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Uno studio sperimentale interno di Pfeiffer Vacuum dimostra la necessità di un approccio innovativo al pump-down dei sistemi ad ultraalto vuoto (UHV)

A quanto pare, a volte nulla può essere tutto, almeno nella ricerca scientifica di prima linea. Il vuoto ultraelevato – in generale il “nulla” definito dall’intervallo di pressione che va da 10−7 mbar (hPa) a 10−12 mbar – è un esempio calzante. UHV è un termine generico per una serie di tecnologie abilitanti impiegate in tutti i tipi di attività di ricerca fondamentale: dagli acceleratori di particelle e rilevatori di onde gravitazionali agli esperimenti di fisica degli atomi freddi e ai microscopi a scansione di forza. Allo stesso tempo, le condizioni UHV garantiscono che gli scienziati siano in grado di sondare, utilizzando fotoni, elettroni o ioni, superfici del campione chimicamente pulite e prive di adsorbiti indesiderati, un requisito indispensabile anche per le tecniche avanzate di crescita e preparazione di film sottili come la crescita molecolare -epitassia a fascio e deposizione laser pulsato.

Ciò che tutte queste applicazioni hanno in comune è la necessità di un approccio olistico alla progettazione dei sistemi di vuoto al fine di fornire – e mantenere – regolarmente l’ambiente UHV necessariamente rarefatto ed estremo. In breve, l’intero sistema del vuoto deve essere pianificato e configurato lungo molteplici coordinate in modo che la camera del vuoto, le pompe, i manometri, le connessioni, il rilevamento delle perdite e il controllo software siano tutti ottimizzati come parte di un’infrastruttura UHV connessa, piuttosto che essere trattati come componenti isolati.

Sfortunatamente, è più facile a dirsi che a farsi. Zoomando un po' più da vicino è evidente che gli utenti finali del vuoto si trovano di fronte a numerose opzioni tecnologiche – tutte con i propri pro e contro – quando si tratta di specificare gli elementi costitutivi principali di un sistema UHV. Forse la cosa più importante è che la scelta della configurazione di pompaggio ottimale è tutt’altro che semplice, poiché occorre valutare i costi operativi/di capitale, il consumo energetico, le dimensioni e l’ingombro, gli intervalli di manutenzione e gli impatti ambientali (rumore/vibrazioni).

Questo quadro è ulteriormente complicato dalla molteplicità di scelte riguardanti la combinazione ideale di pompa principale (pompa getter di ioni rispetto a pompa di sublimazione in titanio rispetto a pompa turbomolecolare rispetto a criopompa) e pompa di supporto (pompa a membrana o pompa rotativa a palette o pompa Roots multistadio) utilizzata per generare UHV condizioni – in alcuni casi tramite una rapida evacuazione della camera a vuoto, in altri tramite l’adsorbimento di qualsiasi specie di gas persistente.

Ora, un team di ricerca e sviluppo di Pfeiffer Vacuum, un produttore tedesco di sistemi e componenti specializzati per il vuoto, ha pubblicato i risultati di uno studio interno che indica la strada verso configurazioni di pompaggio più semplici ed economiche per diverse applicazioni di ricerca UHV, sia che si tratti di nei laboratori di scienze delle superfici su piccola scala o nei complessi di acceleratori delle grandi strutture scientifiche. In breve, gli scienziati di Pfeiffer Vacuum hanno dimostrato che è possibile generare regolarmente condizioni di basso UHV (dell'ordine di 10−11 mbar) accoppiando una turbopompa ad alto rapporto di compressione (in questo caso la HiPace 300 H del fornitore) con un idoneo pompa di supporto a secco. La chiave per questa svolta è trovare un modo efficace per rimuovere la specie di gas residuo dominante – principalmente l’idrogeno – dalla camera a vuoto durante l’abbassamento al regime UHV.

"Il flusso inverso dell'idrogeno rispetto alla direzione di pompaggio della turbopompa è stato tradizionalmente il principale fattore limitante quando si tratta di raggiungere pressioni UHV molto basse", spiega Andreas Schopphoff, responsabile del segmento di mercato R&S presso Pfeiffer Vacuum. "Quindi, non appena otteniamo un rapporto di compressione più elevato, e di conseguenza riduciamo l'effetto di backstreaming, siamo in grado di generare pressioni molto inferiori rispetto a quelle che abbiamo gestito in passato."

L’impiego di turbopompe ad alto rapporto di compressione in questo modo rappresenta un vantaggio per l’innovazione del sistema UHV, afferma Schopphoff. In particolare, gli investimenti iniziali e i costi di proprietà sono favorevoli se confrontati con gli approcci convenzionali alla generazione UHV (ad esempio, l’uso di una pompa getter di ioni in tandem con una turbopompa, con quest’ultima utilizzata come pompa di supporto). Il nuovo approccio è anche molto più semplice in termini di implementazione, manutenzione sul campo e intervalli di assistenza (in genere superiori a quattro anni). "In quanto tale, si tratta di una configurazione di pompaggio adatta agli utenti scientifici che desiderano un sistema UHV in grado di generare il vuoto e che sia affidabile al 100%, il 100% delle volte", spiega Schopphoff. "È anche possibile fare tutto con un unico interruttore, con un unico controller programmabile per azionare la turbopompa e la pompa di supporto a secco."