Vacuómetro de Penning

El vacuómetro de Penning o medidor de vacío de Penning mide la presión de vacío empleando una descarga de gas dentro de un cabezal medidor en el que la descarga se enciende aplicando una alta tensión. La corriente de iones resultante se emite como una señal que es proporcional a la presión predominante.

La descarga de gas se mantiene también a bajas presiones con la ayuda de un imán. Los nuevos conceptos para el diseño de estos sensores permiten un funcionamiento seguro y fiable de los llamados sensores Penning en el rango de presión de 10-2 a 1 x 10-9 mbar/Torr.

Infografia vacuómetro Penning

Frans Penning, padre del invento

Frans Michel Penning nació en la ciudad agrícola de Gorinchem a orillas del Rin en Holanda. Estudió en Leiden, donde hizo su investigación de doctorado con la científica holandesa más famosa de la época, Heike Kamerlingh Onnes, la descubridora de la superconductividad. Su tesis fue sobre la termodinámica de los gases a muy bajas temperaturas – hizo cuidadosas mediciones de las isotermas e isótopos de hidrógeno, helio y varios otros gases a temperaturas cercanas al cero absoluto, trabajo que requiere gran cuidado y precisión.

Frans Michel Penning (1894 - 1953) Científico holandés e inventor de un vacuómetro capaz de medir presiones extremadamente bajas
Frans Michel Penning (1894 – 1953) Científico holandés e inventor de un vacuómetro capaz de medir presiones extremadamente bajas

Graduado en Leiden en 1924, Penning consiguió un trabajo en los laboratorios centrales de investigación de la Compañía Philips, entonces un imán para los mejores graduados. Debió ser un lugar extraordinario para trabajar, si se toma como guía el contenido de la Revisión Técnica de Philips. La revista de la casa contiene artículos sobre una fascinante variedad de temas: ciencia e ingeniería, pero ocasionalmente también política científica.

Penning se puso a trabajar en el tema de las descargas eléctricas en gases de baja presión, un área que estaba atrayendo cada vez más atención mientras los físicos e ingenieros luchaban por averiguar cómo convertir el fenómeno en aplicaciones útiles. Su primer trabajo fue sobre las descargas en los gases nobles y pronto se enfrentó a la dificultad de reproducir los resultados de la literatura, así como los suyos propios.

Le resultó evidente que el potencial de descomposición de los gases -el punto en el que pasan de ser aislantes a ser conductores, a menudo acompañados de una luz brillante- dependía en gran medida de la pureza. Los rastros de otros gases podían catalizar eficazmente el proceso de descomposición mediante colisiones con átomos metaestables del constituyente principal, lo que conduciría a una cascada de ionización.

El problema de la medición del vacío

La mayor pregunta, sin embargo, era cómo medir de forma fiable las presiones cada vez más bajas. Los medidores de McLeod representaban el estándar de oro para medir presiones de hasta 10-4mmHg. Pero la tecnología de bombeo avanzaba rápidamente tras las bombas rotativas y de difusión de Wolfgang Gaede y las mejoras de Irving Langmuir y Martin Knudsen. La medición de lo cada vez más efímero, de forma rápida y fiable, se convirtió en una preocupación creciente para los físicos del vacío. El robusto y continuo medidor de conductividad térmica de Marcello Pirani fue un gran paso adelante. Pero para ir a presiones más bajas se requería algo más sutil.

Se propusieron muchas soluciones. Langmuir sugirió que la viscosidad del gas entre dos discos, uno girando, el otro suspendido de una fibra de cuarzo, induciría una suave torsión proporcional a la presión del gas. Aunque era absoluta, era muy delicada y requería una calibración cuidadosa.

Knudsen diseñó un medidor basado en dos marcos de alambre rectangulares: uno caliente pero fijo, otro frío, pero suspendido en un alambre de torsión. Cuando se exponía al vacío, la transferencia de momento de las moléculas que salían del marco caliente y golpeaban el frío provocaba que el marco suspendido se torciera de forma independiente de la naturaleza del gas. Era brillante, pero extremadamente frágil.

La invención del vacuómetro de Penning

Penning tomó un enfoque diferente. Era bien sabido que el gas en un sistema de vacío brillaría cuando se le acercara una bobina de Tesla. Por debajo de unos 10-3 mmHg, la descarga se desvanecería dejando sólo una fluorescencia reveladora, pero no informativa, en el vidrio. Pero ¿la descarga en sí misma podría ser aprovechada – seguramente la corriente sería proporcional a la presión del gas? Con los medidores de iones triodo la corriente era más o menos proporcional a la presión en el tubo. Pero a medida que la presión disminuía, la corriente se hacía cada vez más difícil de medir, y los filamentos estaban sujetos a ensuciamiento y rotura.

El medidor de Penning aprovechó el fenómeno de la descarga eléctrica en los gases para medir los vacíos de ultra baja presión
El medidor de Penning aprovechó el fenómeno de la descarga eléctrica en los gases para medir los vacíos de ultra baja presión

Siguiedo sugerencia de Gaede de que un campo magnético podría aumentar el camino recorrido por los electrones, y quizás consciente del nuevo ciclotrón inventado por Leó Szilárd y Ernest Lawrence en los EE.UU., Penning alteró la geometría de su tubo de vacío. Colocó un cátodo en forma de anillo con dos placas anódicas por encima y por debajo en un campo magnético. Los electrones que salían del anillo viajaban entre los electrodos en largas órbitas espirales en lugar de en líneas rectas. A lo largo del camino sufrirían muchas colisiones ionizantes, resultando en una enorme amplificación de la corriente medida debido al gas. A diferencia de sus predecesores, no tenía partes móviles, no requería calentamiento y por lo tanto podía soportar un tratamiento brusco.

Fuente de inspiración para otros desarrollos

Modelo de vacuómetro de Penning
Modelo de vacuómetro de Penning

El vacuómetro de Penning inspiraría entonces a Hans Dehmelt a utilizar la combinación de campos magnéticos axiales y eléctricos cuadrupolares para confinar electrones o partículas cargadas en la llamada trampa de Penning. Esto llevaría a un enfoque fundamentalmente diferente de la espectrometría de masas de alta resolución: el espectrómetro de resonancia de ciclotrón de iones o trampa de iones. Dehmelt fue galardonado con el premio Nobel de Física en 1989.

Penning permaneció en Philips hasta su jubilación, y su medidor es un testamento de una larga y tranquila carrera en pos de una ciencia interesante.

Para más información Introduction to vacuum gauges