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Come funzionano le pompe di assorbimento?

Il termine "pompe di assorbimento" comprende tutte le configurazioni per la rimozione di gas e vapori da uno spazio mediante mezzi di assorbimento. Le particelle di gas pompate si legano quindi alle superfici o all'interno di questi agenti grazie a forze di assorbimento fisiche dipendenti dalla temperatura (forze di van der Waals), assorbimento chimico, adsorbimento o vengono incorporate durante la formazione continua di nuove superfici assorbenti. Confrontando i relativi principi operativi, possiamo distinguere tra pompe di assorbimento, in cui l'assorbimento dei gas avviene semplicemente tramite processi di assorbimento a temperatura controllata e pompe getter, in cui l'assorbimento e la ritenzione dei gas sono essenzialmente causati dalla formazione di composti chimici. Il gettering è il legame dei gas con superfici pure, principalmente metalliche, ricoperte da strati di ossido o carburo. Tali superfici si formano sempre durante la realizzazione, l'installazione o lo spurgo del sistema. Superfici getter di massima purezza principalmente metalliche vengono generate di continuo, direttamente nel vuoto per evaporazione (pompe con evaporatore) o mediante polverizzazione (sputtering) (pompe a polverizzazione) oppure lo strato superficiale di passivazione del getter (metallo) viene rimosso degasando il vuoto, in modo che il materiale puro sia esposto al vuoto. Questa fase è chiamata attivazione (pompe NEG NEG = getter non evaporabile).

Principio di funzionamento delle pompe di assorbimento

Le pompe di assorbimento (vedere la Fig. 2.59) lavorano secondo il principio dell'adsorbimento fisico dei gas sulla superficie di setacci molecolari o di altri materiali adsorbenti (ad es. Al2O3) attivati. La zeolite 13X viene spesso utilizzata come materiale di adsorbimento. Questo aluminosilicato alcalino presenta una superficie per massa di materiale estremamente ampia, circa 1.000 m2/g di sostanza solida. Di conseguenza, la sua capacità di trattenere gas è considerevole. 

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Fig. 2.59 Sezione trasversale di una pompa di assorbimento che ne mostra la struttura.

  1. Luce d'ingresso
  2. Luce di degasaggio
  3. Supporto
  4. Corpo della pompa
  5. Palette termoconduttive
  6. Materiale di assorbimento (ad es. zeolite)

 Il diametro dei pori della zeolite 13X è di circa 13 Å, entro l'ordine di grandezza delle molecole di vapore acqueo, di vapore d'olio e delle molecole di gas più grandi (circa 10 Å). Supponendo che il diametro molecolare medio sia la metà di questo valore, 5  · 10-8 cm, circa 55  · 1018 molecole vengono adsorbite in un monostrato su una superficie di 1 m2. Per le molecole di azoto con una massa molecolare relativa Mr = 28, questo corrisponde a circa 2  · 10-4g o 0,20 mbar  · l . Pertanto, una superficie di adsorbimento di 1.000 m2 è in grado di assorbire uno strato monomolecolare in cui si legano più di 133 mbar · l di gas. 

L'idrogeno e i gas nobili leggeri, come elio e neon, hanno un diametro delle particelle relativamente ridotto rispetto alle dimensioni dei pori di 13 Å della zeolite 13X. Questi gas sono pertanto scarsamente adsorbiti. 

In che modo calore e pressione influiscono sull'adsorbimento dei gas

L'assorbimento dei gas sulle superfici dipende non solo dalla temperatura, ma soprattutto dalla pressione che agisce sulla superficie di assorbimento. La dipendenza è rappresentata graficamente per alcuni gas dalle isoterme di assorbimento riportate nella Fig. 2.60. In pratica, le pompe di assorbimento sono collegate al serbatoio da evacuare attraverso una valvola. È l'immersione del corpo della pompa in azoto liquido a rendere tecnicamente utile l'effetto di assorbimento. A causa delle diverse proprietà di assorbimento, la velocità di pompaggio e la pressione finale di una pompa di assorbimento sono diverse per le differenti molecole di gas: i valori migliori si ottengono per azoto, anidride carbonica, vapore acqueo e vapori di idrocarburi. I gas nobili non vengono quasi pompati poiché il diametro delle particelle è ridotto rispetto ai pori della zeolite. Quando l'effetto assorbimento diminuisce a causa della maggiore copertura delle superfici in zeolite, la velocità di pompaggio diminuisce con un numero crescente di particelle già assorbite. La velocità di pompaggio di una pompa di assorbimento dipende quindi dalla quantità di gas già pompata e, pertanto, non è costante nel tempo. 

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Fig 2.60 Isoterme di assorbimento della zeolite 13X per azoto a -195 °C (-319 °F) e a 20 °C (68 °F) e per elio e neon a -195 °C (-319 °F).

La pressione finale ottenibile con le pompe di assorbimento è determinata in primo luogo dai gas che prevalgono nel serbatoio all'inizio del processo di pompaggio e che sono scarsamente o affatto assorbiti (ad es. neon o elio) sulla superficie di zeolite. Nell'aria atmosferica, sono presenti alcune parti per milione di questi gas. Pertanto, è possibile ottenere pressioni < 10-2 mbar. 

Se sono previste esclusivamente pressioni inferiori a 10-3 mbar con pompe di assorbimento, nella miscela di gas non devono essere presenti, per quanto possibile, neon o elio. 

Dopo un processo di pompaggio, è sufficiente riscaldare la pompa a temperatura ambiente affinché i gas assorbiti vengano rilasciati e la zeolite venga rigenerata per il successivo riutilizzo. Se è stata pompata aria (o un gas umido) contenente una grande quantità di vapore acqueo, si consiglia di far asciugare completamente la pompa per alcune ore a una temperatura di 200 °C (392 °F) o superiore. 

Per svuotare serbatoi di grandi dimensioni, vengono utilizzate più pompe di assorbimento collegate in parallelo o in serie. Per prima cosa, la pressione viene ridotta da quella atmosferica a pochi millibar entro la prima fase al fine di "catturare" molte molecole di gas nobili come elio e neon. Dopo che le pompe di questa fase sono state saturate, le relative valvole vengono chiuse e viene aperta una valvola precedentemente chiusa verso un'altra pompa di assorbimento ancora pulito, in modo che questa possa svuotare la camera a vuoto al livello di pressione inferiore successivo. Questa procedura può continuare fino a quando non è possibile migliorare ulteriormente la pressione finale aggiungendo ulteriori pompe di assorbimento pulite. 

Cosa sono le pompe a sublimazione?

Le pompe a sublimazione sono pompe di assorbimento in cui un materiale getter viene evaporato e depositato su una parete interna fredda sotto forma di pellicola getter. Sulla superficie di tale pellicola getter, le molecole di gas formano composti stabili, con una pressione del vapore incredibilmente bassa. La pellicola getter attiva viene rinnovata con successive evaporazioni. Generalmente, nelle pompe di sublimazione, come getter viene utilizzato il titanio. Il titanio evapora da un filo realizzato in una lega speciale ad alto contenuto di titanio, riscaldato da una corrente elettrica. Sebbene, nella pratica, sia raramente possibile ottenere la capacità di assorbimento ottimale (circa un atomo di azoto per ogni atomo di titanio evaporato), le pompe a sublimazione di titanio hanno una velocità di pompaggio straordinariamente elevata per i gas attivi che quindi, in particolare all'avvio dei processi o con il rapido sviluppo di grandi quantità di gas, possono essere rapidamente eliminati. Poiché le pompe a sublimazione funzionano come pompe ausiliarie (booster) di pompe ioniche e alle pompe turbomolecolari, la loro installazione è spesso indispensabile (come "booster" nelle pompe a eiettore di vapore; per ulteriori informazioni, vedere la pagina sulle pompe a diffusione d'olio).

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