Alto

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

Nada, ao que parece, às vezes pode ser tudo – pelo menos na linha de frente da pesquisa científica. Vácuo ultraalto – amplamente o "nada" definido pela faixa de pressão que vai de 10 a 7 mbar (hPa) a 10 a 12 mbar – é um exemplo. UHV é um termo abrangente para um conjunto de tecnologias capacitadoras implantadas em todos os tipos de empreendimentos de pesquisa fundamentais: de aceleradores de partículas e detectores de ondas gravitacionais a experimentos de física de átomo frio e microscópios de força de varredura. Ao mesmo tempo, as condições de UHV garantem que os cientistas sejam capazes de sondar – usando fótons, elétrons ou íons – superfícies de amostras quimicamente limpas, livres de quaisquer adsorbatos indesejados – também um requisito obrigatório para técnicas avançadas de crescimento e preparação de filmes finos, como -epitaxia de feixe e deposição de laser pulsado.

O que todas essas aplicações têm em comum é a necessidade de uma abordagem holística para o 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 várias coordenadas, de modo que a câmara de vácuo, bombas, medidores de pressão, conexões, detecção de vazamento e 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 dizer do que fazer. Aproxime-se um pouco mais e fica evidente que os usuários finais de vácuo são confrontados com muitas opções de tecnologia – todas elas com seus próprios prós e contras – quando se trata de especificar os principais blocos de construção de um sistema UHV. Talvez o mais fundamental seja que a seleção da configuração de bombeamento ideal está longe de ser direta, com a necessidade de avaliar custos de capital/operacionais, consumo de energia, tamanho e pegada, intervalos de manutenção e impactos ambientais (ruído/vibração).

Essa imagem é ainda mais complicada 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, um fabricante alemão de sistemas e componentes de vácuo especializados, 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 ciência de superfície de pequena escala ou complexos de aceleradores de grandes instalações científicas. Em suma, os cientistas da Pfeiffer Vacuum mostraram que é possível gerar rotineiramente condições de baixa UHV (da ordem de 10−11 mbar) emparelhando uma turbobomba de alta taxa de compressão (neste caso, a HiPace 300 H do fornecedor) com um bomba de apoio seco. A chave para o avanço é descobrir uma maneira eficaz de remover as espécies de gás residual dominantes – principalmente hidrogênio – da câmara de vácuo durante a redução para o regime UHV.

"O refluxo de hidrogênio versus 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. "Assim que obtemos uma taxa de compressão mais alta - e, por sua vez, reduzimos o efeito de retorno - somos capazes de gerar pressões muito mais baixas do que conseguimos no passado."

A implantação de turbobombas de alta taxa de compressão representa uma vantagem para a inovação do sistema UHV, afirma Schopphoff. Mais notavelmente, o investimento inicial e o custo de propriedade são favoráveis ​​quando comparados com as abordagens convencionais para geração UHV (por exemplo, o uso de uma bomba coletora de íons em conjunto com uma turbobomba, com a 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 puxe o vácuo e seja 100% confiável, 100% do tempo", explica Schopphoff. "Também é um interruptor para fazer tudo, com um único controlador programável para acionar a turbobomba e a bomba de apoio a seco."