In un impianto che opera in condizioni di alto vuoto, il sistema di pompaggio serve a rimuovere l’aria presente nella camera di lavoro. È un’affermazione corretta?
Beh, diciamo solo parzialmente. È vero che nelle fasi iniziali del processo di pompaggio le pompe rimuovono l’aria presente, composta principalmente da azoto, ossigeno, argon, vapore acqueo e tracce di altre sostanze gassose. A un certo punto, però, non è più il gas presente nel volume della camera all’inizio del processo a dominare il flusso di specie gassose gestite dalle pompe, bensì quello generato dal fenomeno dell’outgassing. Di cosa si tratta? È presto detto: l’outgassing è il flusso di gas generato dal rilascio di specie volatili dalle superfici interne della camera a vuoto, comprese quelle derivanti dalla presenza di oggetti posizionati all’interno del sistema da trattare. Questo rilascio di specie gassose ha come protagonista una molecola piccolissima capace di formare legami molto stabili con le superfici metalliche: l’acqua. Considerando una camera a vuoto in acciaio inox, le sue pareti, come è noto, saranno ricoperte da un sottilissimo strato di ossido di cromo: le molecole di H2O derivanti ad esempio dall’umidità atmosferica vi si ancoreranno facilmente, formando uno strato quasi uniforme di acqua chemio-adsorbita. Spesso questo strato non è un semplice monostrato, ma un multistrato in cui sono presenti quantità d’acqua maggiori, a seconda delle condizioni ambientali a cui la camera è stata esposta (ad esempio, in caso di giornate umide, la situazione sarà peggiore). Le molecole in questione sono fortemente legate alla superficie su cui si trovano, quindi staccarle richiede un certo tempo e un certo sforzo. In pratica, occorre un certo tempo di esposizione a un grado di vuoto sufficiente affinché le molecole d’acqua si stacchino dalla superficie metallica, per essere poi rimosse dalle pompe.
Il processo può essere accelerato riscaldando la camera a vuoto a una temperatura di almeno 110-120 °C o superiore, per favorire la cinetica di rilascio: questo è possibile purché il materiale da trattare non si deteriori a causa della temperatura.
Ma, all’atto pratico, quanto tempo occorre per far sì che tutta (o quasi) l’acqua presente venga desorbita, consentendo il raggiungimento di elevati gradi di vuoto?
La quantità di acqua chemio-adsorbita, dal punto di vista quantitativo, è normalmente molto piccola: un livello monomolecolare di acqua ha un peso specifico dell’ordine di grandezza di 1 mg per metro quadrato. Purtroppo, quando l’acqua viene desorbita, si trasforma in vapore, che si espande alle basse pressioni necessarie per generare l’outgassing, occupando volumi significativi. Ad esempio, ipotizzando che il desorbimento sia totalmente irreversibile, il milligrammo d’acqua prodotto dall’outgassing di una superficie di un metro quadrato, a una pressione di -per esempio- 1e-4 mbar, occupa un volume di circa 12.200 litri, che devono essere interamente gestiti dalle pompe!
Detto questo, veniamo al punto: la finitura superficiale. Potresti aver notato che la finitura delle superfici interne delle camere a vuoto tende a essere sempre più accurata man mano che il vuoto di base che desideri ottenere è più spinto. Il motivo è che la quantità di acqua che deve essere gestita a causa del fenomeno dell’outgassing aumenta con l’aumentare della rugosità superficiale della camera. Tralasciando gli effetti secondari, il motivo principale è che se la rugosità aumenta, l’area della superficie reale aumenta rispetto a quella nominale. In pratica, una superficie di 1 mq non perfettamente liscia ha un’area effettiva esposta al vuoto superiore al valore nominale.
Questo effetto è ben noto a chi deve, ad esempio, effettuare incollaggi o verniciature: trattandosi di processi in cui l’adesione dipende dall’area di contatto effettiva, si cerca di massimizzarla aumentando la rugosità del substrato. Nel nostro caso, l’esigenza è opposta: rendere le superfici il più lisce possibile, per minimizzare i tempi di pompaggio.
Conclusioni
In pratica, la possibilità di lavorare con superfici lucidate a specchio è disponibile solo nelle camere EHV (extremely High Vacuum) per uso scientifico. I sistemi da vuoto tendono a sporcarsi a causa dei residui dei materiali depositati, quindi è preferibile utilizzare una finitura che sia un buon compromesso tra la minimizzazione dell’area superficiale effettiva e la facilità di pulizia. Questo è il motivo per cui le camere prodotte da Alca Technology sono pallinate internamente con microsfere di ceramica: l’esperienza dimostra che questo tipo di finitura è l’ideale dal punto di vista pratico.
Buon vuoto a tutti!