ITMI20080250U1 - Sistema di pompaggio combinato comprendente una pompa getter ed una pompa ionica - Google Patents

Description

“SISTEMA DI POMPAGGIO COMBINATO COMPRENDENTE UNA

POMPA GETTER ED UNA POMPA IONICA”

DESCRIZIONE

II presente trovato si riferisce ad un sistema di pompaggio combinato che comprende una pompa getter ed una pompa ionica.

Esistono numerosi strumenti e sistemi scientifici e industriali che richiedono per il loro funzionamento condizioni di ultra-alto vuoto (indicato nel settore come UHV, dall’inglese Ultra-High Vacuum), cioè valori di pressione inferiori a 10<'5>-10<'6>Pa; tra questi, si possono ricordare per esempio gli acceleratori di particelle e i microscopi elettronici. Per creare questi gradi di vuoto si usano generalmente sistemi di pompaggio comprendenti una pompa definita primaria, per esempio una pompa rotativa o a membrana, e una pompa da UHV, per esempio una pompa turbomolecolare, getter, ionica o criogenica. La pompa primaria è in grado di iniziare a lavorare a pressione atmosferica e portare la pressione nella camera dello strumento a valori di circa IO<'1>- 10<' 2>Pa; a queste pressioni è possibile attivare la pompa da UHV, che porta la pressione nel sistema a valori di circa 10<'8>-10<'9>Pa.

Le pompe per UHV attualmente più diffuse sono le pompe ioniche, perchè hanno la capacità di bloccare praticamente tutti i gas (anche se con una bassa efficienza per l’idrogeno) e perchè sono in grado di fornire un’indicazione, seppur approssimata, del valore di pressione nella camera evacuata. Quest’ultima caratteristica è particolarmente apprezzata dai costruttori e utilizzatori di strumenti in vuoto perchè consente di avere un controllo delle condizioni del sistema, ed eventualmente interromperne il funzionamento nel caso in cui la pressione in camera aumenti fino a valori critici.

Le pompe ioniche sono formate dall’insieme di una pluralità di elementi uguali. In ognuno di questi, tramite elevati campi elettrici, vengono creati ioni ed elettroni dai gas presenti nella camera; un magnete posto attorno ad ogni elemento impartisce una traiettoria non rettilinea (generalmente elicoidale) agli elettroni, così da aumentarne la capacità di ionizzare altre molecole presenti. L’insieme di ioni così prodotto viene bloccato dalle pareti dell’elemento, in parte per impiantazione ionica nelle stesse e in parte a causa di un effetto di “seppellimento” sotto strati di titanio che si formano per deposizione di atomi (o “grappoli” di atomi) generati dall’erosione delle pareti in seguito al bombardamento ionico; il titanio ha inoltre una capacità getterante intrinseca, cioè è un metallo in grado di interagire con molecole gassose semplici fissandole tramite la formazione di composti chimici.

Un problema delle pompe ioniche è che, essendo formate dall’insieme di più elementi uguali, le loro caratteristiche di assorbimento di gas (in particolare la velocità) sono una funzione essenzialmente lineare delle loro dimensioni e peso. Poiché i sistemi prima citati richiedono generalmente più unità di pompaggio collegate a zone diverse della camera evacuata, l’insieme di pompe ioniche necessario al funzionamento di questi sistemi ne aumenta in modo non trascurabile il peso e l’ingombro complessivo.

Le pompe getter funzionano sul principio dell’assorbimento chimico di specie gassose reattive come ossigeno, idrogeno, acqua e ossidi di carbonio da parte di elementi realizzati con materiali getter non evaporabili (noti nel settore come NEG). I principali materiali NEG sono leghe a base di zirconio o titanio; pompe getter sono descritte per esempio nei brevetti US 5.324.172 e 6.149.392. Queste pompe hanno, a parità di dimensioni, una velocità di assorbimento di gas notevolmente superiore alle ioniche e sono in grado di rimuovere l’idrogeno molto più efficacemente di queste ultime; a fronte di questi vantaggi, la loro efficienza di pompaggio è scarsa per gli idrocarburi e nulla per i gas rari e non possono fornire una misura della pressione in camera.

L’uso combinato di pompe ioniche e getter fornisce sistemi di pompaggio per UHV particolarmente efficienti. Simili sistemi di pompaggio sono noti per esempio dalla domanda di brevetto JP 58-117371, dalla domanda di brevetto GB 2.164.788 e dal brevetto US 5.221.190, relativi a sistemi da vuoto in quanto tali; e dalle domande di brevetto JP-A-06-140193 e JP-A-07-263198, relative ad acceleratori di particelle la cui camera è mantenuta evacuata impiegando pompe ioniche e getter separate.

I sistemi di pompaggio descritti in questi documenti prevedono l’uso della pompa ionica come pompa principale, e della getter come pompa ausiliaria di più piccole dimensioni. Questi documenti non risolvono quindi il principale problema legato all’impiego delle pompe ioniche, cioè i loro elevati peso, dimensioni, e consumo energetico.

La domanda di brevetto US 2006/0231773 descrive un microscopio elettronico in cui il sistema da vuoto comprende una pompa ionica e una getter; questo documento inverte la situazione tradizionale, e propone l’impiego della pompa getter come pompa principale per sfruttarne le ridotte dimensioni, e di una pompa ionica relativamente piccola per bloccare i gas non assorbiti dalla pompa getter. Questo sistema consente di migliorare il peso e l’ingombro del sistema da vuoto, ma mostra ancora due pompe separate e che quindi rappresentano ancora un ingombro non trascurabile per il sistema complessivo. Inoltre, è noto che punti critici nei sistemi da UHV sono tutte le aperture praticate nella parete della camera; questo perchè, a causa di possibili tenute non perfette a livello microscopico di flange, guarnizioni o materiali brasanti (soprattutto nel caso di sistemi che vengono riscaldati, e in cui si hanno quindi dilatazioni termiche differenti di parti realizzate in materiali diversi), questi possono rappresentare punti preferenziali di degrado delle condizioni di vuoto. Il sistema a due pompe separate descritto nella domanda US 2006/0231773 necessita di due punti di accesso differenti dall’esterno per l’alimentazione della pompa ionica e della getter (o più di due, nel caso per esempio che il sistema comprenda più di una pompa ionica), e non è quindi ottimale dal punto di vista della costruzione di un sistema che deve operare in ultra-alto vuoto.

Scopo del presente trovato è quello di fornire una pompa combinata getter-ionica che supera gli inconvenienti della tecnica nota.

Questo scopo viene ottenuto secondo il presente trovato con un sistema di pompaggio combinato comprendente una pompa getter ed una pompa ionica, caratterizzato dal fatto che dette pompe getter e ionica sono montate su due punti diversi di una stessa flangia e che un magnete necessario per il funzionamento della pompa ionica è posto sul lato della flangia che risulta interno ad una camera evacuata quando il sistema di pompaggio è collegato a quest’ultima ed è formato da un materiale magnetico con una temperatura di Curie superiore a quella dei trattamenti termici previsti per la camera stessa.

Il trovato verrà descritto in dettaglio nel seguito con riferimento alle figure, in cui: - la figura 1 rappresenta una vista prospettica semplificata di una possibile forma di realizzazione del sistema di pompaggio; e

- la figura 2 rappresenta il sistema della figura 1, in una vista in una sezione orizzontale realizzata lungo l’asse indicato come A-A’ nella figura 1.

Nella descrizione seguente si fa riferimento contemporaneamente ad entrambe le figure.

Il sistema dell’invenzione, 10, è formato da una flangia 11 su cui sono montate una pompa getter 12 ed una ionica, 13. Le figure mostrano una pompa ionica nella sua configurazione più semplice, in cui cioè è presente un solo elemento anodico cilindrico, ma gli elementi anodici potrebbero essere più di uno.

La pompa getter può essere formata da elementi di materiale NEG di varie forme, e assemblati secondo diverse geometrie; inoltre, può comprendere schermi metallici (per esempio in forma di lamierini forati o reti) disposti intorno all’insieme degli elementi di materiale NEG, per trattenere particelle metalliche eventualmente perdute da questi. Le figure mostrano la pompa getter 12 in una sua forma di realizzazione particolarmente semplice e preferita per il presente trovato: la pompa è formata da una serie di dischi di materiale NEG, 121, 12Γ, impilati su un supporto centrale 122 e mantenuti distanziati per esempio da anelli metallici, 123 (non visibili in figura 1); il supporto centrale 122, realizzato per esempio in ceramica (preferita è l’allumina), è cavo e alloggia al suo interno un elemento riscaldante (non mostrato nelle figure), che può essere costituito per esempio da un resistere in filo metallico fatto passare nei fori di un sostegno anch’esso in materiale ceramico (i fori sono paralleli all’asse del sostegno e passanti rispetto a questo); tipicamente, il supporto 122 è fissato ad un connettore 124 dotato di passanti elettrici, normalmente realizzato in ceramica e a sua volta fissato alla flangia 11 tramite brasatura. La pompa getter preferita secondo il trovato inoltre non presenta schermi intorno agli elementi NEG in modo da massimizzare la sua velocità di assorbimento di gas. I dischi 121, 12Γ, ..., possono essere costituiti da polveri sinterizzate di materiali NEG e quindi relativamente compatti, ma preferibilmente sono porosi per aumentare la superficie di materiale esposta e quindi le caratteristiche di assorbimento di gas della pompa; elementi porosi in materiale NEG possono essere prodotti per esempio secondo il processo descritto nel brevetto EP 719609 Bl a nome della richiedente.

La pompa ionica è formata da un unico elemento di quelli ripetitivi nelle pompe ioniche tradizionali. Questa pompa comprende un singolo elemento anodico, 131, in forma di un corpo cilindrico cavo e con le estremità aperte, il cui asse è parallelo alla superficie interna della flangia, e realizzato in un materiale conduttore, generalmente un metallo. Detto elemento anodico è mantenuto in posizione da un sostegno 132 cavo, per consentire il passaggio dell’alimentazione elettrica per l’elemento anodico, e fissato alla flangia 11 tramite un connettore 133 analogo al connettore 124 e a sua volta dotato di uno o più passanti elettrici isolati dalla flangia (questi ultimi non mostrati nelle figure). E possibile che sia presente un solo cavo elettrico per l’alimentazione dell’elemento anodico 131; possono essere presenti anche i contatti elettrici necessari alla lettura della pressione nella camera da vuoto. Affacciati alle estremità aperte dell’elemento anodico 131, e a breve distanza da questo (circa 1 mm) sono presenti due elettrodi, 134 e 134’, realizzati in titanio, tantalio o molibdeno. L’insieme costituito dall’elemento anodico 131 e dagli elettrodi 134 e 134’ è disposto tra due estremità di un magnete permanente, 135. Il magnete mostrato nelle figure ha una forma determinata dall’unione di tre parti planari, due estremità parallele tra loro e la terza di raccordo tra dette estremità (formando così una “C” squadrata); inoltra, le figure mostrano il caso in cui il magnete è arrangiato in modo tale che il bordo di ognuna di dette parti planari appoggia sulla flangia; ovviamente, però, il magnete potrebbe assumere altre forme, o essere disposto diversamente rispetto alla flangia (per esempio, solo le due estremità potrebbero essere appoggiate alla flangia, e la parte di raccordo essere disposta in modo da risultare sopra l’elemento anodico 131 nelle figure), purché sia mantenuta la condizione funzionale che le due estremità del magnete sono essenzialmente parallele agli elettrodi 134 e 134’; inoltre, il magnete può essere mentenuto in posizione in vari modi, per esempio con elementi di ritenzione (viti, molle, ...) non mostrati nelle figure. Gli elettrodi 134 e 134’ sono mostrati retti da sostegni 136 e 136’ che hanno la semplice funzione meccanica di mantenere gli elettrodi in posizione; questo è possibile quando i due elettrodi sono mantenuti al potenziale della flangia; alternativamente, i due elettrodi possono essere a loro volta alimentati elettricamente (e tenuti ad un potenziale uguale tra loro e negativo rispetto a quello dell’elemento anodico 131); in questo caso, i due sostegni 136 e 136’ possono a loro volta essere collegati tramite fili di alimentazione ad ulteriori passanti presenti nel connettore 133; alternativamente, è possibile collegare elettricamente i due elettrodi tra loro con un contatto che li mantenga isopotenziali (non mostrato nelle figure) e collegare detto contatto ad un singolo passante del connettore 133, lasciando ai sostegni 136 e 136’ la sola funzione meccanica.

II magnete 135 deve avere la caratteristica di poter resistere senza smagnetizzarsi ai trattamenti termici previsti per la camera a cui il sistema di pompaggio è destinato, compresi i trattamenti di attivazione della pompa getter. Un tipo di magneti adatti allo scopo sono quelli realizzati in materiale cosiddetto “Alnico”; Alnico è un acronimo che indica la composizione a base di alluminio (8-12% in peso), nichel (15-26%), cobalto (5-24%), con la possibile aggiunta di piccole percentuali di rame e titanio, col resto della composizione costituito da ferro. Oltre a generare campi magnetici molto intensi, i magneti Alnico hanno un punto di Curie tra i più alti di tutti i materiali magnetici, intorno ad 800 °C, per cui sono in grado di sopportare qualunque trattamento termico a cui il sistema di pompaggio possa essere sottoposto.

Date le ridottissime dimensioni delle due pompe, e in particolare di quella ionica, il sistema del trovato occupa sulla flangia 11 un’area rettangolare non superiore a 10 x 5 cm, così da poter essere fissato su un’unica flangia circolare di diametro 125 mm (nota nel settore con la sigla CF 100), oppure su flange rettangolari di dimensioni 100 x 150 mm. La flangia è realizzata con materiali noti nel settore, per esempio acciaio AISI 316 L o AISI 304 L.

Claims (4)

1. RIVENDICAZIONI 1. Sistema (10) di pompaggio combinato comprendente una pompa getter (12) ed una pompa ionica (13), caratterizzato dal fatto che dette pompe getter e ionica sono montate su su due punti diversi di una stessa flangia (11) e che un magnete (135) necessario per il funzionamento della pompa ionica è posto sul lato della flangia che risulta interno ad una camera evacuata quando il sistema di pompaggio è collegato a quest’ultima ed è formato da un materiale magnetico con una temperatura di Curie superiore a quella dei trattamenti termici previsti per la camera stessa.
2. 2. Sistema secondo la rivendicazione 1 in cui la pompa getter (12) è formata da una serie di dischi di materiale getter non evaporabile (121, 12Γ, ...) impilati su un supporto centrale (122).
3. 3. Sistema secondo la rivendicazione 1 in cui la pompa ionica (13) è formata da due elettrodi (134, 134’) realizzati in titanio, tantalio o molibdeno, planari e paralleli tra loro, tra cui è disposto almeno un elemento anodico (131) realizzato in titanio e avente forma di un corpo cilindrico cavo il cui asse è perpendicolare alla superfìcie degli elettrodi.
4. 4. Sistema secondo la rivendicazione 1 in cui il magnete è di tipo permanente e ha composizione percentuale in peso alluminio 8-12%, nichel 15-26%, cobalto 5-24%, con la possibile aggiunta di piccole percentuali di rame e titanio, col resto della composizione costituito da ferro.