Alto vuoto, ultra alto vuoto e alto vuoto estremo: principi fondamentali

Solo esaminando le differenze (a livello molecolare) tra i vari livelli di vuoto è possibile iniziare ad apprezzare le sfide legate al raggiungimento e alla gestione dell'alto vuoto (HV), dell'ultra alto vuoto (UHV) e dell'alto vuoto estremo (XHV).

In condizioni di vuoto medio e basso, la principale fonte di gas proviene dal gas "sfuso" o dal gas originale, mentre nell'HV e UHV il carico di gas è dominato dal degasaggio dovuto al desorbimento dei gas superficiali. Nell'XHV la maggior parte del carico deriva dalla permeazione dei gas dalle pareti della camera e da altri materiali.

Quali sono le definizioni di alto vuoto, ultra alto vuoto e alto vuoto estremo?

L'intervallo di pressione dell'XHV è solitamente definito come 10^-12 mbar o inferiore, mentre l'UHV è compreso tra 10^-7 e 10^-12 mbar e l'HV tra 10^-7 e 10^-3 mbar. L'XHV è associato ai livelli di vuoto presenti nello spazio sotto forma di satelliti geostazionari orbitanti, l'UHV alla fisica delle alte energie e alla ricerca nucleare e l'HV alle applicazioni industriali e di ricerca.

Come ci si potrebbe aspettare, le norme, le regole e i protocolli stabiliti che definiscono e regolano i fattori e le questioni legate al vuoto, come la modalità di ottenimento di tali livelli di vuoto, la configurazione della pompa, le misure di sicurezza, i metodi di misurazione e il rilevamento delle perdite, devono essere tutti attentamente riesaminati e spesso riprogettati.

Considerazioni chiave per lavorare in condizioni di HV, UHV e XHV

Diverse considerazioni chiave per lavorare in condizioni di HV, UHV e XHV sono associate alla progettazione del sistema, inclusi i materiali utilizzati.

Inoltre, anche le condizioni della superficie del sistema/camera sono importanti e possono essere ottimizzate tramite:

la riduzione al minimo dell'area della superficie interna della camera
la saldatura solo dall'interno
l’utilizzo di materiali con bassi tassi di desorbimento/degasaggio
il pretrattamento idoneo dei materiali (ad es. elettrolucidatura)
l'accertamento dell'assenza di spazi interni o volumi intrappolati (ad es. fori ciechi filettati)
la riduzione del numero di guarnizioni, passanti, ecc.
e l'impiego di sigilli metallici

Il pretrattamento del sistema è importante e include il riscaldamento ad alta temperatura (noto come "cottura"), una manipolazione attenta utilizzando guanti in lattice privi di polvere per evitare l'ingrassaggio delle impronte digitali e una pulizia accurata per rimuovere idrocarburi, otturazioni e altri contaminanti (sia chimici che fisici).

Quali tipi di pompa è possibile utilizzare per generare l'HV, l'UHV e l'XHV?

Il raggiungimento dei livelli di HV, UHV e XHV può essere ottenuto in modo efficace ed efficiente solo utilizzando una pompa di prevuoto che alimenta la pompa principale. Le pompe di prevuoto (chiamate a volte "pompe di supporto") riducono la pressione a un livello tale da consentire alle pompe per HV, UHV e XHV di assumere il controllo per funzionare in modo sicuro, efficiente ed efficace. Tuttavia, abbinare diversi tipi di pompe per vuoto per ottenere prestazioni ottimali non è semplice. Non esistono sistemi di pompaggio pronti all'uso che coprano tutte le applicazioni, le eventualità e i requisiti contemporaneamente, in quanto è necessario considerare una moltitudine di fattori e impatti critici.

La scelta della pompa (sia di prevuoto che principale) dipende da una serie di fattori tra cui il rumore/le vibrazioni, il costo (iniziale e continuo), la tolleranza alla contaminazione, l'ingombro, i programmi di manutenzione, la resistenza agli urti, ecc. Tuttavia, non esiste una singola pompa ideale per l'HV, l'UHV o l'XHV: ogni modello ha i propri vantaggi e svantaggi.

Come si misura l'alto vuoto, l'ultra alto vuoto e l'alto vuoto estremo

Per quanto riguarda la misurazione delle pressioni di HV, UHV e XHV, i tradizionali manometri e vacuometri non sono adatti a causa dell'effetto di degasaggio discusso in precedenza. Di conseguenza, vengono utilizzati invece vacuometri a ionizzazione: questi utilizzano la probabilità di ionizzazione del gas per determinare la densità del numero di particelle. Ne esistono di due tipi: vacuometri di ionizzazione a catodo freddo e caldo.

Rilevamento di perdite in condizioni di alto vuoto, ultra alto vuoto e alto vuoto estremo

Nessun dispositivo o sistema per vuoto può essere completamente a tenuta di vuoto e non deve necessariamente esserlo. L'importante è che il tasso di perdita sia sufficientemente basso da non influire eccessivamente sulla pressione di esercizio, sull'equilibrio del gas e sulla pressione finale nel contenitore a vuoto. In termini di HV, XHV e UHV, sono le piccole perdite a destare maggiore preoccupazione e l'unico metodo affidabile per rilevare perdite inferiori a 10^-7 mbar.l/s è l'uso di un rilevatore di perdite di elio (HLD).

Un diametro equivalente di perdita di 10^-12 mbar.l/s (che equivale a 1Å) è anche il diametro di una molecola di elio ed è il tasso di perdita più basso che può essere rilevato. Questa associazione con l'elio è una delle ragioni per cui uno dei metodi più accurati e rapidi di rilevamento delle perdite impiega l'elio come gas tracciante e uno spettrometro di massa per l'analisi e la misurazione.