Vacuümbakken: het belang en de implementatie ervan 3 oktober 2019

De aanwezigheid van gasvormige moleculen, zowel langzaam als snel bewegend, geeft aanleiding tot druk. Een vacuüm wordt gecreëerd door het aantal moleculen in bijvoorbeeld een kamer of kolf te verminderen. Door echter het aantal moleculen dat druk uitoefent op het binnenoppervlak van een dergelijke kamer te verminderen, vermindert men de druk. Helaas komen hierdoor 'extra' moleculen in het spel.

Deze extra moleculen hebben twee hoofdbronnen: moleculen dicht bij het oppervlak die anders vast zouden komen te zitten of verstrikt raken in de microscopische ruwheid van het oppervlak; en moleculen die zijn ingebed in het binnenoppervlak van de kamer zelf en die uit de bulk naar het oppervlak 'permeeren' naarmate het vacuüm toeneemt en de opsluitdruk wordt verwijderd.

Alsof dit niet ingewikkeld genoeg was voor de vacuümtechnicus, zijn er andere bronnen van gasverontreiniging die in overweging moeten worden genomen. Dit omvat externe verontreinigingen zoals vingerafdrukken en het menselijke vet dat ze bevatten; reactieproducten; terugstroming van olie uit de pompen waarin ze zich bevinden in een vacuümatmosfeer; en de dampdruk van de vacuümcomponenten zelf, bijvoorbeeld afdichtingen.

Deze verschillende (en gecombineerde) bronnen van 'extra' moleculen voorkomen dat vacuümpompen gemakkelijk het vacuümniveau kunnen bereiken en handhaven dat ze op een tijdige en voorspelbare manier kunnen en moeten kunnen bereiken. De oplossingen zijn talrijk: ervoor zorgen dat het materiaal waaruit deze artikelen zijn gemaakt zo weinig mogelijk verontreinigingen bevat; ervoor zorgen dat latexstofvrije handschoenen worden gebruikt bij het monteren van componenten; dat oliebronnen (absoluut) worden geïsoleerd; dat rubber en plastic waar mogelijk worden vervangen door andere 'niet-moleculair producerende' materialen; en ten slotte dat de componenten worden 'gebakken'. 

Bakken omvat het verwarmen van voorwerpen (idealiter tot 300 – 400 ͦ C, als ultrahoog vacuüm (UHV) moet worden bereikt).

Pompfabrikanten specificeren echter meestal een maximale uitbaktemperatuur in de hoogvacuümpompflens van 120 ͦ C. Als er warmtebronnen (zoals stralingsverwarming) in de vacuümapparatuur worden gebruikt, mag het toegestane stralingsvermogen niet worden overschreden.

Bakprocedures voor het omgaan met moleculen die uit het oppervlak en onder het oppervlak (van bijvoorbeeld een kamer) komen, hangen af van de vereiste vacuümniveaus, het eindgebruik en het systeem zelf. Uitbakken uit de kamer om water en koolwaterstofresiduen te laten verdampen zou een voor de hand liggende uitzondering zijn. Als de kamer een bakbaar UHV-systeem met metalen afdichting is, moet het bakken van het systeem (met name in een ruwere pomp) de standaardpraktijk zijn.

O-ringafdichtingen hebben hun eigen soort problemen. De vacuümbaktemperatuur en de effectiviteit ervan worden beperkt door de temperatuurtolerantie van het O-ringmateriaal. Viton mag bijvoorbeeld niet boven 160 ͦ C worden gebakken, omdat het langzaam begint af te breken. Belangrijker nog, alle bakbare materialen (waar ze zich ook in het systeem bevinden) moeten thermisch vrij homogeen zijn, anders verzamelen koude plekken de verontreinigingen die moeten worden verwijderd.

Het spoelen van de kamer met heet gas, zoals stikstof, kan doeltreffend zijn bij het verwijderen van oppervlakteverontreinigingen. Als de stikstof door een schone gasverwarmer wordt geleid en gedurende maximaal 30 minuten langzaam door de kamer stroomt, worden verontreinigingen in de stroom opgevangen en via het uitlaatportaal uitgestoten. Voor elk systeem moeten echter tijd en temperaturen worden uitgewerkt. Hoewel deze stikstofreinigingsmethode vrij eenvoudig uit te voeren is, is ze slechts een gedeeltelijke oplossing voor hoogvacuümsystemen. 

Tot slot wordt in een wetenschappelijk artikel uit 1961 over bakken met behulp van turbomoleculaire pompen (TMP's) voor het CERN-project vermeld dat "het afpompen met behulp van TMP's twee tot drie weken duurt, voornamelijk door het uitgassen van de vele lagen superisolatie in het cryostatische isolatievacuüm". Dit is echter een uitzonderlijk geval en in de meeste toepassingen worden afpompingen die dagen in plaats van weken duren aanvaardbaarder geacht.