🔬 Laser Re-Gassing & Paschen Law Tool

Herramienta de ingeniería para calcular el voltaje de ruptura dieléctrica de mezclas de gases mediante la Ley de Paschen, y simular el proceso completo de re-gassing de tubos láser CO₂ tipo RECI. Incluye una versión de terminal (CLI) y una aplicación de escritorio con panel SCADA en tiempo real.

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🧠 Contexto Técnico

Ley de Paschen

El voltaje de ruptura eléctrica en un gas depende del producto presión × distancia entre electrodos ($p \cdot d$). La fórmula de Paschen modela la ionización por colisiones en avalancha de Townsend:

$$V_b = \frac{B \cdot p \cdot d}{\ln(A \cdot p \cdot d) - \ln\left(\ln\left(1 + \dfrac{1}{\gamma}\right)\right)}$$

Donde:

Símbolo	Descripción	Unidades
$V_b$	Voltaje de ruptura (breakdown)	V
$p$	Presión del gas	Torr
$d$	Distancia entre electrodos	cm
$A$	Coeficiente de ionización primaria	(Torr·cm)⁻¹
$B$	Coeficiente de excitación	V/(Torr·cm)
$\gamma$	Coeficiente de Townsend secundario	adimensional

El mínimo analítico de la curva (punto óptimo de operación):

$$\left(p \cdot d\right)_{\min} = \frac{e \cdot \ln\left(1 + \frac{1}{\gamma}\right)}{A} \qquad V_{b,\min} = B \cdot (p \cdot d)_{\min}$$

Condición física del denominador (verificada en código):

$$A \cdot p \cdot d > \ln\left(1 + \frac{1}{\gamma}\right)$$

Mezcla de Gases — Ponderación Molar

Para una mezcla de gases, los coeficientes se obtienen por fracción molar:

$$A_{\text{mezcla}} = \sum_i x_i \cdot A_i \qquad B_{\text{mezcla}} = \sum_i x_i \cdot B_i$$

Masa de Gas — Ley de Gas Ideal

Cantidad de gas para alcanzar la presión objetivo en el volumen total del sistema:

$$n = \frac{P_{\text{obj}} \cdot V_{\text{total}}}{R \cdot T} \qquad m = n \cdot PM_{\text{mezcla}}$$

Con $R = 62.364,\text{L·Torr/mol·K}$ y $T = 298,\text{K}$.

Constantes de Ionización Incorporadas

Gas	A [1/(Torr·cm)]	B [V/(Torr·cm)]	PM [g/mol]
H₂	5	130	2.016
N₂	12	342	28.014
CO₂	20	466	44.01
He	3	34	4.003
Hg	20	370	200.59
Air	15	365	28.97

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🗂️ Estructura del Repositorio

laser-regassing-paschen-tool/
│
├── paschen_calculator.py      # CLI: calculadora de terminal (standalone)
├── paschen_app_v12.py         # GUI: aplicación de escritorio con Flet + SCADA
├── manifold.png               # Diagrama del sistema de manifold (requerido por la GUI)
│
├── requirements.txt           # Dependencias Python
├── .gitignore
└── README.md

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⚙️ Instalación

# 1. Clonar el repositorio
git clone https://github.com/WilbertMiguel/laser-regassing-paschen-tool.git
cd laser-regassing-paschen-tool

# 2. Crear entorno virtual (recomendado)
python -m venv venv
source venv/bin/activate        # Linux / macOS
venv\Scripts\activate           # Windows

# 3. Instalar dependencias
pip install -r requirements.txt

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🚀 Uso

Versión CLI — Terminal

python paschen_calculator.py

Menú interactivo en terminal con 4 opciones:

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    CALCULADORA DE LA LEY DE PASCHEN
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  1. Conversión de unidades de presión
  2. Calcular A y B de una mezcla de gases
  3. Calcular presión de operación a partir de Vb
  4. Agregar gas personalizado
  0. Salir
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Selecciona una opción:

Versión GUI — Aplicación de Escritorio

⚠️ manifold.png debe estar en la misma carpeta que paschen_app_v12.py.

python paschen_app_v12.py

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🖥️ Funcionalidades — GUI (v12)

La aplicación tiene 6 módulos accesibles desde la barra de navegación:

🔄 Conversión de Presión

Convierte entre Pa, Torr, atm, mbar, psi, mmHg, kg/cm², inHg.

⚗️ Mezcla de Gases

• Agregar gases por porcentaje
• Calcula $A$ y $B$ ponderados por fracción molar
• Exporta resultados a .txt
• Botón → Paschen y → Simulador para transferir valores

⚡ Paschen

• Calcula $V_b$ dado $p$, $d$, $A$, $B$, $\gamma$
• Calcula $p$ dado $V_b$ (bisección numérica, error < 10⁻⁸ V)
• Grafica la curva completa $V_b$ vs $p \cdot d$ con tema oscuro/claro
• Botón → Simulador para transferir $A$, $B$, $\gamma$

🧪 Gases Personalizados

Agregar, editar y eliminar gases con constantes $A$, $B$ y peso molecular propios.

🔬 Simulador Re-Gassing (SCADA)

Simulación física completa del proceso de re-gassing con 4 fases:

Fase	Descripción	Duración aprox.
A	Evacuación exponencial + prueba de fugas (60 s)	~5 min
B	Flushing: 3 ciclos de inyección a 50 Torr + evacuación	~18 min
C	Llenado final controlado hasta presión objetivo	~5 min
D	Estabilización y verificación de micro-fugas	10 min

Incluye:

• Panel SCADA con indicadores en tiempo real (presión, fase, tiempo, masa de gas, $V_b$)
• Animación matplotlib a velocidad ×1/×3/×5/×10
• Control manual de válvulas V1, V2, V3 con validación de secuencia
• 4 gráficas simultáneas: Presión vs Tiempo, Curva de Paschen, Característica V-I, Composición de mezcla
• Curvas suavizadas con interpolación spline en escala logarítmica
• Exporta gráfica y reporte a escritorio

Parámetros configurables del simulador

Parámetro	Default	Descripción
Longitud tubo	140 cm	Longitud del tubo RECI
Diámetro tubo	8 cm	Diámetro interno
Volumen manual	5500 cm³	Volumen medido real
d electrodos	125 cm	Distancia entre electrodos
P objetivo	15 Torr	Presión de operación
P atmosférica	760 Torr	Presión ambiente
P vacío	0.001 Torr	Vacío objetivo (10⁻³ Torr)
V ignición	24 kV	Voltaje de arranque
V operación	18 kV	Voltaje de plasma estable
I máxima	28 mA	Corriente máxima
γ (Townsend 2°)	0.01	Coef. emisión secundaria
Tasa evacuación	25 Torr/s	Velocidad de la bomba
Tasa llenado	0.15 Torr/s	Apertura de válvula de aguja

📖 Guía de Uso

Documentación embebida con ecuaciones LaTeX renderizadas, descripción de válvulas y procedimiento paso a paso.

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🎨 Interfaz

• Tema oscuro / claro con paleta coherente en toda la aplicación
• Cambio de tema en tiempo real (textos, gráficas y campos se actualizan automáticamente)
• Ecuaciones LaTeX renderizadas con Matplotlib
• Exportación de gráficas .png y reportes .txt al escritorio

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📦 Tecnologías

Herramienta	Uso
Python 3.10+	Lenguaje principal
Flet	Framework GUI multiplataforma
Matplotlib	Gráficas científicas + renderizado LaTeX
NumPy	Cálculo numérico y arrays
math (stdlib)	Funciones matemáticas (bisección, exponencial)
threading	Animación SCADA en hilo separado
tempfile	Caché de imágenes LaTeX

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🔧 Compatibilidad

SO	Probado
Windows 10/11	✅
Linux (Ubuntu)	✅
macOS	⚠️ No probado

Python 3.10 o superior. Flet 0.21+.

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📄 Licencia

MIT © 2025 Wilbert Miguel Nahuatlato

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👤 Autor

Wilbert Miguel Nahuatlato
Ingeniero Mecatrónico

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Proyecto desarrollado como herramienta de laboratorio para el proceso de rehabilitación y re-gassing de tubos láser CO₂ sellados (Reci W4, 100–130 W).