Pompe comunemente utilizzate nei sistemi ad altissimo vuoto

I. Pompe meccaniche
La funzione principale della pompa meccanica è fornire il vuoto preliminare necessario per l'avvio della pompa turbomolecolare.Le pompe meccaniche comunemente utilizzate includono principalmente pompe a secco a vortice, pompe a membrana e pompe meccaniche a tenuta d'olio.
Le pompe a membrana hanno una bassa velocità di pompaggio e sono generalmente utilizzate per piccoli gruppi di pompe molecolari a causa delle dimensioni ridotte.
La pompa meccanica a tenuta d'olio è la pompa meccanica più utilizzata in passato, caratterizzata da grande velocità di pompaggio e buon vuoto finale, lo svantaggio è la generale esistenza del ritorno dell'olio, nei sistemi ad altissimo vuoto generalmente devono essere dotati di elettrovalvola (per prevenire interruzioni di corrente accidentali causate dal ritorno dell'olio) e setaccio molecolare (effetto di adsorbimento).
Negli ultimi anni, la più utilizzata è la pompa scroll a secco. Il vantaggio è semplice da usare e non ritorna nell'olio, solo la velocità di pompaggio e il vuoto finale sono leggermente peggiori di quelli delle pompe meccaniche con tenuta ad olio.
Le pompe meccaniche sono una delle principali fonti di rumore e vibrazioni in laboratorio ed è meglio scegliere una pompa a bassa rumorosità e posizionarla tra le apparecchiature ove possibile, ma quest'ultima operazione spesso non è facile da ottenere a causa delle limitazioni della distanza di lavoro.
II.Pompe turbomolecolari
Le pompe turbomolecolari si basano su palette rotanti ad alta velocità (solitamente circa 1000 giri al minuto) per ottenere un flusso direzionale di gas.Il rapporto tra la pressione di scarico della pompa e la pressione di ingresso è chiamato rapporto di compressione.Il rapporto di compressione è correlato al numero di stadi della pompa, alla velocità e al tipo di gas, il peso molecolare generale della compressione del gas è relativamente elevato.Il vuoto finale di una pompa turbomolecolare è generalmente considerato pari a 10-9-10-10 mbar e negli ultimi anni, con il continuo progresso della tecnologia delle pompe molecolari, il vuoto finale è stato ulteriormente migliorato.
Poiché i vantaggi di una pompa turbomolecolare si realizzano solo in uno stato di flusso molecolare (uno stato di flusso in cui il range libero medio delle molecole di gas è molto maggiore della dimensione massima della sezione trasversale del condotto), una pompa per vuoto pre-stadio con una pressione di esercizio compresa tra 1 e 10-2 Pa.A causa dell'elevata velocità di rotazione delle palette, la pompa molecolare può essere danneggiata o distrutta da corpi estranei, jitter, urti, risonanza o shock da gas.Per i principianti, la causa più comune di danno è lo shock da gas causato da errori di funzionamento.Il danneggiamento di una pompa molecolare può essere causato anche dalla risonanza innescata da una pompa meccanica.Questa condizione è relativamente rara ma richiede un'attenzione particolare perché è più insidiosa e non facilmente rilevabile.

III.Pompa ionica sputtering
Il principio di funzionamento della pompa ionica sputtering consiste nell'utilizzare gli ioni generati dalla scarica di Penning per bombardare la piastra di titanio del catodo per formare una pellicola di titanio fresco, adsorbendo così i gas attivi e avendo un certo effetto di sepoltura anche sui gas inerti .I vantaggi delle pompe ioniche sputtering sono un buon vuoto finale, nessuna vibrazione, nessun rumore, nessun inquinamento, un processo maturo e stabile, nessuna manutenzione e alla stessa velocità di pompaggio (ad eccezione dei gas inerti), il loro costo è molto inferiore rispetto alle pompe molecolari, il che li rende estremamente utilizzati nei sistemi ad altissimo vuoto.Di solito il normale ciclo operativo delle pompe ioniche sputtering è superiore a 10 anni.
Le pompe ioniche generalmente devono essere superiori a 10-7 mbar per funzionare correttamente (lavorare a vuoti peggiori riduce significativamente la loro durata) e quindi richiedono un set di pompe molecolari per fornire un buon vuoto pre-stadio.È pratica comune utilizzare una pompa ionica + TSP nella camera principale e una piccola pompa molecolare nella camera di ingresso.Durante la cottura, aprire la valvola dell'inserto collegata e lasciare che la piccola pompa molecolare fornisca il vuoto anteriore.
Va notato che le pompe ioniche sono meno capaci di assorbire gas inerti e la loro velocità massima di pompaggio differisce leggermente da quella delle pompe molecolari, quindi per grandi volumi di degassamento o grandi quantità di gas inerti è necessario un set di pompe molecolari.Inoltre, la pompa ionica genera un campo elettromagnetico durante il funzionamento, che può interferire con sistemi particolarmente sensibili.
IV.Pompe per sublimazione in titanio
Le pompe di sublimazione del titanio funzionano facendo affidamento sull'evaporazione del titanio metallico per formare una pellicola di titanio sulle pareti della camera per il chemisorbimento.I vantaggi delle pompe a sublimazione in titanio sono la costruzione semplice, il basso costo, la facile manutenzione, l'assenza di radiazioni e di vibrazioni.
Le pompe di sublimazione del titanio sono solitamente costituite da 3 filamenti di titanio (per evitare la combustione) e vengono utilizzate in combinazione con pompe molecolari o ioniche per fornire un'eccellente rimozione dell'idrogeno.Sono le pompe per vuoto più importanti nel range 10-9-10-11 mbar e vengono installate nella maggior parte delle camere ad altissimo vuoto dove sono richiesti elevati livelli di vuoto.
Lo svantaggio delle pompe di sublimazione del titanio è la necessità di uno sputtering regolare del titanio, il vuoto si deteriora di circa 1-2 ordini di grandezza durante lo sputtering (entro pochi minuti), quindi alcune camere con esigenze specifiche richiedono l'uso di NEG.inoltre, per campioni/dispositivi sensibili al titanio, è necessario prestare attenzione per evitare la posizione della pompa di sublimazione del titanio.
V. Pompe criogeniche
Le pompe criogeniche si basano principalmente sull'adsorbimento fisico a bassa temperatura per ottenere il vuoto, con i vantaggi di un'elevata velocità di pompaggio, dell'assenza di inquinamento e di un elevato vuoto finale.I principali fattori che influenzano la velocità di pompaggio delle pompe criogeniche sono la temperatura e la superficie della pompa.Nei sistemi di epitassia a fascio molecolare di grandi dimensioni, le pompe criogeniche sono ampiamente utilizzate a causa degli elevati requisiti di vuoto finale.
Gli svantaggi delle pompe criogeniche sono l'elevato consumo di azoto liquido e gli elevati costi operativi.I sistemi con refrigeratori a ricircolo possono essere utilizzati senza consumare azoto liquido, ma ciò comporta i relativi problemi di consumo energetico, vibrazioni e rumore.Per questo motivo, le pompe criogeniche sono meno comunemente utilizzate nelle apparecchiature di laboratorio convenzionali.
VI.Pompe aspiranti (NEG)
La pompa per agente di aspirazione è una delle pompe per vuoto più utilizzate negli ultimi anni, il suo vantaggio è l'uso completo dell'adsorbimento chimico, nessuna placcatura con vapore e inquinamento elettromagnetico, spesso utilizzata insieme a pompe molecolari per sostituire le pompe di sublimazione del titanio e gli ioni di sputtering pompe, lo svantaggio è il costo elevato e il numero limitato di rigenerazioni, solitamente utilizzate in sistemi con elevati requisiti di stabilità del vuoto o altamente sensibili ai campi elettromagnetici.
Inoltre, poiché la pompa aspirante non richiede alcun collegamento di alimentazione aggiuntivo oltre all'attivazione iniziale, viene spesso utilizzata anche in sistemi di grandi dimensioni come pompa ausiliaria per aumentare la velocità di pompaggio e migliorare il livello di vuoto, semplificando efficacemente il sistema.

Figura:Pressioni di esercizio per diversi tipi di pompe.Le frecce marroni mostrano il campo di pressione di esercizio massimo consentito e le parti verdi in grassetto mostrano il campo di pressione di esercizio comune.