Alto

Um estudo experimental interno da Pfeiffer Vacuum defende uma abordagem inovadora para o bombeamento de sistemas de ultra-alto vácuo (UHV)

Ao que parece, nada pode por vezes ser tudo – pelo menos na investigação científica de primeira linha. O vácuo ultra-alto – amplamente o “nada” definido pela faixa de pressão que vai de 10 a 7 mbar (hPa) a 10 a 12 mbar – é um exemplo disso. UHV é um termo abrangente para um conjunto de tecnologias facilitadoras implantadas em todos os tipos de empreendimentos de pesquisa fundamental: desde aceleradores de partículas e detectores de ondas gravitacionais até experimentos de física de átomos frios e microscópios de força de varredura. Ao mesmo tempo, as condições UHV garantem que os cientistas sejam capazes de sondar – usando fótons, elétrons ou íons – superfícies de amostras quimicamente limpas e livres de quaisquer adsorbatos indesejados – também um requisito obrigatório para técnicas avançadas de crescimento e preparação de filmes finos, como moleculares. epitaxia de feixe e deposição de laser pulsado.

O que todas essas aplicações têm em comum é a necessidade de uma abordagem holística ao projeto do sistema de vácuo, a fim de fornecer rotineiramente – e manter – o ambiente UHV necessariamente rarefeito e extremo. Em suma, todo o sistema de vácuo precisa ser planejado e configurado ao longo de múltiplas coordenadas, de modo que a câmara de vácuo, as bombas, os manômetros, as conexões, a detecção de vazamentos e o controle de software sejam todos otimizados como parte de uma infraestrutura UHV unida, em vez de serem tratados como componentes isolados.

Infelizmente, é mais fácil falar do que fazer. Aproxime-se um pouco mais e fica evidente que os usuários finais de vácuo são confrontados com inúmeras opções tecnológicas – todas elas com seus próprios prós e contras – quando se trata de especificar os principais componentes de um sistema UHV. Talvez o mais fundamental seja o facto de a seleção da configuração de bombagem ideal estar longe de ser simples, com a necessidade de ponderar custos de capital/operacionais, consumo de energia, tamanho e pegada, intervalos de manutenção e impactos ambientais (ruído/vibração).

Esse quadro é ainda mais complicado pela multiplicidade de escolhas em relação à combinação ideal de bomba principal (bomba coletora de íons versus bomba de sublimação de titânio versus bomba turbomolecular versus bomba criogênica) e bomba de apoio (bomba de diafragma ou bomba de palhetas rotativas ou bomba Roots multiestágio) usada para gerar UHV condições – em alguns casos através da evacuação rápida da câmara de vácuo, em outros através da adsorção de qualquer espécie de gás remanescente.

Agora, uma equipe de P&D da Pfeiffer Vacuum, fabricante alemã de sistemas e componentes especializados em vácuo, publicou os resultados de um estudo interno que aponta o caminho para configurações de bombeamento mais simples e econômicas para diversas aplicações de pesquisa UHV - seja em laboratórios de ciências de superfície de pequena escala ou em complexos aceleradores de grandes instalações científicas. Resumindo, os cientistas da Pfeiffer Vacuum demonstraram que é possível gerar rotineiramente condições de baixo UHV (da ordem de 10-11 mbar) emparelhando uma turbobomba de alta taxa de compressão (neste caso, o HiPace 300 H do fornecedor) com um adequado bomba de apoio a seco. A chave para o avanço é descobrir uma forma eficaz de remover as espécies de gases residuais dominantes – principalmente hidrogénio – da câmara de vácuo durante a redução para o regime UHV.

“O refluxo do hidrogênio versus a direção de bombeamento da turbobomba tem sido tradicionalmente o maior fator limitante quando se trata de atingir pressões UHV muito baixas”, explica Andreas Schopphoff, chefe de P&D do segmento de mercado da Pfeiffer Vacuum. “Portanto, assim que obtivermos uma taxa de compressão mais alta – e, por sua vez, reduzirmos o efeito de refluxo – seremos capazes de gerar pressões muito mais baixas do que conseguimos no passado.”

A implantação de bombas turbo de alta taxa de compressão desta forma representa uma vantagem mútua para a inovação do sistema UHV, afirma Schopphoff. Mais notavelmente, o investimento inicial e o custo de propriedade são favoráveis ​​quando comparados com abordagens convencionais para a geração de UHV (por exemplo, o uso de uma bomba coletora de íons em conjunto com uma turbobomba, sendo esta última implantada como bomba de apoio). A nova abordagem também é muito mais simples em termos de implementação, manutenção em campo e intervalos de serviço (normalmente superiores a quatro anos). “Como tal, esta é uma configuração de bombeamento adequada aos usuários científicos que desejam um sistema UHV que extraia o vácuo e seja 100% confiável, 100% do tempo”, explica Schopphoff. “É também um interruptor para fazer tudo, com um único controlador programável para acionar a turbobomba e a bomba de apoio a seco.”