Bombas comumente usadas em sistemas de ultra-alto vácuo

I. Bombas mecânicas
A principal função da bomba mecânica é fornecer o vácuo pré-estágio necessário para a partida da bomba turbomolecular.As bombas mecânicas comumente usadas incluem principalmente bombas secas de vórtice, bombas de diafragma e bombas mecânicas seladas a óleo.
As bombas de diafragma têm baixa velocidade de bombeamento e geralmente são usadas para conjuntos de bombas moleculares pequenas devido ao tamanho pequeno.
A bomba mecânica selada a óleo é a bomba mecânica mais utilizada no passado, caracterizada por grande velocidade de bombeamento e bom vácuo final, a desvantagem é a existência geral de retorno de óleo, em sistemas de ultra-alto vácuo geralmente precisam ser equipados com válvula solenóide (para evitar falha acidental de energia causada pelo retorno do óleo) e peneira molecular (efeito de adsorção).
Nos últimos anos, a mais utilizada é a bomba seca scroll. A vantagem é simples de usar e não retorna ao óleo, apenas a velocidade de bombeamento e o vácuo final são um pouco piores que as bombas mecânicas seladas a óleo.
As bombas mecânicas são a principal fonte de ruído e vibração no laboratório e é melhor escolher uma bomba de baixo ruído e colocá-la entre os equipamentos sempre que possível, mas esta última muitas vezes não é fácil de conseguir devido às restrições de distância de trabalho.
II.Bombas turbomoleculares
As bombas turbomoleculares contam com palhetas rotativas de alta velocidade (geralmente em torno de 1.000 rotações por minuto) para atingir um fluxo direcional de gás.A relação entre a pressão de exaustão da bomba e a pressão de entrada é chamada de taxa de compressão.A taxa de compressão está relacionada ao número de estágios da bomba, à velocidade e ao tipo de gás, o peso molecular geral da compressão do gás é relativamente alto.O vácuo final de uma bomba turbomolecular é geralmente considerado como 10-9-10-10 mbar e, nos últimos anos, com o progresso contínuo da tecnologia de bombas moleculares, o vácuo final foi melhorado ainda mais.
Como as vantagens de uma bomba turbomolecular só são realizadas em um estado de fluxo molecular (um estado de fluxo no qual a faixa livre média das moléculas de gás é muito maior que o tamanho máximo da seção transversal do duto), uma bomba de vácuo de pré-estágio com uma pressão operacional de 1 a 10-2 Pa é necessária.Devido à alta velocidade de rotação das palhetas, a bomba molecular pode ser danificada ou destruída por objetos estranhos, instabilidade, impacto, ressonância ou choque gasoso.Para iniciantes, a causa mais comum de danos é o choque gasoso causado por erros operacionais.Danos a uma bomba molecular também podem ser causados ​​por ressonância desencadeada por uma bomba mecânica.Esta condição é relativamente rara, mas requer atenção especial porque é mais insidiosa e não é facilmente detectada.

III.Bomba de íons de pulverização catódica
O princípio de funcionamento da bomba de íons de pulverização catódica é usar os íons gerados pela descarga Penning para bombardear a placa de titânio do cátodo para formar um filme de titânio fresco, adsorvendo assim os gases ativos e tendo também um certo efeito de sepultamento nos gases inertes. .As vantagens das bombas de íons sputtering são um bom vácuo final, sem vibração, sem ruído, sem poluição, um processo maduro e estável, sem manutenção e na mesma velocidade de bombeamento (exceto para gases inertes), seu custo é muito menor do que as bombas moleculares, o que os torna extremamente utilizados em sistemas de ultra-alto vácuo.Normalmente, o ciclo operacional normal das bombas de íons por pulverização catódica é de mais de 10 anos.
As bombas de íons geralmente precisam estar acima de 10-7 mbar para funcionar corretamente (trabalhar em vácuos piores reduz significativamente sua vida útil) e, portanto, requerem um conjunto de bomba molecular para fornecer um bom vácuo pré-estágio.É prática comum usar uma bomba de íons + TSP na câmara principal e uma pequena bomba molecular na câmara de entrada.Ao assar, abra a válvula de inserção conectada e deixe o pequeno conjunto de bomba molecular fornecer o vácuo frontal.
Deve-se notar que as bombas de íons são menos capazes de adsorver gases inertes e sua velocidade máxima de bombeamento difere um pouco daquela das bombas moleculares, de modo que para grandes volumes de liberação de gases ou grandes quantidades de gases inertes, é necessário um conjunto de bombas moleculares.Além disso, a bomba de íons gera um campo eletromagnético durante a operação, que pode interferir em sistemas particularmente sensíveis.
4.Bombas de sublimação de titânio
As bombas de sublimação de titânio funcionam com base na evaporação do titânio metálico para formar uma película de titânio nas paredes da câmara para quimissorção.As vantagens das bombas de sublimação de titânio são construção simples, baixo custo, fácil manutenção, sem radiação e sem ruído de vibração.
As bombas de sublimação de titânio geralmente consistem em 3 filamentos de titânio (para evitar a queima) e são usadas em combinação com bombas moleculares ou de íons para fornecer excelente remoção de hidrogênio.Elas são as bombas de vácuo mais importantes na faixa de 10-9-10-11 mbar e são instaladas na maioria das câmaras de ultra-alto vácuo onde são necessários altos níveis de vácuo.
A desvantagem das bombas de sublimação de titânio é a necessidade de pulverização catódica regular de titânio, o vácuo se deteriora em cerca de 1-2 ordens de grandeza durante a pulverização catódica (dentro de alguns minutos), portanto, certas câmaras com necessidades específicas requerem o uso de NEG.além disso, para amostras/dispositivos sensíveis ao titânio, deve-se tomar cuidado para evitar a localização da bomba de sublimação de titânio.
V. Bombas criogênicas
As bombas criogênicas dependem principalmente da adsorção física em baixa temperatura para obter vácuo, com as vantagens de alta velocidade de bombeamento, ausência de poluição e alto vácuo final.Os principais fatores que afetam a velocidade de bombeamento das bombas criogênicas são a temperatura e a área de superfície da bomba.Em sistemas de epitaxia de feixe molecular grande, as bombas criogênicas são amplamente utilizadas devido aos altos requisitos de vácuo final.
As desvantagens das bombas criogênicas são o alto consumo de nitrogênio líquido e os elevados custos operacionais.Sistemas com chillers de recirculação podem ser usados ​​sem consumir nitrogênio líquido, mas isso traz consigo os problemas correspondentes de consumo de energia, vibração e ruído.Por esta razão, as bombas criogênicas são menos comumente utilizadas em equipamentos laboratoriais convencionais.
VI.Bombas aspiradoras (NEG)
A bomba de agente de sucção é uma das bombas de vácuo mais utilizadas nos últimos anos, sua vantagem é o uso completo de adsorção química, sem revestimento de vapor e poluição eletromagnética, frequentemente usada em conjunto com bombas moleculares para substituir bombas de sublimação de titânio e pulverização catódica de íons bombas, a desvantagem é o alto custo e o número limitado de regenerações, normalmente utilizadas em sistemas com elevados requisitos de estabilidade de vácuo ou altamente sensíveis a campos eletromagnéticos.
Além disso, como a bomba do aspirador não requer nenhuma conexão de alimentação adicional além da ativação inicial, ela também é frequentemente usada em grandes sistemas como bomba auxiliar para aumentar a velocidade de bombeamento e melhorar o nível de vácuo, o que pode efetivamente simplificar o sistema.

Figura ：Pressões de trabalho para diferentes tipos de bombas.As setas marrons mostram a faixa de pressão operacional máxima permitida e as partes verdes em negrito mostram a faixa de pressão de trabalho comum.