Micro e nanotecnologia/Microtecnologia/Il vuoto/Pompe da vuoto: differenze tra le versioni

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Le pompe da vuoto possono essere catalogate in tre categorie:
* ''pompe a spostamento'' di parete: tali pompe usano un meccanismo meccanico per espandere ciclicamente una cavità, permettono al gas di affluire dalla camera da vuoto, uno volta aspirato la cavità viene sigillata, il gas compresso ed espulso verso l'atmosfera. Esempio di tali ompepompe sono le rotative e le roots:
**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 delle camere crea depressioni (fase di aspirazione) e compressioni dell'aria (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 espulsi dal manicotto di scarico.<br/>Le pompe rotative raggiungono pressioni di <math>10^{-3}</math> mbar con una velocità di pompaggio di <math>200 m^3/h</math>.<br/>Lo svantaggio di questo tipo di pompe è la presenza di olio che causa la contaminazione dell'aria presente nella camera da vuoto. Soluzioni a questo problema sono l'utilizzo di pompe rotative a secco, che però hanno minore portata, e trappole ad azoto liquido connesse in serie alla pompa per bloccare i vapori d'olio.
[[File:Pompa rotativa.png|right|thumb|300px|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]]
**Le pompe '''roots''' sono composte da una camera ovale in cui sono alloggiati due pistoni che si muovono in direzioni opposte. Questo tipo di pompe 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.<br/>Le pompe roots possono raggiungere pressioni inferiori a <math>10^{-3}</math> mbar con una grande portata. A causa della scarsa tenuta, però, non è in grado di superare differenze di pressione troppo elevate per questo è sempre presente in serie una pompa rotativa.
* ''pompe a trasferimento di quantità di moto'', dette anche ''pompe molecolari'', tali pompe usano jet di fluidi densi ad alta velocità o lame rotanti ad elevata velocità in maniera tale da imprimere un grande impulso alle molecole di gas. Esempio di tali dispositivi sono le pompe a diffusione e le pompe turbomolecolari.
**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 poi 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'accelerazione 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 impattano 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 <math>\frac {p_2}{p_1}=e^{\rho v \frac{L}{D}}\ </math> dove <math>\rho</math> 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. In definitiva la pompa a diffusione è poco efficace nell'estrarre gas molto leggeri come l'elio.
[[File:Pompa a diffusione.png|right|thumb|300px|Pompa a diffusione]]
* ''pompe ad intrappolamento'' che catturano i gas residui in un solido o su una superficie assorbente. Esempio sono le '''criopompe''', i '''getter''' e le '''pompe ioniche'''.
 
[[Image:Rotary_lobe.png|thumb|300px|Sezione di una pompa roots; si vedono i lobi che ruotando comprimono il gas]]
[[Image:Cut_through_turbomolecular_pump.jpg |thumb|300px|Sezione di una pompa turbomolecolare]]
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