Le pompe turbomolecolari sono una delle parti più iconiche di un impianto di deposizione sotto vuoto. Il loro aspetto evoca la struttura di un turbocompressore del tipo utilizzato nei motori degli aerei commerciali a reazione (turbofan).
Osservando le immagini, si può notare la chiara somiglianza nella forma delle due macchine, che può portare a pensare che il principio di funzionamento, in entrambi i casi, sia lo stesso. D’altra parte, in un caso si tratta di comprimere l’aria fino a raggiungere la pressione adatta all’uso nella camera di combustione (turbofan), mentre nell’altro i gas presenti nella camera di deposizione devono essere compressi fino a raggiungere una pressione gestibile dalla pompa di supporto (pompa turbomolecolare). Quindi, il principio di funzionamento sarà lo stesso, giusto? Non proprio!
Le pale presenti nel compressore di un turbofan hanno, in sezione, un profilo alare. Ruotando, trasferiscono energia al fluido sfruttando il fatto che l’aria, nell’intervallo di pressione gestito da queste macchine, si comporta come un fluido viscoso. Questo significa essenzialmente che le molecole di gas che lo compongono sono presenti a un valore di densità tale da essere in grado di interagire tra loro, ad esempio attraverso collisioni. D’altra parte, a una pressione di 1 bar, un centimetro cubo di aria contiene ben 2,7×10¹⁹ molecole! I compressori di questo tipo sfruttano questa forte interazione tra molecole per trasferire l’energia meccanica necessaria al fluido.
In una pompa turbomolecolare, le pale rivolte verso la camera a vuoto ruotano ad alta velocità in un ambiente in cui la pressione è generalmente nell’intervallo 10⁻⁶ ÷ 10⁻⁹ mbar. A queste pressioni, la densità del gas è inferiore alla densità atmosferica di un fattore che varia da un miliardo a mille miliardi di volte. In queste condizioni, le collisioni tra molecole sono ancora possibili, ma molto più rare: il cosiddetto cammino libero medio, per ciascuna di esse, varia da circa 100 m a 100 km. Questo significa sostanzialmente che una molecola può statisticamente percorrere la distanza indicata senza incontrarne altre: date le dimensioni tipiche delle camere a vuoto, si può quindi affermare che tutte le molecole presenti nell’ambiente di lavoro, al valore di pressione di base, urtano solo contro le pareti della camera e le altre parti solide presenti, senza -in pratica- collidere mai tra loro. In queste condizioni, il pompaggio viscoso, come quello adottato nei turbofan, è essenzialmente impossibile: non ci sarebbe trasmissione di energia tra molecola e molecola e l’effetto viscoso sarebbe nullo. La prima conseguenza è che è totalmente inutile realizzare le pale della pompa turbomolecolare con una sezione a profilo alare: e infatti, hanno generalmente una sezione piatta o triangolare, con un certo angolo di incidenza.
In questo caso, le pale, ruotando, agiscono come racchette da ping-pong: il loro ruolo è trasferire quantità di moto alle molecole “colpendole” ad alta velocità: questo momento, data la configurazione delle palette e la loro direzione di rotazione, conferisce alle molecole che collidono una componente di velocità con direzione e verso orientati verso la zona di scarico.
Il gas presente, a questi valori di pressione, si comporta come un gas perfetto: la teoria cinetica dei gas ci fornisce indicazioni precise riguardo alla distribuzione di velocità delle molecole presenti, in funzione della loro massa (e quindi della specie chimica considerata) e della temperatura. A 300 K (più o meno il valore della temperatura ambiente), questa distribuzione è la seguente:
Si può notare che la velocità media aumenta al diminuire della massa della molecola considerata, ed è massima per i gas leggeri come l’idrogeno. Ora, consideriamo una pompa turbomolecolare dotata di pale che, alla sezione di ingresso, hanno un raggio di 200 mm, operante a una velocità di rotazione di 50.000 giri/min. La velocità tangenziale, vicino alla punta di una pala, è pari a circa 1.046 m/s, dello stesso ordine di grandezza della velocità media delle molecole presenti. Questo è il motivo per cui le pompe turbomolecolari devono operare a velocità di rotazione molto elevate: le palline da ping-pong che devono colpire sono altrettanto veloci! Infatti, le più piccole di esse (elio e idrogeno) sono così veloci che le nostre “racchette” faticano a gestirle: per questo motivo queste specie gassose sono le più difficili da rimuovere in una camera a vuoto, se si utilizza una pompa turbomolecolare. Nel caso in cui siano presenti quantità significative di questi gas, o se si deve raggiungere un vuoto di base molto elevato (ad es. 10⁻⁹ mbar) entro un tempo ragionevole, è quindi più conveniente utilizzare altri dispositivi di pompaggio (ad es. pompe criogeniche o pompe ioniche).
Conclusioni
Sebbene le pompe turbomolecolari e i compressori assiali abbiano una forte somiglianza geometrica, il loro principio di funzionamento è profondamente diverso. Nel caso delle pompe turbomolecolari, il flusso è di tipo molecolare, e quindi i principi costruttivi devono basarsi sullo studio della teoria cinetica dei gas, piuttosto che su quello del moto viscoso di un fluido.