Cosa si intende per vuoto?
La pressione è una grandezza derivata data dal rapporto tra la componente perpendicolare della forza rispetto alla superficie di applicazione e l’area della superficie stessa. A seconda che sia espressa in riferimento ad una pressione nulla (pari a zero), o a quella atmosferica, la pressione viene classificata come assoluta o relativa. La pressione assoluta può assumere solo valori positivi, laddove quella relativa può assumere anche valori negativi. Chiamo vuoto una qualsiasi regione di spazio in cui la pressione registrata è inferiore a quella atmosferica normale. La pressione atmosferica normale (o standard) di riferimento, è quella misurata col barometro alle condizioni standard: a 0 m sul livello del mare, a 45 gradi di latitudine e a 273 K di temperatura, ed è espressa nel SI dal Pascal (simbolo Pa) dove
$$1Pa=\frac{1N}{m^2}$$
La pressione atmosferica normale assume un valore di circa 101325 Pa o, equivalentemente, 760 mmHg, 760 Torr, 1013.2 hPa, 1 atm, 1013,25, 1.01325 bar.
Il vuoto, più o meno spinto, è insito in natura. Moltissimi ambienti diversi si trovano a valori di pressione inferiori a quelli a cui siamo abituati nel nostro vivere quotidiano. Alcuni esempi sono i seguenti:
| ambienti in regime di vuoto | valori della pressione |
|---|---|
| aspirapolvere | $0,8 \times 10^5 Pa$ |
| lampadina a incandescenza | $0,7 \times 10^5 Pa$ |
| luna | $10^{-6} 10^{-8} Pa$ |
| spazio galattico | $10^{-15} Pa$ – $\frac{1 part}{cm^3}$ |
| spazio intergalattico (vuoto) | essenzialmente zero $10^{-17} Pa$ – $\frac{1 part}{m^3}$ |
Lavorare in regimi di vuoto è talvolta indispensabile nelle scienze, ad esempio il vuoto viene impiegato all’interno degli acceleratori come il potente LHC ($10^{-9} Pa$) del CERN, negli interferometri LIGO e VIRGO ($10^{-7} Pa$) e nel prossimo reattore per la fusione nucleare calda ITER ($10^{-6} Pa$). Nelle nanotecnologie avere una regione il meno inquinata e il più controllabile possibile permette la creazione di nanostrutture e la realizzazione di superfici con proprietà super, i cosiddetti METAMATERIALI.
Regimi di vuoto
Ma come si crea il vuoto artificiale? Vediamo quelli che sono gli ingredienti necessari:
- Un contenitore adeguato prima di tutto, in grado di sorreggere il forte gradiente di pressione fra la regione interna ed esterna (solitamente acciaio o alluminio)
- All’interno del contenitore è opportuno collocare al massimo materiali con bassa pressione di vapore (assolutamente sono da evitare liquidi, materia organica e molte plastiche mentre sono da preferire vetri, ceramiche e metalli)
- E’ necessario disporre di strumenti di misura opportuni (vacuum gauges) che monitorino in tempo reale il livello di pressione raggiunto all’interno della camera a vuoto
- Infine, le indispensabili pompe che creano effettivamente il vuoto. Ne esistono di diversi tipi e vengono impiegate anche in successone a seconda del livello di vuoto che si vuole raggiungere
Tutto il resto è superfluo. Di seguito, in tabella, ho deciso di riportare la generalità delle pompe impiegate in funzione del livello di vuoto raggiunto, suddividendo quest’ultimo in vari regimi in funzione sia delle diverse leggi fisiche che valgono in ogni regime sia delle tecnologie impiegate per realizzarlo:
| regime di vuoto | range pressione | caratteristiche |
|---|---|---|
| basso/medio (LV, MV) | fino $10^{-1}Pa$ | è possibile ottenerlo per via meccanica, il regime è viscoso, laminare o turbolento e viene utilizzato soprattutto nell’industria. |
| alto vuoto (HV) | fino $10^{-7}Pa$ | si ottiene principalmente tramite trasferimento di momento e intrappolamento. E’ caratterizzato dopo una prima fase di transizione da regime molecolare (il libero cammino medio delle particelle è maggiore delle dimensioni del contenitore) e non vi è più traccia del gas iniziale. |
| ultra-alto vuoto (UHV) | fino $10^{-10}Pa$ | è stato raggiunto artificialmente solo dai grandi laboratori di ricerca |
| vuoto estremo (XHV) | oltre $10^{-10}Pa$ | esiste solo in natura. Al di sotto di una certa pressione ha più senso parlare di numero di molecole per unità di volume. Il vuoti galattico conta statisticamente una particella per cm^3, il vuoto intergalattico addirittura una particella per m^3. |
Quel che è interessante notare è che andando a pressioni via via più basse cambia la percentuale di presenza dei gas che compongono l’ambiente e ne appaiono di nuovi. Infatti, l’aspirazione di aria da una camera a vuoto è un processo che continua fino a che non viene raggiunta la pressione limite della pompa. La pressione interna si troverà essere allora in equilibrio dinamico cioè la diminuzione di pressione dovuta al gas aspirato eguaglia l’aumento di pressione che si verifica per degasssamento delle particelle dalle pareti.
Nella tabella che segue è possibile vedere come l’incidenza delle molecole di azoto e vapore acqueo si inverta a pressioni via via più basse fino a che ne l’uno ne l’altro siano più presenti in maniera importante.
| range di pressione (mbar) | gas presenti all’interno della camera (in percentuale) |
|---|---|
| pressioni superiori a $10^{-3}$ mbar | N2 78% O2 21% H2O 1% |
| pressioni intermedie comprese fra $10^{-3}$ mbar e $10^{-6}$ mbar | N2 1% O2 1% H2O 98% |
| pressioni inferiori a $10^{-6}$ mbar | H 80% CO 10% CO2 5% Gas nobili |
Tipologie di pompe esistenti
Roughing Pumps
Sono le pompe primarie, impiegate per raggiungere livelli di pressione fino a un massimo di 10^-3 Torr, in pieno regime viscoso. Si basano sulla aspirazione per contrazione meccanica, vengono infatti dette pompe volumetriche poiché sfruttano la variazione di volume di una camera per provocare una aspirazione in un’altra. Possono essere rotative o a pistone, con olio lubrificante per le parti in moto o a secco.
- Pompe Venturi. Un fluido che passa lungo una stozzatura aumenta la sua velocità con conseguente diminuzione di pressione. Essendo a contatto con la camera a vuoto la pressione che ne è all’interno compensa la bassa pressione del fluido e l’aria viene aspirata.
- Pompe rotative a palette con o senza gas-ballast. L’aria della camera a vuoto viene aspirata per via del movimento rotatorio di alcune palette che tappano e lasciano aperte alternatamente la bocca d’ingresso alla camera e la bocca di uscita della pompa. Le parti in moto sono lubrificate con oli speciali che fungono anche da sigillanti tra le parti a contatto. L’olio ha bassa tensione di vapore che ne limita il vuoto raggiungibile. Il gas ballast è una apertura manuale che è possibile utilizzare per fa entrare dell’aria nella pompa (ma non nella camera) per evitare che il vapore che vi si è formato condensi.
- Pompe a secco. Senza olio, sono dei semplici pistoni interni ad un cilindro, a bassa velocità di pompaggio e basso deterioramento. Non sono ideali per aspirare grandi volumi.
- Pompe scroll. Non utilizzano oli lubrificanti, sono composte da due spirali di cui una fissa e l’altra in movimento, inserite l’una dentro l’altra. Nella zona tra le due viene immagazzinato il gas da aspirare che viene poi fatto convergere al centro nella zona di raccolta.
High Vacuum Pumps
Sono pompe utilizzate in successione alle primarie per raggiunger livelli di pressione fino a 10^-8 Torr. Poiché a questi regimi si fa uso del trasferimento della quantità di moto tra particelle esse vengono chiamate pompe cinetiche.
- Pompe a diffusione. Ideali per gas leggeri. Utilizzano vapori di olio a bassa tensione di vapore che viene sparato attraverso dei cilindri concentrici dall’unità centrale chiamata jet assembly. Le particelle di olio collidono a 500m/s contro le molecole del gas residuo spingendole verso una linea di aspirazione per poi condensare sulle fredde pareti esterne da cui vengono risucchiate nel boiler dove il ciclo ricomincia.
- Pompe turbomolecolari. Necessitano di una minor manutenzione delle pompe a diffusione poiché non hanno fluidi interni da vaporizzare. Più stadi di coppie statore-rotore montati in serie fa si che il gas catturato dagli stadi superiori venga spinto verso l’uscita. Le particelle di gas della camera infatti, vengono colpite dalle pale in movimento le quali sono inclinate verso l’uscita. Sono impiegate oggi nei laboratori di ricerca o nei microscopi elettronici. Sono in grado di catturare i gas nobili, per questo vengono spesso vengono combinate con altre pompe secondarie che non riescono ad intrappolarli.
Ultra High Vacuum Pumps
Pressioni a partire 10^-8 Torr in giù possono essere raggiunte solo dopo aver riscaldato il sistema per facilitare il desorbimento delle molecole del gas dalle pareti della camera. Una volta riportato il sistema a temperatura, il regime dinamico che si instaura fra il desorbimento delle molecole delle pareti della camera e la aspirazione delle pompe può avvenire a pressione più bassa. Tale processo viene indicato col termine baking. Per raggiungere i regimi di vuoto ultra-alto ed estremo si utilizzano processi di cattura e le pompe vengono dette pompe ad intrappolamento.
- Pompe a sublimazione di titanio. Sono pompe in cui gli atomi di titanio emessi da un filamento caldo (scaldato a 1500 gradi C con una corrente da 40A) si depositano sulle pareti della camera a vuoto. Essendo il titanio molto reattivo, una volta che le particelle della camera collidono con le pareti, è molto probabile reagiscano a formare un prodotto stabile. Il titanio reagisce bene con gas reattivi (O2, N2). Quando la superficie di titanio satura e l’efficienza della pompa decresce va rigenerata.
- Pompe ioniche. Sono pompe a secco che ionizzano il gas utilizzando una matrice anodica/catodica. Al suo interno viene creato un campo elettromagnetico che forza gli ioni a muoversi di moto elicoidale concentrato tra anodo e catodo. Gli ioni che si attaccano al catodo in titanio vengono quindi rimossi tramite una drain current. Inoltre, lo sputtering di atomi di titanio agisce come una sorta di pompa a sublimazione, che favorisce un ulteriore abbassamento di pressione.
- Pompe getter non evaporabili. Una superficie di materiali porosi, in genere di elementi del quattro gruppo, che è in grado di catturare gas reattivi viene attivata, portandola ad alte temperature. E’ importante avere una bassa temperatura di attivazione così da avere un più ampio range di substrati da utilizzare (ad esempio una combinazione di Ti(30%), Zr(30%) e V(40%)). Camere a vuoto in acciaio inossidabile non dovrebbero essere portate a T superiori a 400gradi C e camere in rame e alluminio non al di sopra dei 200 gradi C. Inoltre gli elementi del quarto gruppo superano del 10% il limite di solubilità per l’ossigeno.Le pompe NEG possono catturare gas residui quali H2, CO, CO2, H2O e O2 ma non gas inerti e CH4.
- Pompe criogeniche. Intrappolano gas e evapori condensandoli sulla superficie fredda all’interno della camera. A parità di pressione, più la temperatura si abbassa, più la pressione di vapore di saturazione è bassa. In questo modo gas come H2O, N2, H2, Ar, He sublimano e si attaccano alle pareti, tramite deboli legami di van der waals. Una volta ricoperta la superficie si procede a rigenerare le criopompe, alzandone la temperatura. Le particelle condensate ritornano allo stato gassoso e vengono raccolte tramite impiego di un’altra pompa di tipo meccanico.
Vacuum Gauges
Come per le camere a vuoto, anche i dispositivi di misura del livello di vuoto raggiunto operano all’interno di range di pressioni diverse. I principi fisici di misura che sfruttano sono diversi. Per una maggior chiarezza di seguito riporto una tabella di per se esplicativa alla quale segue una presa visione delle leggi fisiche utilizzate dai diversi calibri per misurare il livello di vuoto raggiunto.
| Pressione Limite | $10^{2}$ Torr | $10^{-2}$ Torr | $10^{-4}$ Torr | $10^{-8}$ Torr | $10^{-10}$ Torr | $10^{-12}$ Torr |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Bourdon | X | X | ||||
| termocoppia | X | X | X | |||
| Pirani | X | X | X | |||
| catodo freddo | X | X | X | |||
| catodo caldo | X | X | X | X | ||
| QRGA | X | X | X | X |
Manometro a molla Bourdon
E’ un trasduttore di pressione di tipo elastico, di quelli che si usano per misurare la pressione interna alle ruote dei veicoli. Una molla a forma di C sotto pressione inizia ad oscillare. Il raggio della molla aumenta e diminuisce a seconda della pressione risentita, il tutto viene visionato da una lancetta che ne riporta i valori su una opportuna scala graduata.
Termocoppia
E’ basata sull’effetto Seebeck per cui un gradiente di temperatura tra due giunzioni metalliche è in grado di generare una piccola corrente al suo interno. La termocoppia misura la corrente che si crea per effetto della differenza di temperatura tra due punti: uno interno alla camera a vuoto e una di riferimento interna allo strumento. Più la densità del gas interno alla camera è bassa, più il conduttore si scalda seguendo la logica: $\Delta i \propto \Delta T \propto \Delta p$. Infatti, più bassa è la pressione, meno particelle andranno a interagire col circuito trasportando via il calore.
Sono molto robusti, di piccole dimensioni e di lunga di vita tuttavia richiedono un abbastanza tempo per la misurazione della pressione raggiunta, inoltre, basandosi sul fatto che rilevano la pressione in funzione delle particelle residue del gas interno alla camera, quando la relazione lineare tra le due scompare non rappresenta più uno strumento affidabile.
Calibro Pirani
Basato sul ponte di Wheatstone, una particolare combinazione di resistenze interne a un circuito elettrico, è in gradi di fornire una stima del valore di pressione interno effettuando misurazioni della resistenza del circuito. Ha un minore tempo di riposta rispetto alla termocoppia e viene impiegato all’interno dello stesso range di pressione.
Calibro a ionizzazione a catodo freddo
Il più utilizzato per la stima di valori di pressione in regime di ultra alto vuoto (UHV). Una volta che non numero di particelle disperse nel gas interno alla camera a vuoto non è più indicativo della sua pressione, questo strumento sfrutta il fatto che il gas residuo possa essere ionizzato cosicché la concentrazione di ioni creati per effetto termoionico e collezionati su un opportuno collettore, attraverso una misura della corrente, restituisca una stima della pressione. Questo strumento è estremamente delicato e sensibile ma molto preciso.
Calibro a catodo freddo a penna
Diversamente dal caso precedente, il dispositivo sfrutta la presenza dei raggi cosmici per ionizzare il gas residuo interno alla camera.
Analizzatore di gas residuo a quadrupolo (QRGA)
E’ in grado di misurare la pressione parziale di ogni gas presente all’interno della camera a vuoto nonché la sua pressione totale. Le particelle ionizzate vengono accelerate e fatte passare attraverso un un filtro di massa a quadrupolo cosicché solo gli ioni con opportuno rapporto carica/massa possano arrivare al collettore.
