hilo que enrojece. Es necesario controlar este calentamiento para que implique progresivamente la fusión de todos los alambres de aluminio. Después de haberse fundido, este metal "moja" el filamento, se extiende sobre su superficie. A continuación, los átomos del metal fundido se difunden en línea recta y se fijan en todas las superficies que encuentran.

Entonces, el espejo y las paredes de vidrio de la campana toman un aspecto metálico brillante. Es necesario a continuación cortar la corriente que calienta los filamentos, se cierra la válvula 1, se hace entrar el aire en el recinto y se saca el espejo. Está listo.

Metalización de nuestro espejo de 400mm

Nuestro telescopio de 400mm se llama a Hércules (HERCULE). Su espejo no puede ser metalizado en la unidad de vidrio que les presentamos arriba. Para tratar este espejo, empleamos una campana de acero inoxidable (inox) de dimensiones más imponentes que desplazamos con la ayuda de un teclee eléctrico.

Esta campana cuyas dimensiones no elegimos es inútilmente alta. En efecto, si fijemos el espejo sobre la tapa, como lo hicimos para la campana de vidrio, se situaría demasiado lejos del crisol. En consecuencia, sería necesario calentar más intensamente el aluminio para que sus átomos estén difundidos con una velocidad suficiente para alcanzar el espejo. Además, sería necesario evaporar mucho más metal.

Pues concebimos un dispositivo que acerca la óptica a una distancia razonable del crisol.

Figura 13 : Vista en corte de la campana de Inox

Figura 14: Unidad utilizada en la mentalización del espejo de 400mm.

Realizamos este sistema de suspensión del espejo con secciones planas en aluminio.

Figura 16: Detalles del soporte del espejo de 400mm.

El espejo se apoya en cuatro cabezas de tornillo. Para colocarlo en posición, fijamos ventosas sobre su espalda (Figura 15).

Figura 15: Instalación del espejo de 400mm.

Figura 17: El espejo de 400mm metalizado.

Este apoyo hecho a medida se emplea solamente con este espejo.

La campana de inox así preparada se coloca sobre la unidad porta accesorios con interposición de una junta de goma. La hermeticidad de esta disposición no es suficiente, debemos mejorarlo disponiendo masilla sobre la junta justo antes de instalar la campana. Utilizamos para eso masilla RUBSON sanitario para sello de lugares húmedos. Este cemento se "seca" durante el vaciado de la campana y tapa las micro-fugas que teníamos sin él.

Este dispositivo presenta un desperfecto, no permite ver el espejo durante la metalización. En efecto, al contrario del dispositivo anterior que era de vidrio, esta campana inox es opaca. Para controlar la metalización, previmos una pequeña ventanilla en vidrio que nos permite ver la chispa de la unidad a ionización y asistir a la evaporación del aluminio del crisol.

Esa ventanilla está dispuesta detrás de un periscopio. Es un juego de 2 pequeños espejos que albergan la ventanilla de la difusión del aluminio permitiendo al mismo tiempo ver el crisol. Sin esta precaución, la ventanilla se metalizaría y se volvería rápidamente opaca impidiéndonos así controlar el proceso.

Cálculo de la cantidad de aluminio que debe evaporarse

Para determinar la cantidad de aluminio que debemos disponer en el crisol o sobre los filamentos de tungsteno, vamos a considerar que el aluminio se difunde uniformemente en todas las direcciones. Es una hipótesis criticable que puede alejarse de la realidad...

Además, consideramos que el espesor de la capa de aluminio que debemos depositar sobre nuestro espejo debe tener un espesor de 50 nanómetros, nosotros la designaremos por la letra "e".

e = 50nm = 50.10^-9m

Un espesor inferior no sería suficientemente reflexivo y es necesario evitar depositar un excesivo espesor ya que las irregularidades del depósito podrían deteriorar la precisión de la superficie del espejo.

Entonces, el volumen de aluminio que debe evaporarse es dado por la siguiente fórmula :

V = 4.π.r².e
con r = distancia entre espejo y fuente de difusión del aluminio.

Esto corresponde a la superficie de una esfera de rayo "r" multiplicada por el espesor "e".

El aluminio que empleamos se condiciona en hilo de 1mm de diámetro. La superficie de su sección vale :

S = π.D²/4 = 3,14 / 4 = 0,785 mm²
con D = diámetro del hilo de aluminio = 1mm

Se puede deducir el largo del alambre de Aluminio necesario :

L = V / S

Y el peso "M" del aluminio :

M = ρ.V
con ρ = masa volúmica del aluminio = 2,7 g/cm³

Ejemplo :
Colocamos nuestro espejo a 250mm del crisol. Para metalizarlo, debemos pues evaporar el volumen de aluminio siguiente :

V = 4 x 3,14 x 250² x 50.10^-6 = 39,25mm³

Lo que corresponde a un largo de alambre de Aluminio de :

L = 39,25mm³ / 0,785mm² = 50mm

Y su peso es :

M = 2,7 x 39,25.10^-3cm³ = 0,106g

Habida cuenta de la aproximación de nuestra hipótesis inicial, este resultado no es muy preciso pero nos indica el buen orden de magnitud. Será necesario pues colocar una mayor cantidad de aluminio en el crisol o sobre los filamentos. Nosotros mismos, empleamos dos veces a dos veces y media la cantidad calculada.

Trayectorias de los átomos de aluminio durante la metalización

Los átomos de aluminio se proyectan en todas las direcciones incluso en el empleo de un crisol. En efecto, cuando es caliente, el aluminio fundido moja el tungsteno y se extiende sobre toda la superficie del crisol incluso a la parte inferior.

Por otra parte, los átomos de aluminio durante su propagación en el vacío recorren trayectorias parabólicas que les impone la atracción de la Tierra (Ley de la gravedad). Por lo tanto, los átomos deberán emitirse con una velocidad suficiente para poder llegar hasta la superficie del espejo si lo colocamos a la parte superior. En el caso contrario, volverán a caer inútilmente hacia abajo del recinto.

Uniformidad del depósito de aluminio

Figura 18: Distribución del depósito de aluminio sobre el espejo.

Consideremos una metalización para la cual la fuente de aluminio (un crisol por ejemplo) se coloca a 250 mm en el eje de un espejo de 260 mm de diámetro. En ese caso, la capa del aluminio depositado no puede tener el mismo grosor sobre toda la superficie del espejo. La figura 18 muestra la variación del grosor del depósito obtenido sobre el espejo en función de la distancia a su eje.

Este gráfico nos indica que el grosor de la capa de aluminio a bordo del espejo vale un 70% del grosor del depósito en el centro.

Al razonar en el primer grado, diríamos que esta variación de grosor de la capa de aluminio implica la creación de un defecto similar sobre el espejo. Así pues, si el grosor de la capa de aluminio vale 50 nm a bordo del espejo, su grosor en el centro vale 50/0,7=71nm. Pues introdujimos un defecto de 71-50=21nm sobre la superficie del espejo y el doble (42 nm) sobre la superficie de la onda. La longitud de onda de referencia que era 560 nm, introdujimos sobre el frente de onda proporcionado por esta óptica un defecto de: 560/42=&lambda/13 (lambda sobre 13). Esto sería demasiado; inadmisible.

Al estudiar de más cerca este problema, constatamos que el grosor del depósito sigue una ley groseramente parabólica. Como el perfil de la superficie del espejo era ya parabólico la nueva superficie del espejo va hacer una parábola poco alejada de otra parábola. El grosor depositado en el centro que es superior a la del borde, podemos imaginar que este depósito va a modificar la concavidad del espejo y en consecuencia la distancia focal del espejo, e la vamos hacerla aumentar ligeramente. Nuestro espejo de 260mm de diámetro ve así su distancia focal aumentar en 7μm...

Figura 19 : Influencia del depósito sobre el perfil del espejo.

Siguiendo esta idea, debemos estudiar los defectos introducidos por la metalización considerando el nuevo perfil del espejo. La figura 19 nos muestra que esta vez el más grande defecto introducido vale un 2,2% del grosor depositado sobre el centro del espejo o sea un 2,2% de 71nm = 1,6nm. Como siempre, el defecto prorrogado sobre la superficie del frente de onda vale el doble es decir, 3,2nm lo que corresponde a : 560/3,2=λ/175. Lo que es aceptable.

Este último razonamiento puede considerarse solamente como un espejo a sección parabólico cuando la fuente de la metalización está en su eje. Los espejos planos no pueden beneficiarse. Para estos componentes es el anterior razonamiento que es necesario emplear. Los espejos planos tienen habitualmente pequeñas dimensiones y en ese caso la homogeneidad del depósito es suficiente. Es necesario a pesar de todo estar muy atento sobre este aspecto.

Para determinar la regularidad del depósito de aluminio, estudiamos el grosor de la metalización gracias al programa informático EXCEL con el fichero siguiente "homognt.xls".

En realidad, el depósito obtenido es sensiblemente más regular que lo que prevemos con ayuda de los razonamientos anteriores. Esto es ciertamente debido a la simplicidad de las hipótesis iniciales. En particular, consideramos aquí arriba que el metal "se irradia" desde la fuente (crisol o filamento) pero en realidad se constata una determinada "difusión" de aluminio que se deposita incluso sobre las superficies que no se orientan hacia la fuente (Ejemplo: Contra toda espera, el borde de los pequeños espejos recibe también la metalización).

Comprobación asombrosa sobre un espejo del comercio :
Voy a decirle aquí la sorpresa que tuvimos cuando tenemos que rehacer la aluminización del espejo de 250mm de diámetro que un miembro del AMAS había comprado a un artesano francés en los años ochenta.

La "sorpresa" apareció cuando hemos atacado la vieja aluminización con la soda (colada de soda del comercio). La aluminización se eliminó instantáneamente sobre una parte del espejo pero su desaparición fue muy progresiva sobre el resto del disco de vidrio. Necesitamos cerca de 3/4 de hora para retirar completamente este antiguo depósito de metal.

Mi interpretación es que este espejo se metalizó con una única fuente colocada a proximidad inmediata del borde del espejo. El depósito era muy grueso cerca de la fuente y era más delgado a mayor distancia. Si esto era exacto, eso significaría que el depósito no tenía una regularidad suficiente para conservar su calidad al espejo...

Conclusión

Poseemos una unidad de metalización al vacío que nos aporta muchas satisfacciones. Metalizamos nuestros espejos de telescopios antes de que se haya deteriorado en exceso su superficie reflectante. Además, podemos realizar distintas experiencias originales como volver reflexiva uno grandes lentejas plano-convexo. Ésta se deposita a continuación sobre una superficie horizontal. Una cámara fotográfica situada sobre ella registrará una foto de todo el cielo.

Agradezco a Jean MONTIXI los consejos que me dio sobre este artículo así como para su enseñanza sobre las técnicas del vacío.

Unidades de presión utilizadas para las técnicas del vacío

El cuadro en lo sucesivo propone la conversión de las distintas unidades empleadas.

Características físicas

Algunas direcciones útiles

La Société Française du Vide : 19 rue du Renard 75004 PARIS - Tél : 00 331 53 01 90 30
Esta asociación propone formaciones sobre las técnicas del vacío. Organiza manifestaciones, publica un estudio y publica distintas obras sobre este ámbito...

MCM : 21 rue de la merlette, ZI du Hainault, 77260 SEPT-SORTS - Tél : 01 60 38 10 00
Metalización al vacío de espejos.

KERDRY : Espace de Broglie - 5, rue de Broglie 22300 LANNION - Tél : 00 332 96 48 84 77
Metalización al vacío de espejos.

Proveedores

LEYBOLD France S.A. - Parc du Technopolis, Bâtiment Beta, 3, Avenue du Canada, 91940 Les Ulis cedex - Tél : 01 69 82 48 00
BUSCH - rue Bois Chaland - 91090 LISSES - Tél : 01 69 89 89 89
NEYCO - 30 avenue de la Paix - 92170 VANVES - Tél : 01 41 90 50 50
PFEIFFER-VACUUM SAS - 98, avenue de Brogny, BP 2069, 74009 Annecy Cedex - Tél : 04 50 65 77 77

Bibliografía

Fundamentals of Vacuum Technology : Es un manual muy interesante (pero escrito en inglés), se publica por la sociedad LEYBOLD Vacuum.