Pompes couramment utilisées dans les systèmes à ultra-vide

I. Pompes mécaniques
La fonction principale de la pompe mécanique est de fournir le vide préalable nécessaire au démarrage de la pompe turbomoléculaire.Les pompes mécaniques couramment utilisées comprennent principalement les pompes sèches vortex, les pompes à membrane et les pompes mécaniques à joint d'huile.
Les pompes à membrane ont une faible vitesse de pompage et sont généralement utilisées pour les petits ensembles de pompes moléculaires en raison de leur petite taille.
La pompe mécanique à joint d'huile est la pompe mécanique la plus utilisée dans le passé, caractérisée par une vitesse de pompage élevée et un bon vide final, l'inconvénient est l'existence générale d'un retour d'huile, dans les systèmes à ultra-vide, il faut généralement être équipé d'une électrovanne. (pour éviter les pannes de courant accidentelles causées par le retour d'huile) et tamis moléculaire (effet d'adsorption).
Ces dernières années, la pompe sèche à défilement est la plus utilisée. L'avantage est simple à utiliser et ne revient pas à l'huile, juste la vitesse de pompage et le vide ultime sont légèrement pires que ceux des pompes mécaniques à joint d'huile.
Les pompes mécaniques sont une source principale de bruit et de vibrations dans le laboratoire et il est préférable de choisir une pompe peu bruyante et de la placer entre les équipements lorsque cela est possible, mais cette dernière solution n'est souvent pas facile à réaliser en raison des restrictions de distance de travail.
II.Pompes turbomoléculaires
Les pompes turbomoléculaires reposent sur des aubes rotatives à grande vitesse (généralement autour de 1 000 tours par minute) pour obtenir un flux de gaz directionnel.Le rapport entre la pression d’échappement de la pompe et la pression d’entrée est appelé taux de compression.Le taux de compression est lié au nombre d'étages de la pompe, à la vitesse et au type de gaz, le poids moléculaire général du gaz comprimé est relativement élevé.Le vide limite d'une pompe turbomoléculaire est généralement considéré comme étant de 10-9-10-10 mbar, et ces dernières années, avec les progrès continus de la technologie des pompes moléculaires, le vide limite a été encore amélioré.
Comme les avantages d'une pompe turbomoléculaire ne sont réalisés que dans un état d'écoulement moléculaire (un état d'écoulement dans lequel la plage libre moyenne des molécules de gaz est bien supérieure à la taille maximale de la section transversale du conduit), une pompe à vide préalable avec une pression de service de 1 à 10-2 Pa.En raison de la vitesse de rotation élevée des aubes, la pompe moléculaire peut être endommagée ou détruite par des corps étrangers, une gigue, un impact, une résonance ou un choc gazeux.Pour les débutants, la cause de dommage la plus courante est le choc gazeux provoqué par des erreurs de manipulation.Les dommages à une pompe moléculaire peuvent également être causés par une résonance déclenchée par une pompe mécanique.Cette pathologie est relativement rare mais nécessite une attention particulière car elle est plus insidieuse et difficilement détectable.

III.Pompe ionique de pulvérisation
Le principe de fonctionnement de la pompe ionique de pulvérisation est d'utiliser les ions générés par la décharge de Penning pour bombarder la plaque de titane de la cathode afin de former un film de titane frais, adsorbant ainsi les gaz actifs et ayant également un certain effet d'enfouissement sur les gaz inertes. .Les avantages des pompes ioniques de pulvérisation sont un bon vide limite, pas de vibration, pas de bruit, pas de pollution, un processus mature et stable, pas de maintenance et à même vitesse de pompage (sauf pour les gaz inertes), leur coût est bien inférieur à celui des pompes moléculaires, ce qui les rend extrêmement largement utilisés dans les systèmes à ultra-vide.Habituellement, le cycle de fonctionnement normal des pompes ioniques par pulvérisation est supérieur à 10 ans.
Les pompes ioniques doivent généralement être supérieures à 10-7 mbar pour fonctionner correctement (fonctionner à des vides pires réduit considérablement leur durée de vie) et nécessitent donc un ensemble de pompes moléculaires pour fournir un bon vide préalable.Il est courant d'utiliser une pompe ionique + TSP dans la chambre principale et une petite pompe moléculaire dans la chambre d'entrée.Lors de la cuisson, ouvrez la vanne d'insertion connectée et laissez le petit groupe de pompe moléculaire fournir le vide frontal.
Il convient de noter que les pompes ioniques sont moins capables d'adsorber les gaz inertes et que leur vitesse de pompage maximale diffère quelque peu de celle des pompes moléculaires, de sorte que pour de grands volumes de dégazage ou de grandes quantités de gaz inertes, un ensemble de pompes moléculaires est nécessaire.De plus, la pompe à ions génère pendant son fonctionnement un champ électromagnétique qui peut interférer avec des systèmes particulièrement sensibles.
IV.Pompes à sublimation en titane
Les pompes à sublimation en titane fonctionnent en s'appuyant sur l'évaporation du titane métallique pour former un film de titane sur les parois de la chambre pour la chimisorption.Les avantages des pompes à sublimation en titane sont une construction simple, un faible coût, un entretien facile, aucun rayonnement et aucun bruit de vibration.
Les pompes à sublimation en titane sont généralement constituées de 3 filaments de titane (pour éviter de brûler) et sont utilisées en combinaison avec des pompes moléculaires ou ioniques pour assurer une excellente élimination de l'hydrogène.Ce sont les pompes à vide les plus importantes dans la gamme 10-9-10-11 mbar et sont installées dans la plupart des chambres à ultra-vide où des niveaux de vide élevés sont requis.
L'inconvénient des pompes de sublimation en titane est la nécessité d'une pulvérisation régulière du titane, le vide se détériore d'environ 1 à 2 ordres de grandeur pendant la pulvérisation (en quelques minutes), donc certaines chambres ayant des besoins spécifiques nécessitent l'utilisation de NEG.De plus, pour les échantillons/dispositifs sensibles au titane, il convient de veiller à éviter l'emplacement de la pompe de sublimation en titane.
V. Pompes cryogéniques
Les pompes cryogéniques reposent principalement sur l'adsorption physique à basse température pour obtenir le vide, avec les avantages d'une vitesse de pompage élevée, d'une absence de pollution et d'un vide limite élevé.Les principaux facteurs affectant la vitesse de pompage des pompes cryogéniques sont la température et la surface de la pompe.Dans les grands systèmes d’épitaxie par jets moléculaires, les pompes cryogéniques sont largement utilisées en raison des exigences élevées en matière de vide limite.
Les inconvénients des pompes cryogéniques sont la consommation élevée d'azote liquide et les coûts d'exploitation élevés.Les systèmes avec refroidisseurs à recirculation peuvent être utilisés sans consommer d’azote liquide, mais cela entraîne les problèmes correspondants de consommation d’énergie, de vibrations et de bruit.Pour cette raison, les pompes cryogéniques sont moins couramment utilisées dans les équipements de laboratoire conventionnels.
VI.Pompes aspirantes (NEG)
La pompe à agent d'aspiration est l'une des pompes à vide les plus utilisées ces dernières années. Son avantage réside dans l'utilisation complète de l'adsorption chimique, sans placage de vapeur ni pollution électromagnétique, souvent utilisée en conjonction avec des pompes moléculaires pour remplacer les pompes de sublimation en titane et la pulvérisation ionique. pompes, l'inconvénient est le coût élevé et le nombre limité de régénérations, généralement utilisées dans des systèmes avec des exigences élevées en matière de stabilité du vide ou très sensibles aux champs électromagnétiques.
De plus, comme la pompe aspirante ne nécessite aucune connexion d'alimentation supplémentaire au-delà de l'activation initiale, elle est également souvent utilisée dans les grands systèmes comme pompe auxiliaire pour augmenter la vitesse de pompage et améliorer le niveau de vide, ce qui peut simplifier efficacement le système.

Figure ：Pressions de service pour différents types de pompes.Les flèches brunes indiquent la plage de pression de service maximale autorisée et les parties vertes en gras indiquent la plage de pression de service commune.