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Generalità sulle pompe da vuoto

Una pompa da vuoto è un meccanismo attivo che rimuove del gas a bassa pressione e, nella maggior parte dei casi, lo comprime ad una pressione maggiore espellendolo dalla sua uscita. In genere le pompe da vuoto hanno una velocità di aspirazione costante in un certo intervallo di valori e tale velocità diminuisce fino ad annullarsi al di fuori dell'intervallo di funzionamento. Le pompe che funzionano in regime viscoso sono fisicamente molto diverse da quelle che funzionano in regime molecolare. Quindi per raggiungere alto vuoto bisogna necessariamente avere in cascata pompe da vuoto che operano seguendo principi fisici differenti.

Riepilogando quanto introdotto nella sezione precedente si chiama velocità di pompaggio il volume che fluisce all'ingresso della pompa nell'unità di tempo, come unità di misura si usano litri al secondo o metri cubi all'ora. La portata indica la quantità di materia portata via nell'unità di tempo, ed è data dal prodotto della velocità di pompaggio per la pressione all'ingresso. Se la temperatura è costante, valendo l'equazione di stato dei gas perfetti, tale grandezza è proporzionale alla quantità di materia portata via dalla pompa nell'unità di tempo. Quando si parla di buchi, degassamento o riflusso indietro, si misurano in unità del volume entrante moltiplicato la pressione a cui il fenomeno avviene, in maniera tale che il confronto con la portata sia facilmente calcolabile. Le pompe da vuoto differiscono in altri dettagli quali i materiali delle guarnizioni, la resistenza alla corrosione, le pressioni di operazione, l'affidabilità, l'intervallo di tempo tra interventi tecnici, la tolleranza ai liquidi e le vibrazioni.

Un sistema da vuoto tipico per l'alto vuoto è costituito, in condizioni di regime, da una pompa primaria che funziona da pressione atmosferica fino al limite del funzionamento (in genere dove finisce il regime viscoso) ed aspira l'uscita dei gas compressi provenienti da una pompa per alto vuoto che è connessa al sistema da vuoto vero e proprio. Nel caso di UHV o EHV le pompe in cascata diventano almeno tre. Per conservare la quantità di materia la velocità di aspirazione della pompa primaria, moltiplicata per la pressione di uscita della pompa di alto vuoto, deve essere pari al carico della pompa di alto vuoto. Questo comporta un dimensionamento ben studiato per i sistemi da vuoto.

Ben diverso è il regime transitorio, in cui necessariamente la camera da vuoto deve essere portata sotto vuoto da un pompa primaria, non necessariamente la stessa in serie alla pompa di alto vuoto, e una volta raggiunto il limite del vuoto viscoso, il sistema va collegato al sistema di alto vuoto.

Pompe primarie

Nel regime viscoso il meccanismo più semplice per fare il vuoto consiste nello spostamento ciclico di una parete. In questo caso meccanicamente viene fatta espandere ciclicamente una cavità. In questa maniera il gas da aspirare affluisce dalla camera da vuoto, entra nella pompa da vuoto dove viene aspirato. Quindi la cavità viene sigillata ed il gas viene compresso. Infine il gas viene espulso verso l'atmosfera (o su un secondo stadio in serie). Esempio di tali pompe sono le pompe rotative e le pompe roots.

Schema di funzionamento di una pompa rotativa;a) il gas viene aspirato dalla camera da vuoto; b) il gas viene compresso; c)il gas viene espulso tramite la valvola

Pompe rotative

Le pompe rotative sono costituite da un rotore provvisto di palette mobili che ruota eccentricamente in uno statore. Le palette vengono tenute a contatto con la superficie interna dello statore da una molla e dalla forza centrifuga. Tra le palette e lo statore è sempre presente un velo d'olio come elemento di tenuta. La variazione di volume della camera crea depressioni (fase di aspirazione) e compressioni del gas aspirato (fase di scarico). Nella fase di aspirazione il gas viene estratto dalla camera da vuoto tramite il manicotto di aspirazione, successivamente grazie all'eccentricità del rotore la camera continua ad aumentare di volume. Una volta raggiunto il volume massimo il manicotto di aspirazione viene chiuso da una seconda paletta mentre la camera della pompa comincia a diminuire di volume consentendo ai gas di essere compresso ed espulso dal manicotto di scarico. Le pompe rotative raggiungono pressioni di circa $10^{-2}$ mbar con una velocità di pompaggio anche di centinaia di litri al secondo. Le pompe rotative sono le più diffuse, le meglio sviluppate e le più economiche.

Lo svantaggio di questo tipo di pompe è la presenza di olio che causa la contaminazione dei gas presenti nella camera da vuoto, in quanto anche in condizioni di regime viscoso vi è sempre un flusso indietro (back-streaming) nella camera da vuoto. Tale olio anche se speciale è un contaminante indesiderato nei processi tecnologici avanzati. Soluzione a questo problema sono o l'utilizzo di pompe rotative a secco, che però hanno minore portata, o l'interposizione di trappole ad azoto liquido connesse in serie alla pompa per bloccare i vapori d'olio.

Le pompe rotative a due stadi riescono ad avere una velocità di pompaggio costante da pressione atmosferica fino a $10^{-2}\ mbar$, la velocità di pompaggio si annulla a pressioni inferiori a $10^{-3}\ mbar$. Pompando sistemi con gas miscelati con vapori condensabili (ad esempio acqua o solventi organici) per evitare la contaminazione dell'olio, nella fase di compressione viene aggiunto azoto secco che permette di diluire il gas ed espellerlo nella fase successiva (la valvola manuale che permette tale operazione si chiama tecnicamente ballast). Se viene fatto il gas ballast la pressione limite di pompaggio si riduce in maniera sensibile.

Pompe roots

Sezione di una pompa roots; si vedono i lobi che ruotando comprimono il gas

Le pompe roots sono composte da una camera ovale in cui sono alloggiati due rotori con due lobi che si muovono in direzioni opposte è in definitiva un ventilatore.

Questo tipo di pompa funziona senza olio, quindi si evita la contaminazione dei gas, lo svantaggio è che a causa dell'attrito i pistoni non possono entrare in contatto tra di loro e con la parete esterna quindi in fase di progettazione si lascia tra i componenti uno spazio di circa 0.1 mm. Le pompe roots possono raggiungere pressioni inferiori a $10^{-2}$ mbar con una grande portata. A causa della grande viscosità dell'aria a pressione atmosferica, non possono funzionare a pieno regime, ma hanno bisogno di un controllo progressivo della velocità di rotazione. Se infatti venissero fatti funzionare a pieno regime a partire dalla pressione atmosferica i rotori si scalderebbero eccessivamente dilatandosi, entrando in contatto tra di loro e con le pareti della camera con effetti distruttivi. Il sistema di controllo progressivo rappresenta una delle peculiarità di tali pompe. A causa del fatto che hanno un piccolo rapporto di compressione hanno bisogno di funzionare con una pompa primaria che aspira il gas in uscita e lo porta a pressione atmosferica.

Pompe a secco

Sono delle pompe che stanno diventando sempre più diffuse nell'industria di microelettronica. Sono costituite da rotori di differenti profili montati su un asse comune sincronizzate da un ingranaggio esterno che è messo in movimento da un motore. Ve ne sono di vari tipi a vite (screw), ad artiglio (claw) e a scorrimento (pompa scroll). La parte meccanica è completamente isolata da guarnizioni dalla parte sotto vuoto. Il rapporto di compressione della singola pompa ad artiglio è basso per cui è necessario avere molti stadi in serie per potere funzionare tra $10^{-2}$ mbar e pressione atmosferica. Le pompe a vite sono quelle con la maggiore velocità di aspirazione e sono molti affidabili. Le pompe a scorrimento hanno invece bassa velocità di aspirazione e con difficoltà arrivano fino a vuoti di 0.1 mbar. Il loro costo è molto maggiore di una pompa rotativa, ma malgrado le caratteristiche inferiori, l'assenza di olio le fanno preferire alle più comuni pompe rotative.

Pompa a membrana

Schema di una pompa a membrana

Le pompe a membrana o a diaframma, in cui la variazione di volume è data dall'oscillazione di una membrana che chiude un lato di una camera. Il vantaggio di questa soluzione è l'assoluta impermeabilità ottenuta con l'eliminazione dello scorrimento tra parti, inoltre l'assenza di oli al suo interno fa sì che la pompa venga utilizzata soprattutto per non contaminare il gas. La velocità di aspirazione è estremamente limitata in quanto, il volume, che viene messo in movimento nell'unità di tempo e che determina la velocità della pompa, è chiaramente molto piccolo ed il loro vuoto limite è tipicamente 10 mbar.

Pompe secondarie

Sono le pompe che funzionano a partire da un certo vuoto e quindi necessitano di un primo stadio di pompaggio mediante una pompa primaria. Vi sono due grandi categorie le pompe cinetiche che trasferiscono quantità di moto alle molecole del gas per asportarlo e le pompe ad intrappolamento.

Pompe Cinetiche

Le molecole del gas sono trascinate dal lato sotto vuoto al lato di scarico (che è mantenuto a pressione inferiore a quella atmosferica da una pompa primaria) mediante il trasferimento di impulso che agisce singolarmente sulle molecole del gas. Questa modalità di pompaggio è possibile solo al di sotto di qualche mbar, cioè in condizioni di vuoto molecolare. La velocità di aspirazione di una pompa cinetica è spesso ordini di grandezza maggiore di una pompa primaria, ma lavorando a pressioni inferiori la quantità di materia asportata è in realtà generalmente bassa. Il problema principale del regime di lavoro è il flusso indietro (backstreaming) sempre presente. Non esiste, a causa del meccanismo di funzionamento, nessun tipo di ostacolo (valvola), se non la dinamica di aspirazione tra il vuoto e lo scarico. Le pompe a trasferimento di quantità di moto sono più efficaci per alcuni gas che per altri. A causa di tale selettività la composizione del gas residuo nella camera da vuoto è diversa dalla composizione dei gas di partenza.

Le pompe in regime molecolare agiscono su una superficie molto maggiore delle pompe primarie al fine di avere una alta velocità di pompaggio. Non vi è nessuna guarnizione tra l'uscita e l'ingresso. Quindi una piccola pressione sull'uscita può facilmente risalire indietro attraverso la pompa. A causa di un fenomeno di questo tipo la pompa va in blocco. In alto vuoto. tuttavia, gradienti di pressione hanno scarso effetto e le pompe molecolari possono avere la piena funzionalità.

Pompe a diffusione

Pompa a diffusione

Nelle pompe a diffusione si utilizza un getto di molecole sotto forma di vapore che ha la funzione di trasferire per urto quantità di moto alle molecole del gas da espellere. Nelle prime pompe venivano usati vapori di mercurio, in seguito sostituito con olio con bassa tensione di vapore. L'olio alla base della pompa viene scaldato e portato in ebollizione. Salendo, il vapore viene incanalato attraverso delle strozzature che lo deviano verso il basso e lo portano ad una velocità di alcune centinaia di m/s. Le molecole del gas che incontrano le molecole di vapore subiscono un trascinamento verso la base della pompa dove è presente l'ingresso di una pompa meccanica che assicura il pre-vuoto (condizione necessaria per il funzionamento della pompa a diffusione). Quando le molecole di vapore urtano sulla parete esterna subiscono un raffreddamento che le fa condensare permettendone il ritorno nella vasca di raccolta alla base della pompa. Per garantire una temperatura sufficientemente bassa le pareti della pompa sono circondate da una serpentina in cui circola del liquido refrigerante. Con riferimento all'immagine si nota che il getto di vapore trasferendo quantità di moto alle molecole di gas crea due zone a differente pressione. Il rapporto tra le pressioni può essere espresso tramite la formula ${\frac {p_{2}}{p_{1}}}=e^{\rho v{\frac {L}{D}}}\$ dove $\rho$ è la densità del vapore, v la sua velocità, L lo spessore e D è un coefficiente che dipende dal peso molecolare degli elementi che compongono gas e olio. Minore è il peso molecolare del gas da estrarre più grande è D, di conseguenza il rapporto tra le pressioni tende a 1. Quindi la pompa a diffusione è poco efficace nell'estrarre gas molto leggeri come l'elio o l'idrogeno.

Una pompa a diffusione funziona tra 0.1 mbar $10^{-9}\ mbar$. Sono oramai ritenute delle pompe del passato, infatti richiedono elevata manutenzione, utilizzano liquidi speciali spesso dannosi per l'ambiente e la salute e richiedono impianti di raffreddamento complessi.

Pompe turbomolecolari

Sezione di una pompa turbomolecolare

Una pompa turbomolecolare è un tipo di pompa che contiene un rotore che ruota ad elevata velocità angolare, questo tipo di pompa è la più utilizzata attualmente in regime di Alto Vuoto. Queste pompe funzionano sul principio che in regime molecolare può essere dato alle singole molecole di gas un impulso nella direzione desiderata mediante urti ripetuti con una superficie solida in moto. In una pompa turbomolecolare una turbina in rotazione rapida urta le molecole che provengono dall'ingresso e mediante urti successivi le trascina verso lo scarico, portando quindi il gas dall'ingresso all'uscita.

La maggior parte delle pompe turbomolecolare usa molti stadi cosistuiti da rotori e statori in serie. Quando le molecole del gas entrano nell'ingresso, ricevono un impulso dal rotore che è fatto da un gran numero di lamelle metalliche angolate. Quindi l'energia meccanica delle lamelle viene trasferita alle molecole di gas. Le molecole avendo acquistato tale quantità di moto si dirigono preferenzialemnte nei fori posti alla base dello statore, dove incontrano un nuovo stadio che impartisce altro impulso, fino ad arrivare all'uscita del sistema. La velocità del rotore è simile alla velocità termica delle molecole del gas.

Schema di una pompa turbomolecolare.

Tipicamente il rapporto di compressione di ogni stado è circa ~10, quindi via via che gli stadi si avvicinano allo scarico possono diventare più piccoli di quelli più vicini all'ingresso. Questo comporterebbe dei problemi tecnici difficili da superare si preferisce aumentare il diametro del rotore piuttosto che ridurre le dimensioni delle lamelle.

Le pompe turbomolecolare lavorano a velocità angolari molte elevate (decine di migliaia di giri al minuto). L'utilizzo di cuscinetti che riducano l'attrito dell'asse di rotazione è un problema tecnologico importante, risolto spesso con cuscinetti magnetici. In regime viscoso automaticamente le pompe molecolari smettono di funzionare in quanto la velocità di aspirazione si riduce, inoltre le sottili lamelle verrebbero deformate da un flusso troppo elevato di materia. In genere sono aggiunti dei sistemi automatici che scollegano il rotore quando la pressione supera certi valori. La temperatura delle lamelle va regolata opportunamente, infatti è necessario un certo raffreddamento per migliorare il rapporto di compressione, ma un raffreddamento eccessivo provocherebbe la condensazione di acqua ed altri gas sulle lamelle.

A causa del movimento relativo del rotore e dello statore, le molecole urtano preferenzialmente il lato inferiore delle lamelle. Poiché la superficie delle lamelle è inclinata verso il basso, la maggior parte delle molecole che urtano si allontanano nella direzione in basso. Lo spessore delle lame non può essere troppo sottile in quanto si deformerebbero lavorando ad alta pressione, ma nemmeno troppo spesse per ridurre il momento di inerzia del rotore. Per avere una elevata velocità di aspirazione le lamelle sono a 45°.

Quando viene interrotto il funzionamento di una pompa turbomolecolare è opportuno un flusso laminare di gas secco, in modo da evitare il backstreaming dalla pompa primaria che contamina la camera. Quindi la transizione dal vuoto, ad un flusso di gas secco e in seguito al fermo della pompa deve essere sincronizzato con precisione per evitare sforzi meccanici e la sovrappressione dell'uscita. Sistemi di membrane e valvole sulla uscita sono aggiunti a questo scopo.

Una pompa turbomolecolare funziona tra 0.01 mbar e $10^{-9}\ mbar$. È la pompa più utilizzata per sistemi in alto vuoto, ne esistono di un numero molto vario di velocità di pompaggio.

Pompe ad intrappolamento

Si definiscono pompe ad intrappolamento quelle che catturano i gas residui in un solido o su una superficie assorbente. Esempio sono le criopompe, getter e le pompe ioniche.

Le pompe ad intrappolamento sono usate nei sistemi di ultra alto vuoto, ma hanno una limitazione nel tempo di operazione in quanto la materia non viene asportata dalla camera da vuoto durante il funzionamento, ma accumulata. Quindi tali pompe periodicamente saturano e richiedono la rigenerazione o la sostituzione. La rigenerazione può portare il sistema di nuovo ad alta pressione e temperatura (se si tratta di pompe criogeniche). Poiché il tempo di operazione dipende dalla quantità totale di materia aspirata, utilizzare le pompe ad assorbimento a getter o ioniche in alto vuoto è assolutamente sconsigliabile, in quanto riduce ad un valore inaccettabile il tempo di operatività.

Pompe Ioniche

Gli ioni sono pompati facilmente poiché sono più reattivi con le superfici rispetto alle molecole neutre e se sufficientemente energetici possono essere fisicamente intrappolati nelle pareti della pompa. Combinando opportunamente dei campi magnetici ed elettrici in condizioni di vuoto spinto si riesce a rendere il percorso dei singoli elettroni così lungo da avere una elevata probabilità di ionizzare le molecole presenti nella zona di interesse. Le pompe ioniche funzionano con il principio che alcuni materiali depositati come film sottili assorbono facilemnte gas presenti nella camera da vuoto mediante adsorbimento. Il Titanio tra gli elementi è quello che ha una più spiccata tendenza in questo senso. Una pompa ionica può raggiungere vuoti migliori di 10^-11 mbar in condizioni ideali.

Il funzionamento consiste nell'utilizzare un forte campo elettrico ottenuto con elevate differenze di potenziale comprese 3kV e 7kV, tra un catodo e massa allo scopo di ionizzare i gas. Dovendo lavorare in HV o UHC è necessario anche un elevato campo magnetico di 0.1-0.2T che grazie al fatto che la traiettoria degli elettroni diventa molto lunga permettono di mantenere la scarica anche in condizioni di alto vuoto. Il catodo è costituito da Titanio che viene bombardato dagli ioni positivi e si deposita sulla camera da vuoto, il Titanio forma un film sottile che assorbe il gas residuo. La quantità di film di Titanio evaporato nell'unità di tempo dipende dal gas residuo, maggiore è il gas residuo maggiore è la corrente e maggiore il film che va depositato. Le pompe ioniche sono contemporaneamente delle pompe da vuoto e dei misuratori di vuoto residuo: misurando semplicemente la corrente si ha una informazione sul vuoto, corrente alta basso vuoto e viceversa.

Pompe getter

Nelle pompe getter il metodo utilizzato per l'eliminazione dei gas è l'adsorbimento chimico. La pompa getter è sostanzialmente composta da una superficie composta da materiale fortemente reagente con le componenti del gas che si vuole eliminare; questa superficie viene scaldata a temperature elevate (da 750 a 1500 gradi in funzione del materiale) in modo da formare un film altamente reattivo sulla superficie. In questo modo le molecole di gas seguiranno il processo dell'adsorbimento chimico formando un legame molto forte con le molecole superficiali. Solitamente il materiale utilizzato è il titanio che oltre ad avere una bassa tensione di vapore si lega con molti tipi di gas presenti nell'aria (es. ossigeno, azoto, idrogeno) formando ossidi e nitruri che sono composti stabili. Questo tipo di pompa è efficace soltanto con i gas reattivi nei confronti del materiale di cui è composta la superficie di assorbimento inoltre, essendo l'adsorbimento di tipo chimico, sulla superficie può formarsi solo uno strato monomolecolare quindi la pompa satura velocemente e richiede rigenerazioni frequenti. La pompa getter richiede in serie una pompa meccanica che garantisca il prevuoto; oltre a questa in un sistema da vuoto è solitamente presente in parallelo alla pompa getter anche una pompa che elimini i gas residui che non reagiscono con quest'ultima (es. criopompe).

Criopompe

Una criopompa è una pompa che intrappola gas e vapori condensandoli su una superficie fredda. L’efficacia dipende dal punto di congelamento o di evaporazione dei gas da rimuovere rispetto alla temperatura della criopompa. Le criopompe utilizzano normalmente per il raffreddamento elio compresso. L’elio è infatti il gas con la più bassa temperatura di liquefazione. Una superficie sotto vuoto, connessa allo stadio più freddo di un compressore a ciclo chiuso ad elio, costituisce la pompa criogenica. La superficie di condensazione viene in genere mantenuta estesa per aumentare la velocità di aspirazione. Nel tempo, la superficie viene saturato dal gas condensato e quindi la velocità di pompaggio si annulla. La pompa mantiene i gas condensati fino a quando rimane fredda, ma non riesce più a condensare nuovo gas. Se il vuoto di partenza non è abbastanza basso, la saturazione avviene rapidamente per questa ragione queste pompe vengono utilizzate solo in alto o ultraalto vuoto. La criopompa è una pompa veloce e pulita nell’intervallo tra 10⁻³ e 10⁻⁹ mbar. Attualmente esistono dei refrigeratori compatti a due stadi a circuito chiuso con elio con un buon coefficiente di prestazione. Il primo stadio ha una temperatura tra i 60 e 80 K, mentre il secondo stadio funziona tra i 10 e i 20 K. Anche a queste temperature, i gas più leggeri, idrogeno ed elio, hanno una bassa efficienza di intrappolamento e quindi costituiscono le molecole predominanti nei sistemi di ultra alto vuoto. Poiché la maggior parte dei gas alla temperature di 10 K hanno tensioni di vapore inferiori a 10^-11 mbar tali pompe risultano estremanente efficaci per quasi tutti i gas (tranne elio e idrogeno). Per intrappolare tali gas più leggeri in uno stadio che precede la pompa criogenica, speso si usano delle pompe ad adsobimento, costituite da sostanze molto porose, cioè con un elevato rapporto superficie volume come la zeolite o il carbone attivo. Quando il materiale assorbente satura, l’efficacia dell’assorbimento diminuisce, ma può essere rigenerato riscaldandolo a bassa pressione. La riduzione dei costi degli impianti a ciclo chiuso rende sempre più diffuse questo tipo di pompe che richiedono limitata manutenzione e permettono di raggiungere alti vuoti con pochissimo inquinamento. In ogni caso il loro costo è maggiore delle pompe turbomolecolari a parità di velocità di aspirazione, ma permettono di raggiungere vuoti più spinti.

Bibliografia

• (EN) A. Chambers R. K. Fitch, B. S. Halliday, 2ª ed., IOP, 1998, Basic Vacuum Technology, ISBN 978-0750304955.
• (EN) J. F. O'Hanlon A User's Guide to Vacuum Technology, 2003, 3ª ed., Wiley, ISBN 978 0 471 27052 2.

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