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Un estudio experimental interno de Pfeiffer Vacuum defiende un enfoque innovador para el bombeo de sistemas de ultra alto vacío (UHV)

Nada, al parecer, a veces puede ser todo, al menos en la investigación científica de primera línea. El vacío ultraalto, en términos generales, la "nada" definida por el rango de presión que abarca de 10 a 7 mbar (hPa) a 10 a 12 mbar, es un buen ejemplo. UHV es un término general para un conjunto de tecnologías habilitadoras implementadas en todo tipo de esfuerzos de investigación fundamentales: desde aceleradores de partículas y detectores de ondas gravitacionales hasta experimentos de física de átomos fríos y microscopios de fuerza de barrido. Al mismo tiempo, las condiciones de UHV garantizan que los científicos puedan sondear (mediante fotones, electrones o iones) limpiar químicamente las superficies de las muestras sin adsorbatos no deseados, lo que también es un requisito imprescindible para las técnicas avanzadas de preparación y crecimiento de películas delgadas, -epitaxia de haz y deposición de láser pulsado.

Lo que todas estas aplicaciones tienen en común es la necesidad de un enfoque holístico para el diseño del sistema de vacío a fin de entregar y mantener de forma rutinaria el entorno UHV necesariamente enrarecido y extremo. En resumen, todo el sistema de vacío debe planificarse y configurarse a lo largo de múltiples coordenadas, de modo que la cámara de vacío, las bombas, los manómetros, las conexiones, la detección de fugas y el control de software se optimicen como parte de una infraestructura UHV unida, en lugar de serlo. tratados como componentes aislados.

Desafortunadamente, es más fácil decirlo que hacerlo. Acérquese un poco más y es evidente que los usuarios finales de vacío se enfrentan a una gran cantidad de opciones tecnológicas, todas ellas con sus propios pros y contras, cuando se trata de especificar los componentes básicos de un sistema UHV. Quizás lo más fundamental es que la selección de la configuración de bombeo óptima está lejos de ser sencilla, con la necesidad de sopesar los costos operativos/de capital, el consumo de energía, el tamaño y la huella, los intervalos de mantenimiento y los impactos ambientales (ruido/vibración).

Esa imagen se complica aún más por la multiplicidad de opciones con respecto a la combinación ideal de bomba principal (bomba captadora de iones versus bomba de sublimación de titanio versus bomba turbomolecular versus bomba criogénica) y bomba de respaldo (bomba de diafragma o bomba de paletas rotativas o bomba Roots multietapa) utilizada para generar UHV condiciones: en algunos casos a través de la evacuación rápida de la cámara de vacío, en otros a través de la adsorción de cualquier especie de gas persistente.

Ahora, un equipo de I+D de Pfeiffer Vacuum, un fabricante alemán de componentes y sistemas de vacío especializados, ha publicado los resultados de un estudio interno que señala el camino hacia configuraciones de bombeo más sencillas y económicas para diversas aplicaciones de investigación de UHV, ya sea en laboratorios de ciencia de superficie a pequeña escala o en los complejos aceleradores de instalaciones de ciencia grande. En resumen, los científicos de Pfeiffer Vacuum han demostrado que es posible generar rutinariamente condiciones de bajo UHV (del orden de 10−11 mbar) emparejando una turbobomba de alta relación de compresión (en este caso, la HiPace 300 H del proveedor) con una bomba adecuada. bomba de respaldo seco. La clave del avance es descubrir una forma efectiva de eliminar las especies de gas residual dominantes, principalmente hidrógeno, de la cámara de vacío durante la extracción al régimen UHV.

"La corriente inversa de hidrógeno frente a la dirección de bombeo de la turbobomba ha sido tradicionalmente el mayor factor limitante cuando se trata de alcanzar presiones UHV muy bajas", explica Andreas Schopphoff, jefe de I+D del segmento de mercado de Pfeiffer Vacuum. "Entonces, tan pronto como obtengamos una relación de compresión más alta, y a su vez reduzcamos ese efecto de flujo inverso, podremos generar presiones mucho más bajas que las que hemos logrado en el pasado".

El despliegue de turbobombas de alta relación de compresión de esta manera representa un beneficio mutuo para la innovación del sistema UHV, afirma Schopphoff. En particular, la inversión inicial y el costo de propiedad son favorables en comparación con los enfoques convencionales para la generación de UHV (por ejemplo, el uso de una bomba captadora de iones junto con una turbobomba, con esta última desplegada como bomba de respaldo). El nuevo enfoque también es mucho más simple en términos de implementación, mantenimiento de campo e intervalos de servicio (generalmente más de cuatro años). "Como tal, esta es una configuración de bombeo que se adaptará a los usuarios científicos que desean un sistema UHV que extraiga el vacío y sea 100 % confiable, el 100 % del tiempo", explica Schopphoff. "También es un interruptor para hacerlo todo, con un único controlador programable para accionar la turbobomba y la bomba de apoyo seco".

En su estudio experimental, el equipo de vacío de Pfeiffer utilizó una cámara de vacío a pequeña escala (500 mm de diámetro, 120 mm de alto) que se horneó durante siete días a 120 °C. Luego, los científicos evaluaron el rendimiento de UHV de la turbobomba HiPace 300 H (relación de compresión de hidrógeno ≥1×107) cuando se combinó con cuatro bombas de respaldo secas separadas (una bomba de paletas rotativas, una bomba Roots de etapas múltiples, así como una bomba de dos etapas y tres -bomba de diafragma de etapas). El lapso de tiempo para cada medición fue de un día, utilizando medidores de ionización de cátodo caliente y de cátodo frío para rastrear la evacuación de la cámara para cada par de bomba de respaldo/principal (consulte la Tabla 1).

"Para cámaras de vacío relativamente simples, como la que se encuentra aquí en nuestro laboratorio, descubrimos que incluso una bomba de diafragma pequeña es suficiente como bomba de respaldo en combinación con la HiPace 300 H", dice Schopphoff. Su equipo también llegó a la conclusión de que una bomba Roots multietapa (en este caso, la ACP 15 de Pfeiffer Vacuum) junto con la HiPace 300 H proporciona una combinación ideal de bomba de respaldo/bomba principal para generar condiciones de bajo UHV para cámaras de 100 L de capacidad o más.

"Esto es particularmente relevante en un contexto de gran ciencia", agrega Schopphoff, "donde los usuarios necesitan generar UHV en la tubería de vacío de un acelerador de partículas sin contaminación por partículas del sistema de bombeo". De hecho, para una configuración de acelerador, considera que la configuración óptima sería la HiPace 300 H emparejada con las bombas de apoyo Roots multietapas ACP 28 o ACP 40 de Pfeiffer Vacuum, ambas sin flúor y pueden funcionar con una conexión de cable extendida de hasta 120 m entre la electrónica de control y la ubicación de la bomba (para mantener la electrónica alejada de entornos de radiación hostiles).

En este momento, la prioridad para Schopphoff y sus colegas es educar a la base de clientes de I+D de Pfeiffer Vacuum sobre las ventajas de la generación de UHV utilizando turbobombas de alta relación de compresión, específicamente, la HiPace 300 H y su producto hermano, la HiPace 700 H (con compresión de hidrógeno). proporción ≥2×107). Los seminarios web de la compañía sobre el tema han sido bien recibidos por la comunidad de investigación, y la mayor parte del interés comercial hasta la fecha proviene de clientes de aspiradoras con sede en universidades.

"La HiPace 300 H es una muy buena opción de bombeo para UHV, pero todavía estamos tratando de mejorarla", señala Schopphoff. "En última instancia, nuestro trabajo es generar innovaciones de vacío que faciliten la vida de nuestros clientes de I+D. Esta es una solución que hace exactamente eso".