Tecnologia de vcuo

PARTE II: Gerao de vcuo.

Bombas de VcuoBombas de Vcuo

Podemos dizer que as bombas so os elementos ativos responsveis pelo transporte do gs de um ambiente fechado (vazo ou cmara) para o meio externo (meio ambiente).

Elas podem ser classificadas de maneira rudimentar de acordo com o principio bsico de operao:

Bombas de compresso ou rotatrias: mecnicas, roots, membranas, .... Bombas de transferncia de momentum: turbos, difusoras, .... Bombas de adsoro: criogenicas, inicas, ....

Em todos os casos, o objetivo final sempre retirar o gs livre de um recinto !!!!

cmara

gs

bomba

purga

Bombas de CompressoBombas de Compresso

De uma maneira geral, a operao das chamadas bombas de compresso (comumente chamadas de rotatrias, mecnicas ou de pr-vcuo) consiste em tomar uma amostra do gs presente no interior da cmara, comprimir este gs e expuls-lo para o exterior.

Tal categoria de bomba opera no regime de fluxo viscoso, onde possvel criar um fluxo via a criao de uma diferena (ou gradiente) de presso, sendo eficientes at a faixa de 10-3 10-4 mbar.

Os exemplos mais tpicos desta categoria de bombas so:

Bombas rotatrias de palheta, Bombas rotatrias de pisto, Bombas roots e Bombas de membrana.

Bomba rotatria de palheta1. amostragem,2-3. compresso e4. expulso

.... .... em leo!

Este tambm o principiode operao das bombas depisto !

.... tambm em leo!

Cmara em ANSI 304 NL com V 2.1 litrosln(P) = ( Qvaz / V ).t

Um exemplo com uma bomba rotatria de palheta

Bomba roots

.... em leo!

.... grandes vazes

.... muitas vezes sua sada ligada emserie com uma rotatria de palheta ou pisto

Bomba de membranas - sem leo!

Contudo tais bombas atingem presses na faixa de 10-1 10-2 mbar, somente!

Possuem fcil manuteno, poremcom grande freqncia!

O principio bastante similar as bombas rotatrias de pisto sendo o pisto substitudo por uma membrana de borracha, algo similar a uma seringa hipodrmica.

Bombas de Transferncia de MomentumBombas de Transferncia de Momentum

De uma maneira geral, a operao de tais bombas consiste em transferir momentum linear para as molculas gs presentes no interior da cmara, expulsando as mesmas para fora da cmara.

Tal categoria de bombas opera no regime de fluxo molecular, onde no mais possvel criar um fluxo de gs via um gradiente de presso. Elas operam tipicamente na faixa de 10-4 10-8 mbar.

So usadas em serie com bombas de compresso, que so ligadas na sada delas. Tais bombas de compresso so responsveis pela compresso do gs e exausto final para o meio exterior.

Os exemplos mais tpicos so:

Bombas difusoras, Bombas turbo moleculares e Bombas turbo/drag.

Bomba difusora (Irving Langmuir 1915) Muito usadas na industria. Grande vazo. Com exceo da eventual queima do leo, so extre-mamente robustas. Fcil construo e manu-teno (lavagem). Contudo, possuem leo!

A operao de uma bomba difusora consiste basicamente de 3 etapas seqenciais.

(1) Com a vlvula gaveta V1 fechada e avlvula de bypass V2 comutada para a sada da bomba difusora, a bomba depr-vcuo R1 (no presente caso uma rotatria de palhetas) faz vcuo dentroda difusora D1 que est desligada.

(2) Aps atingir uma presso da ordem de10-3 mbar, a bomba difusora ligada.A vlvula V1 permanece fechada e avlvula V2 comutada para bombeara cmara.

(3) Aps a cmara atingir uma presso da ordem de 10-3 mbar, V2 comutada para a sada da difusora e V1 aberta,iniciando o bombeamento efetivo da cmara, at atingir presses na faixa de 10-6 - 10-7 mbar.

bastante usual a incluso de uma armadilha criogenica (trap - LN2) entre a bomba D1 e a vlvula V1. Isto tem como objetivo reduzir a contaminao da cmara pelocontra fluxo (refluxo) de leo da difusora. Tal trap enchido com LN2 antes da vl-vula V1 ser aberta, ou seja, entre os passos 2 e 3.

Bomba turbo molecular / drag

As bombas turbo so empregadas sempre que necessita-se de uma boa qualidade de vcuo sem a potencial presena de leo. De fato, tais bombas so amplamente empregadas na industria de micro-eletronica.

Sua operao extremamente simples. Tudo controlado por um modulo microprocessado que monitora o sistema continuamente.

Contudo, tais bombas so bastante sensveis, sendo sua manuteno mais complicada (a manuteno bsica simples).

NOTAEm sistemas sem leo T1 substituida por uma turbo-drag e R1 por uma bomba de membrana.

cmara em ANSI 304 NL com V 28.4 litros sistema de bombeamento turbo-molecular

TPH-330 + bomba mecnica.

Um exemplo com uma bomba turbo

Bombas de AdsoroBombas de Adsoro

De uma maneira geral, a operao de tais bombas consiste em aprisionar as molculas do gs residual presentes na cmara.

Tal categoria de bombas opera no regime de fluxo molecular, onde no mais possvel criar um fluxo de gs via um gradiente de presso. Elas operam tipicamente na faixa de 10-6 10-12 mbar, necessitando de um sistema auxiliar (tipicamente turbos).

O grande inconveniente deste tipo de bomba a necessidade de uma regenerao peridica.

Os exemplos mais tpicos so:

Bombas criogenicas e Bombas inicas.

Bombas e armadilhas criogenicas

A idia bsica desta categoria de bombas aprisionar as molculas do gs residual em uma superfcie mantida em baixas temperaturas, tipicamente 77 K (LN2) ou 4 K (LHe)

Podem ser facilmente regeneradas edificilmente sofrem danos devido aerros operacionais. Contudo, podemsaturar muito rapidamente se o vcuode base for ruim!

TRAPS: So amplamente empregados,principalmente em sistemas bombeadospor difusoras. Consistem basicamenteem um reservatrio de LN2 de formatotoroidal (trap de passagem ou chevron)ou cilndricos (dedo frio). Existem aindatraps de circulao de LN2 (Meissner)que so basicamente constitudos poruma serpentina.

Alguns exemplos prticos .....

0 10 20 30 40 5010-10

10-9

10-8

10-7

10-6

(b)

N2H2O

OH2

P

r

e

s

s

o

p

a

r

c

i

a

l

(

m

b

a

r

)

Massa (uma)0 10 20 30 40 50

10-10

10-9

10-8

10-7

10-6

(a)

C

2

H

7

+

C

H

3

C

O

C

3

H

5

C

3

H

3

O2

C

2

H

5

N2

C

2

H

3

H2OOH

ON

H2

P

r

e

s

s

o

p

a

r

c

i

a

l

(

m

b

a

r

)

Massa (uma)

sem trap com trap LN2

Analises RGA do exemplo anterior (turbo)

P 410-7 mbar P 410-8 mbar

Bombas inicas

Existem em diversas configuraes.

Ao contrario das bombas criogenicas, podem sofrer danos se a qualidade do vcuo cair repentinamente.

ReferenciasReferencias

A users guide to vacuum technology, John F. OHalon, ed. John Willey & Sons (1980).

Modern vacuum practice, ed. Edwards Vacuum. The generation of rough and medium vacuum, ed. Pfeiffer Vacuum. Working with turbo molecular pumps, ed. Pfeiffer Vacuum. Vacuum technology, ed. Leybold Vacuum