Le pompe che costituiscono il sistema di vuoto di un microscopio elettronico

Come già precedentemente accennato, il mantenimento di un idoneo tenore di vuoto all’interno della colonna di un microscopio elettronico è essenziale per il funzionamento dell’intera apparecchiatura. Con il progredire delle tecnologie, il sistema di pompaggio dei microscopi elettronici è stato via via raffinato in modo tale da permettere di raggiungere tenori di vuoto molto alti e privi di contaminazioni significative.

L’intero gruppo di pompe che costituiscono tale sistema lavora in modo coordinato come un vero e proprio organismo: i diversi “organi” basano il loro lavoro e il loro rendimento su principi di funzionamento differenti tra loro. Inoltre, a seconda del valore di vuoto che riescono a raggiungere, vengono categorizzati come pompe da pre-vuoto, alto vuoto o ultra alto vuoto.

Nella prima categoria rientrano le pompe rotative e le pompe a membrana, il cui principio di funzionamento è pressoché identico, in quanto l’aria viene prima incamerata in uno scompartimento attraverso una valvola di ingresso ed espulsa poi verso l’esterno attraverso una valvola di uscita. Le prime sono più efficienti delle seconde, dato che riescono a raggiungere un tenore di vuoto migliore, attorno a 10-1 Pa. Tuttavia, sono pompe che necessitano di olio a base di idrocarburi per la loro lubrificazione interna; di conseguenza , se non opportunamente mantenute, possono essere foriere di contaminazione a causa dei vapori di olio. Le pompe a membrana invece funzionano a secco, ma sono meno affidabili e durature delle pompe rotative, sebbene più silenziose e dalla manutenzione ridotta al minimo. Entrambi queste tipologie di pompe creano forti vibrazioni, perciò devono essere posizionate in un luogo opportuno e collegate al microscopio con tubi adeguati.

Per l’alto vuoto (da 10-4 a 10-7 Pa) possono essere impiegate, anche in questo caso, due tipologie di pompe: le pompe a diffusione o le pompe turbomolecolari. Alla base delle prime vi è un elemento riscaldante che permette all’olio al loro interno di bollire. Una volta che i vapori d’olio incontrano una serie di tronchi di coni sovrapposti collocati all’interno della pompa stessa, si creano dei getti che spingono le molecole d’aria verso la parte inferiore della pompa e successivamente all’interno di un serbatoio, il quale viene periodicamente svuotato da una pompa rotativa o a membrana. Le pompe a diffusione necessitano di un sistema di raffreddamento per permettere la condensazione dei vapori d’olio che altrimenti potrebbero contaminare le parti interne della colonna del microscopio. A tal proposito, vengono impiegati oli specifici con basse tensioni di vapore. Non avendo parti in movimento, questo tipo di pompe è molto affidabile e duraturo. Le pompe turbomolecolari invece sono costituite da una o più turbine che, girando ad altissime velocità, espellono l’aria dalla sezione del microscopio a cui sono collegate. Non impiegando olio, non vi è rischio di contaminazione ed i modelli più prestanti riducono al minimo le vibrazioni che degli elementi in movimento potrebbero creare. Tuttavia, proprio a causa di quest’ultimo aspetto relativo alle parti in movimento, la durata delle pompe turbomolecolari è sensibilmente inferiore rispetto a quella delle pompe a diffusione. Infine, entrambi questi tipi di pompe sono supportati da pompe rotative o a membrana, dal momento che per garantire risultati ottimali è necessario che inizino il pompaggio al di sotto di un preciso tenore di vuoto.

Le pompe ioniche sono il tipo di pompe che vengono utilizzate per raggiungere tenori di ultra alto vuoto (<10-7 Pa) e devono il loro nome al processo alla base del loro funzionamento: la ionizzazione. All’interno di queste pompe vengono in un primo momento generati elettroni in prossimità di un anodo, i quali ionizzano le molecole d’aria presenti. Gli ioni così prodotti vengono accelerati verso un catodo costituito da titanio. In seguito all’impatto, gli ioni possono venire “intrappolati” all’interno del titanio o generare, per polverizzazione catodica, un processo di deposizione di titanio attivo sulle pareti della pompa, il quale può catturare ulteriori molecole di aria grazie a processi di chemisorbimento e fisisorbimento. Dato che questo processo è efficiente solo a tenori di vuoto piuttosto alti, le pompe ioniche vengono attivate solo quando la sezione di colonna interessata dal loro processo di pompaggio ha raggiunto un livello di vuoto opportuno, tipicamente 10-3 Pa.

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