Pompy powszechnie stosowane w systemach ultrawysokiej próżni

I. Pompy mechaniczne
Główną funkcją pompy mechanicznej jest zapewnienie niezbędnego podciśnienia przed etapem rozruchu pompy turbomolekularnej.Powszechnie stosowane pompy mechaniczne obejmują głównie suche pompy wirowe, pompy membranowe i pompy mechaniczne uszczelnione olejem.
Pompy membranowe charakteryzują się niską prędkością pompowania i ze względu na mały rozmiar są powszechnie stosowane w małych zestawach pomp molekularnych.
Pompa mechaniczna z uszczelnieniem olejowym jest najczęściej stosowaną w przeszłości pompą mechaniczną, charakteryzującą się dużą prędkością pompowania i dobrą próżnią końcową, wadą jest ogólny powrót oleju, w układach o bardzo wysokiej próżni zazwyczaj należy je wyposażyć w zawór elektromagnetyczny (w celu zapobiegania przypadkowej awarii zasilania spowodowanej powrotem oleju) i sita molekularnego (efekt adsorpcji).
W ostatnich latach coraz częściej stosuje się pompy spiralne na sucho. Zaletą jest prosta obsługa i brak powrotu do oleju, jedynie prędkość pompowania i końcowe podciśnienie są nieco gorsze niż w przypadku pomp mechanicznych z uszczelnieniem olejowym.
Pompy mechaniczne są głównym źródłem hałasu i wibracji w laboratorium, dlatego lepiej jest wybrać pompę o niskim poziomie hałasu i umieścić ją pomiędzy urządzeniami, jeśli to możliwe, ale to drugie często nie jest łatwe do osiągnięcia ze względu na ograniczenia dotyczące odległości roboczej.
II.Pompy turbomolekularne
Pompy turbomolekularne opierają się na łopatkach obracających się z dużą prędkością (zwykle około 1000 obrotów na minutę), aby uzyskać kierunkowy przepływ gazu.Stosunek ciśnienia wylotowego pompy do ciśnienia wlotowego nazywany jest stopniem sprężania.Stopień sprężania jest powiązany z liczbą stopni pompy, prędkością i rodzajem gazu, ogólna masa cząsteczkowa sprężania gazu jest stosunkowo wysoka.Ogólnie uważa się, że końcowa próżnia pompy turbomolekularnej wynosi 10-9-10-10 mbar, a w ostatnich latach, wraz z ciągłym postępem technologii pomp molekularnych, próżnia końcowa została jeszcze bardziej poprawiona.
Ponieważ zalety pompy turbomolekularnej są widoczne tylko w stanie przepływu molekularnego (stan przepływu, w którym średni zasięg cząsteczek gazu jest znacznie większy niż maksymalny rozmiar przekroju poprzecznego kanału), pompa próżniowa przedstopniowa wymagane jest ciśnienie robocze od 1 do 10-2 Pa.Ze względu na dużą prędkość obrotową łopatek pompa molekularna może zostać uszkodzona lub zniszczona przez ciała obce, drgania, uderzenia, rezonans lub wstrząs gazowy.W przypadku początkujących najczęstszą przyczyną uszkodzeń jest szok gazowy spowodowany błędami w obsłudze.Uszkodzenie pompy molekularnej może być również spowodowane rezonansem wywołanym przez pompę mechaniczną.Schorzenie to występuje stosunkowo rzadko, lecz wymaga szczególnej uwagi, ponieważ jest bardziej podstępne i trudne do wykrycia.

III.Rozpylająca pompa jonowa
Zasada działania pompy rozpylającej jonów polega na wykorzystaniu jonów wytwarzanych przez wyładowanie Penninga do bombardowania tytanowej płytki katody w celu utworzenia świeżej warstwy tytanu, adsorbując w ten sposób gazy aktywne i powodując pewien efekt zakopywania również gazów obojętnych .Zaletami pomp jonowych są: dobra próżnia końcowa, brak wibracji, brak hałasu, brak zanieczyszczeń, dojrzały i stabilny proces, brak konserwacji i przy tej samej prędkości pompowania (z wyjątkiem gazów obojętnych), ich koszt jest znacznie niższy niż pomp molekularnych, co czyni je niezwykle szeroko stosowanymi w systemach ultrawysokiej próżni.Zwykle normalny cykl pracy pomp jonowych rozpylających trwa ponad 10 lat.
Pompy jonowe zazwyczaj muszą mieć ciśnienie powyżej 10-7 mbar, aby działać prawidłowo (praca w gorszych próżniach znacznie skraca ich żywotność), dlatego też wymagają zestawu pomp molekularnych, aby zapewnić dobrą próżnię przed etapem.Powszechną praktyką jest stosowanie pompy jonowej + TSP w komorze głównej oraz małego zestawu pompy molekularnej w komorze wlotowej.Podczas pieczenia otwórz podłączony zawór wkładu i pozwól, aby zestaw małej pompy molekularnej zapewnił podciśnienie z przodu.
Należy zauważyć, że pompy jonowe mają mniejszą zdolność do adsorpcji gazów obojętnych, a ich maksymalna prędkość pompowania różni się nieco od pomp molekularnych, dlatego w przypadku dużych objętości odgazowania lub dużych ilości gazów obojętnych wymagany jest zestaw pomp molekularnych.Dodatkowo pompa jonowa podczas pracy generuje pole elektromagnetyczne, które może zakłócać pracę szczególnie wrażliwych układów.
IV.Pompy sublimacyjne tytanowe
Tytanowe pompy sublimacyjne działają w oparciu o odparowanie metalicznego tytanu w celu utworzenia warstwy tytanu na ściankach komory w celu chemisorpcji.Zaletami tytanowych pomp sublimacyjnych są prosta konstrukcja, niski koszt, łatwa konserwacja, brak promieniowania i brak hałasu wibracyjnego.
Tytanowe pompy sublimacyjne składają się zwykle z 3 włókien tytanowych (aby zapobiec wypaleniu) i są stosowane w połączeniu z pompami molekularnymi lub jonowymi, aby zapewnić doskonałe usuwanie wodoru.Są to najważniejsze pompy próżniowe w zakresie 10-9-10-11 mbar i są montowane w większości komór o bardzo wysokiej próżni, gdzie wymagany jest wysoki poziom próżni.
Wadą tytanowych pomp sublimacyjnych jest konieczność regularnego napylania tytanu, podczas napylania (w ciągu kilku minut) podciśnienie pogarsza się o około 1-2 rzędy wielkości, dlatego też niektóre komory o specyficznych potrzebach wymagają zastosowania NEG.ponadto w przypadku próbek/urządzeń wrażliwych na tytan należy zachować ostrożność, aby uniknąć lokalizacji tytanowej pompy sublimacyjnej.
V. Pompy kriogeniczne
Pompy kriogeniczne opierają się głównie na adsorpcji fizycznej w niskiej temperaturze w celu uzyskania próżni, a ich zaletą jest duża prędkość pompowania, brak zanieczyszczeń i wysoka próżnia końcowa.Głównymi czynnikami wpływającymi na prędkość pompowania pomp kriogenicznych są temperatura i powierzchnia pompy.W dużych systemach epitaksji z wiązek molekularnych pompy kriogeniczne są szeroko stosowane ze względu na wysokie wymagania dotyczące próżni końcowej.
Wadami pomp kriogenicznych jest duże zużycie ciekłego azotu i wysokie koszty eksploatacji.Systemy z agregatami chłodniczymi z recyrkulacją można stosować bez zużycia ciekłego azotu, ale wiąże się to z odpowiednimi problemami związanymi ze zużyciem energii, wibracjami i hałasem.Z tego powodu pompy kriogeniczne są rzadziej stosowane w konwencjonalnym sprzęcie laboratoryjnym.
VI.Pompy zasysające (NEG)
Pompa środka ssącego jest jedną z częściej używanych pomp próżniowych w ostatnich latach, jej zaletą jest całkowite wykorzystanie adsorpcji chemicznej, brak galwanizacji parowej i zanieczyszczeń elektromagnetycznych, często stosowana w połączeniu z pompami molekularnymi w celu zastąpienia tytanowych pomp sublimacyjnych i rozpylania jonów pomp, wadą jest wysoki koszt i ograniczona liczba regeneracji, zwykle stosowana w układach o dużych wymaganiach dotyczących stabilności próżni lub bardzo wrażliwych na pola elektromagnetyczne.
Ponadto, ponieważ pompa zasysająca nie wymaga dodatkowego podłączenia zasilania poza początkowym uruchomieniem, często jest stosowana w dużych systemach jako pompa pomocnicza w celu zwiększenia prędkości pompowania i poprawy poziomu podciśnienia, co może skutecznie uprościć system.

Rysunek: Ciśnienia robocze dla różnych typów pomp.Brązowe strzałki pokazują maksymalny dopuszczalny zakres ciśnienia roboczego, a pogrubione zielone części pokazują typowy zakres ciśnienia roboczego.