Werkingsprincipes van hoog- en ultrahoogvacuümpompen 15 januari 2021

Hoogvacuüm- (HV) en ultrahoogvacuümniveaus (UHV) kunnen alleen effectief en efficiënt worden bereikt door een hoofdpomp te gebruiken die over de functionele mogelijkheden beschikt. De keuze van de te gebruiken pomp hangt af van een aantal factoren, zoals geluid/trillingen, kosten (initiële en voortdurende), tolerantie voor verontreiniging, voetafdruk, onderhoudsschema's en schokbestendigheid. 

In deze blogpost onderzoeken we de werkingsprincipes van HV- en UHV-pompen om u te helpen een weloverwogen beslissing te nemen. 

Turbomoleculaire pompen (TMP's) zijn kinetische eenheden die gebruik maken van een snel draaiende rotor (meestal tussen 24.000 en 90.000 tpm). Hun werkonderdelen lijken op een turbine met meerdere schoepen, met paren rotor-/statortrappen langs de as.

TMP's brengen de hogesnelheidsinslag van hun schoepen rechtstreeks over op gasmoleculen, waardoor de beweging van deze moleculen verandert en ze naar de 'uitgang' van de pomp worden 'geduwd'. Zoals de naam al aangeeft, werken TMP's doorgaans in het moleculaire stroombereik tussen 10-3 en 10-11 mbar. In combinatie met een sleeppompmechanisme kan dit bereik worden uitgebreid tot 10-2 mbar. Aangezien ze niet kunnen samendrukken tegen atmosferische druk, hebben alle TMP's geschikte hulppompen nodig. Veelvoorkomende hulppompen zijn draaischuifpompen of droge pompen zoals scroll- of meertrapsrootspompen.

Er zijn verschillende lagerconcepten voor TMP's, waarvan de meest voorkomende:

• Volledig actief (5-assig) magnetisch zwevend lagerontwerp 
• Alle mechanische lagerontwerpen
• Combinatie van passief magnetisch en mechanisch lagerontwerp

Ionengetterpompen (ook wel sputterionenpompen of ionenpompen genoemd) produceren UHV zonder de hulp van bewegende onderdelen of kleppen. Initieel pompen – gewoonlijk beheerd door een combinatie van turbomoleculaire pompen – wordt gebruikt om het bulkgas te verwijderen totdat het vacuüm daalt tot ongeveer 10-4 mbar of lager.

Na het verwijderen van het bulkgas wordt er een hoge spanning (tussen 4.000 en 7.000 volt) toegepast door de elementconstructie. Dit 'trekt' elektronen in de cilindrische anodebuisconstructie. De elektronen worden in nauwe spiraalbanen gebonden door een permanente magneet (met een veldsterkte van 0,12 Tesla) die zich buiten de vacuümkamer bevindt, waardoor een plasmaontlading ontstaat.

De gecreëerde ionen bombarderen vervolgens de titaniumkathodeplaat en het verpompen van moleculaire/gasionen kan plaatsvinden door implantatie (fysisorption). De bombardementen veroorzaken het sputteren van titaniumatomen uit het kathoderaster, wat resulteert in afzettingen op omliggende oppervlakken van gesputterde film. Deze film produceert pompen via gettering (d.w.z. chemisorptie van gasmoleculen).

Cryopompen werken door gassen op koude oppervlakken te condenseren of te absorberen. De vereiste lage temperaturen worden doorgaans geleverd door een tweetraps koude kop, waarbij de eerste trap meestal temperaturen bereikt tussen 50 en 80 K bij de cryopanelen en ongeveer 10 K bij de tweede trap.

Een thermisch stralingsscherm met de baffle is nauw verbonden met de eerste trap van de koude kop, waar voornamelijk H20 en CO2 worden gecondenseerd. De resterende gassen dringen door de baffle, waar gassen zoals N2, O2 of Ar in de tweede fase condenseren. H2, He en Ne kunnen niet door de cryopanelen worden gepompt, maar worden geadsorbeerd door de actieve koolstof die aan de binnenkant van de cryopanelen die aan de tweede trap zijn bevestigd, is gecoat. Het belangrijkste voordeel van een cryopomp is de hoge pompefficiëntie, waardoor de pompsnelheid voor waterdamp toeneemt.

Diffusiepompen gebruiken een hogesnelheidsstoomstraal om gasmoleculen van de pomphals naar de onderkant van de pomp en uit de uitlaat te leiden. Diffusiepompen produceren drukken van < 10-7 mbar, waardoor ze ideaal zijn voor zowel industrieel als onderzoeksgebruik.

Diffusiepompen werken met een olie met een lage dampdruk, meestal siliconenolie of polyfenylethers. Een hogesnelheidsstraal wordt gegenereerd door deze olie te koken en de stoom door een straalmondstuk te leiden, waar de gasstroom verandert van laminair naar supersonisch en moleculair, waarbij vaak meerdere stralen in serie worden gebruikt. De buitenkant van de diffusiepomp wordt gekoeld met behulp van een luchtstroom of een watermantel. Wanneer de stoomstraal de buitenste, gekoelde kamer van de pomp raakt, condenseert de stoom en wordt hij teruggewonnen voordat hij terug naar de ketel wordt geleid.

Diffusiepompen hebben geen bewegende onderdelen en zijn duurzaam en betrouwbaar. Een groot nadeel van diffusiepompen is echter de neiging om olie terug te stromen in de vacuümkamer. Dit kan leiden tot koolstof- of silicaatachtige afzettingen. Vanwege deze terugstroming zijn oliediffusiepompen niet geschikt voor zeer gevoelige analytische apparatuur of andere toepassingen die een extreem schone vacuümomgeving vereisen (hoewel baffles kunnen worden gebruikt om dit effect te beperken).

Naast de voor- en nadelen van bepaalde typen HV- en UHV-pompen zijn er enkele bijkomende effecten die in overweging moeten worden genomen. Bij het selecteren van de meest geschikte pomptechnologie moet u rekening houden met zowel de mogelijke impact van het proces op de pomp als omgekeerd.