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La tecnologia del vuotoGabriele Chiodini

Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Sezione di Lecce

Negli ultimi decenni l’avanzamen-to della tecnologia del vuoto èstato enorme ed ha comportato

l’utilizzo di tecnologie e materiali avanza-ti sviluppati inizialmente nell’ambito del-la ricerca pura. Ormai il raggiungimentodi condizioni di vuoto sempre più spin-to ed in impianti di dimensioni semprepiù grandi è diventato indispensabile permoltissimi settori industriali, tecnologicie scientifici.

La rivoluzione scientifica moderna è stata pos-sibile anche grazie all’avanzamento della tecno-logia del vuoto che ha permesso di osservarenuovi fenomeni (ad esempio l’effetto fotoelettri-co), sviluppare tecniche di analisi rivoluzionarie(ad esempio la spettroscopia di massa) e costrui-re macchinari d’indagine senza precedenti (adesempio gli acceleratori di particelle1).

Gli obiettivi scientifici più ambiziosi richiedo-no un costante miglioramento delle tecniche divuoto e ciò ha portato a grandiose realizzazioni,impensabili sino a qualche anno fa.

1Nel 1923 Wideröe progettò il betatrone scoprendo lafamosa regola 2:1 tra campo accelerante e campo gui-da che garantisce un incremento di energia con orbitacostante per un fascio di elettroni iniettato in una ciam-bella priva di aria. Wideröe non riuscì a costruire unbetatrone funzionante per problemi di vuoto e solonel 1940 Kerst reinventandolo ne realizzò uno acce-lerando elettroni fino a 2.2 milioni di elettronvolt. Ilbetatrone sebbene sviluppato per l’indagine di feno-meni nucleari è attualmente impiegato in medicina enell’industria soprattutto come sorgente portatile diraggi X per eseguire radiografie.

Oggi, si raggiungono pressioni di 10−9 mbar(1 Atmosfera ≈ 103 mbar) su grandi volumi(> 100 m3), come nelle macchine acceleratricimoderne [1]. Condizioni estreme di pressione,fino a circa 10−12 mbar, confrontabili con quellepresenti nello spazio siderale, sono riprodottesu piccoli volumi (< 0.1 m3) nella ricerca suimateriali. In Fig. 1 sono riportati i range dipressione impiegati nei vari ambiti di ricerca enella parte alta la classificazione dei vari regimidi vuoto.

La forte spinta migliorativa nasce non soloda esigenze puramente scientifiche, ma ancheda precise richieste di alcuni settori della tec-nologia. La tecnica di produzione del vuoto siapplica infatti ad un grande numero di impianticon scopi e necessità di livello di vuoto anchemolto diversi come si vede nella Fig. 2.

Le ragioni per cui si desidera produrre ilvuoto sono legate alla natura dell’applicazioneconsiderata e quindi possono essere molteplici:

• impedire processi chimici e fisici causatidall’azione dei gas atmosferici, come com-bustione e scariche elettriche in filamenticaldi,

• rallentare i processi di decomposizio-ne organica dovuti ad agenti aerobici(imballaggio sotto vuoto),

• aumentare il libero cammino medio di elet-troni, ioni, atomi e molecole per permette-re loro di raggiungere superfici o bersagliopportuni, senza urti con molecole estra-nee, ad esempio nella metallizzazione sot-to vuoto e nelle macchine acceleratrici diparticelle,

Ithaca: Viaggio nella Scienza X, 2017 • La tecnologia del vuoto 23

Figura 1: Range di pressione nei metodi di indagine ed analisi fisici e chimici. Credit: Leybold.

• ridurre la frequenza di collisione di mole-cole e atomi che compongono il gas conle superfici per allungare i tempi di conta-minazione delle superfici stesse (studi distruttura e composizione di superfici solide;preparazione di film sottili),

• aumentare l’isolamento termico, ad esem-pio nei dewar e nei dispositivi a bassissimatemperatura,

• eliminare i gas e vapori contenuti in unmateriale, per esempio degasaggio di oli eliofilizzazione di materiali organici,

• simulare particolari situazioni fisiche co-me quelle incontrate dai satelliti e navicellenello spazio.

L’ultra-alto-vuoto

Nel linguaggio comune si parla di vuoto quan-do c’è una depressione rispetto alla pressioneatmosferica. Invece nella tecnologia del vuotoci si riferisce a condizioni di alto vuoto (HV)e/o di ultra-alto-vuoto (UHV), quando il gas sitrova in regime molecolare, cioè quando esso ècosì rarefatto che le collisioni di una molecolacon le altre, sono molto meno frequenti dellecollisioni con le pareti della camera che contieneil gas (vedi Fig. 3).

I livelli pratici di alto vuoto raggiungono va-lori di pressione di circa 10−6 mbar mentre ilivelli di ultra-alto-vuoto sono caratterizzati dapressioni inferiori a 10−9 mbar. Infatti nei labo-ratori di ricerca spesso si lavora con livelli divuoto fino a circa 10−5 mbar che si possono rag-giungere con una pompa meccanica primariaseguita da una turbomolecolare secondaria.

Per pompare la camera a livelli di ultra-alto-vuoto oltre alla pompa turbomolecolare si usanouna o più dei seguenti tipi di pompe: turbomo-lecolare, ionica, a sublimazione di titanio, get-ter non evaporativo e criopompa. Le pressioniUHV vengono misurate mediante misuratori diioni, ad esempio un filamento caldo o di tipomagnetronico invertito.

Il raggiungimento del regime di ultra-alto-vuoto richiede diversi accorgimenti, l’impiegodi materiali speciali e tecniche di processamentospecifiche, come il preriscaldamento (bake-out)dell’intero sistema per diverse ore prima del-l’uso che permette di rimuovere tracce residuedi acqua e altri gas che sono adsorbite nellesuperfici della camera.

Bake-out

La camera a vuoto è racchiusa in un materialeresistente al calore e riscaldato ad una tempera-tura di circa 180 ◦C mediante dei forni. Dopo24 ore di cottura, i forni vengono rimossi e la


Figura 2: Range di pressione nei processi in vuoto industriali. Credit: Leybold.

camera si raffredda. Una volta a temperatu-ra ambiente, la camera può raggiungere unapressione nella regione UHV.

Il processo di riscaldamento elimina gli atomidi gas dalle superfici delle pareti della came-ra (se la camera non fosse sottoposta a que-sto procedimento si impiegherebbero mesi perraggiungere le condizioni di UHV).

Figura 3: I regimi di vuoto sono distinti dal numerodi Knudsen Kn=λ/d definito dal rapporto tralibero cammino medio delle molecole λ e ledimensioni lineari del recipiente d.

Materiali per UHV

Le guarnizioni utilizzate tra i componenti inun sistema UHV devono impedire qualsiasi mi-nima perdita. Le guarnizioni interamente me-talliche sono le uniche in grado di mantenerel’integrità del UHV. Queste guarnizioni hannodei bordi a lama di coltello su entrambe le facceritagliate da un metallo morbido, tipicamenterame.

Le camere a vuoto fabbricate in acciaio inoxsono ampiamente utilizzate sia in regime di altovuoto che di ultra-alto-vuoto. Tuttavia, ci sonoaltri materiali da costruzione che possono averedei vantaggi: alluminio, titanio, rame e metallispecializzati. Ad esempio, l’alluminio rilasciameno idrogeno, vapore acqueo e vapori di idro-carburi nell’ambiente di vuoto consentendo ciclipiù rapidi e con meno pompaggio. Le camereda vuoto in rame o in leghe di rame vengo-no utilizzate per applicazioni non magnetiche,radiofrequenze (RF) e ad alta conducibilità ter-mica. Le camere da vuoto in titanio, con i lorobassi livelli di permeazione all’idrogeno, offronoproprietà di gettering (vedi pompa getter). Spes-so ciascun componente dell’impianto è trattatoa parte prima dell’assemblaggio per renderloidoneo all’ambiente di ultra-alto-vuoto.


Perdite in un impianto a vuoto

La fuoriuscita in generale di sostanze gassose(da superfici interne o da materiali di costru-zione) è un problema significativo per i sistemiUHV. La perdita di gas da materiali utilizzatiall’interno di una camera da vuoto viene ridottaal minimo grazie a un’attenta selezione di quellicon basse pressioni di vapore (ad esempio vetro,acciaio inossidabile, ceramica). Le plastiche e lecolle sono spesso sorgenti di gas e devono aversubito un processamento di degasaggio primadi essere usate in ambiente UHV.

La fuoriuscita dalle superfici della camera èun problema più sottile. A pressioni estrema-mente basse, cresce la probabilità che molecoledi gas siano adsorbite dalle pareti della camera,quindi la superficie totale interna di una cameradiventa un parametro più critico del volumedella stessa.

Il vapore acqueo è una fonte significativa digas residuo, particolarmente quando la came-ra viene aperta in aria poiché qualsiasi vaporeacqueo presente assorbe altre contaminazionied evapora dalle superfici troppo lentamenteper essere rimosso completamente da un pom-paggio a temperatura ambiente, ma abbastanzavelocemente da indurre un livello continuo dicontaminazione di fondo. La rimozione del-l’acqua e dei gas simili richiede generalmenteil riscaldamento da 180 ◦C a 400 ◦C mentre lepompe a vuoto sono in funzione.

Durante l’uso, le pareti della camera possonoessere raffreddate usando azoto liquido per ri-durre ulteriormente il degasaggio. L’idrogeno eil monossido di carbonio sono i gas residui piùcomuni presenti dopo il riscaldamento perchèrilasciati da materiali quali acciai inossidabili.

Precauzioni utili

Accorgimenti importanti per ottenere unapressione di ultra-alto-vuoto sono i seguenti:

• ridurre al minimo le dimensioni della ca-mera ed in particolare la sua superficieinterna;

• utilizzare alte velocità di pompaggio me-diante più pompe a vuoto collegate in seriee/o in parallelo;

• impiegare un tubo ad alta conducibilità(grande diametro, circuito con ostruzioniminime, valvole, ecc.);

• utilizzare materiali a basso rilascio digas dalle superfici (acciaio inossidabile,alluminio, titanio, ecc.);

• evitare di creare pozzi di gas intrappolatidietro bulloni, saldature di vuoti, ecc .;

• elettrolucidare tutte le parti metallicheinterne dopo la lavorazione o la saldatura;

• usare materiali a bassa pressione di vapo-re (ceramica, vetro, metalli, teflon se nonscalfito);

• scaldare il sistema per rimuovere acqua oidrocarburi adsorbiti alle pareti;

• raffreddare le pareti della camera da vuotoa temperature criogeniche durante l’uso;

• usare guanti per evitare tutte le tracce diidrocarburi presenti sulle mani.

I fondamenti del vuoto

La comprensione del regime di ultra-alto-vuotonelle applicazioni reali richiede nozioni speci-fiche [2, 3, 4]. A queste basse pressioni il per-corso libero medio di una molecola di gas è didecine di km, quindi le molecole del gas resi-duo si scontrano con le pareti della camera piùfrequentemente di quanto si scontrino tra loro.Conseguentemente, quasi tutte le interazioni delgas si svolgono sulle superfici della camera.

In queste condizioni il regime di flusso del gasè molecolare (opposto al flusso laminare dei flui-di) e gli effetti di superficie sono fondamentalinel determinare il vuoto limite.

La legge di Ohm del vuoto

Nei sistemi in cui si pratica l’alto vuoto si in-staura una condizione di regime dinamico tra lacontinua immissione di gas (dovuta alla permea-zione, ad eventuali microperdite ed al rilasciodi molecole dalle pareti, detto fenomeno di dega-saggio) e l’evacuazione continua da parte dellepompe da vuoto connesse alla camera.

Questo stato stazionario è descritto utilizzan-do due quantità:

• il flusso di gas S, misurato in m3s−1, det-to anche velocità di pompaggio S= dV/dtdove dV è volume di materia elementareche attraversa la superficie nel condottonell’intervallo di tempo elementare dt,


Figura 4: a) Definizione di conduttanza e di velocità di pompaggio efficace. b) e c) Conduttanza in serie e parallelo.

• la portata Q (throughput) misurata inm3·mbar·s−1 ed espressa dalla relazioneQ= P·S dove P è la pressione del gas. Es-sa è direttamente connessa con il flusso dimateria nel recipiente a pressione P.

Supponiamo di avere un condotto che collegadue recipienti alle pressioni P1 e P2, rispetti-vamente. Knudsen ha dimostrato che in con-dizioni di regime molecolare, assumendo unadistribuzione Maxweliana di velocità, la portataQ dipende dalla geometria del condotto e dal-la differenza di pressione, cioè Q = C (P1 - P2)dove il coefficiente C prende il nome di condut-tanza e ha le stesse dimensioni della velocità dipompaggio S.

Tale legge è nota anche come la legge di Ohmdella fluidodinamica per la somiglianza formalecon la legge che lega la differenza di potenzialeapplicata ai capi di una resistenza elettrica e lacorrente che vi scorre (Fig. 4).

Risulta molto pratico utilizzare il concetto divelocità di pompaggio efficace Seff che consentedi includere nella velocità di pompaggio dellapompa anche l’effetto della presenza delle con-duttanze dei tubi di connessione alla camera davuoto.

La relazione Q = P Seff=SpompaPpompa definiscela velocità di pompaggio efficace quella che si haalla pressione della camera a vuoto P a parità dithroughput. Dalla legge di Ohm della fluidodi-manica otteniamo Q= C (P-Ppompa). Eliminandola pressione della pompa dall’espressione pre-cedente si ottiene S−1

eff = C−1+S−1pompa. Da questa

relazione risulta chiaro quanto la conduttanzadella connessione riduca l’effettiva portata dellapompa.

Effetti di superficie

La quantità di gas rilasciata dalle pareti deter-mina la pressione finale di lavoro a partire dacondizioni di vuoto medio (Fig. 5a).

L’evacuazione del gas di volume è un pro-cesso relativamente rapido e, superato il vuotomedio, il pompaggio delle camere subisce unrallentamento dettato dalla frequenza con cuile pareti rilasciano molecole di gas e quest’ulti-mo fenomeno determinana la pressione finaleottenibile (Fig. 5b).

In Fig. 6 sono schematizzate le diverse intera-zioni tra le molecole del gas residuo e le paretidella camera a vuoto che verrano ora discusse.

Tra tutte le molecole che urtano la superficiedi una camera da vuoto solo una certa frazio-ne vi aderisce concorrendo a formare un monostrato di ricopertura. Diremo allora che le mo-lecole che aderiscono alla superficie sono statesoggette al fenomeno di adsorbimento. Se poi lemolecole del gas si legano debolmente con lemolecole della stessa specie già adsorbite, alloraconcorrono a creare altri strati depositati sullaparete: parleremo in tal caso di fenomeno di con-densazione. In pratica si ha un cambiamento difase dallo stato gassoso a quello liquido o solido.In questi processi gioca un ruolo fondamentalela temperatura della superficie.

Infine, se le molecole del gas diffondono al-l’interno della matrice cristallina della pareteo penetrano nelle sue porosità a tal punto daessere trattenute, allora parleremo di fenomenodi absorbimento (o più semplicemente assorbimen-to). La quantità di gas che può essere assorbitada una parete dipende dal coefficiente di solu-bilità e dalla costante di diffusione del gas nelsolido. In realtà pochi gas diffondono signifi-


Figura 5: a) Le sorgenti di gas residuo in una camera avuoto. b) Andamento nel tempo della pressionein una camera a vuoto dall’inizio dell’evacua-zione del gas. L’evacuazione del gas di volumeè rapida (legge di decadimento esponenziale)mentre l’evacuazione dei gas residui è più len-ta e caratterizzata da una legge di potenzaspecifica della sorgente. La permeazione, sem-pre presente, ed eventuali microperdite, invece,determinano la pressione asintotica finale delsistema.

cativamente nei materiali solidi, fatta eccezioneper l’idrogeno e l’elio.

La molecola che aderisce alla superficie è cat-turata da un potenziale attrattivo generato dal-l’interazione con la parete. Se la buca di poten-ziale ha dimensioni di 0.1-0.3 nm classifichere-mo il processo come adsorbimento chimico (che-misorzione), mentre se ha dimensioni dell’ordinedi 0.4 nm come adsorbimento fisico (fisisorzione).

Nella chemisorzione l’adesione della moleco-la alla parete implica la messa in comune dielettroni di valenza dei costituenti del gas e del-la parete. Tale processo è selettivo e dipendefortemente dalla natura del gas e delle pareticon cui interagisce. Inoltre l’adsorbimento chi-mico è responsabile della formazione di unostrato mono molecolare soltanto, visto che essopuò aver luogo sino a che vi siano legami di

valenza disponibili. La chemisorzione è spessoaccompagnata da rotture di legami chimici conconseguente dissociazione molecolare: a taleprocesso è associata un energia di attivazioneEa.

L’adsorbimento (sia chimico che fisico) com-porta una riduzione dei gradi di libertà delleparticelle del gas e quindi il processo d’adsorbi-mento è esotermico. Il fenomeno opposto, cioèil rilascio di molecole dalle pareti, detto desorbi-mento o degasaggio, avviene con assorbimentodi calore da parte del gas.

Dalle considerazioni fatte in precedenza è evi-dente che, per accelerare il rilascio delle moleco-le adsorbite occorre fornire energia alle pareti.Ciò viene fatto nei modi più disparati, quali ilbombardamento della superficie tramite parti-celle cariche (ad esempio ad LHC) e radiazioneelettromagnetica. Tuttavia, come già anticipato,il modo più semplice e di utilizzo comune neisistemi d’alto vuoto, è il riscaldamento dellepareti dell’impianto.

Figura 6: Fenomeni fisici responsabili della cattura sullasuperfice della parete di una camera a vuotodelle molecole del gas residuo in condizioni diregime molecolare.

Tuttavia, se da un lato l’adsorbimento costitui-sce un aspetto negativo per il raggiungimentodi un alto vuoto, dall’altro esso è abilmentesfruttato in alcuni casi fondamentali.

L’adsorbimento fisico è alla base delle pompechiamate comunemente criogeniche (vedi pa-ragrafo successivo). Quando si vuole evitare


l’utilizzo di pompe che possono lasciare negliimpianti tracce di idrocarburi dovuti all’olio uti-lizzato nelle pompe, allora si opta per questisistemi basati sull’utilizzo di polveri o granulidi materiale che presenta un alto rapporto su-perficie/volume e che viene raffreddato a bassatemperatura. Ad esempio le Zeoliti sono portatea 77 ◦K (temperatura d’ebollizione di azoto apressione atmosferica), mentre le temperatured’esercizio delle pompe a carbone attivo sonotipicamente più basse (da 4 a 20 ◦K). L’uso dellebasse temperature è cruciale perché i legami do-vuti alle forze di Van der Walls della fisisorzionesono deboli e quindi l’energia termica delle mo-lecole deve essere ridotta in modo da consentirel’intrappolamento nella buca di potenziale, pocoprofonda, del sito d’adsorzione.

L’adsorbimento chimico trova applicazione indiversi tipi di pompe dette getter, la cui utilità ènotevole soprattutto se i gas da adsorbire sonoattivi. Tali pompe sono costituite da sottilissimistrati di metallo quali Ti, Ba, Zr, Ta o leghe comeZr-Al, Ti-Zr che vengono portate ad una tempe-ratura d’esercizio tra i 20 e i 400 ◦C. Il titanio èspesso impiegato in sistemi che sono destinatia sopportare numerosi cicli di pressione tra lacondizione di vuoto e quella di pressione at-mosferica, mentre il bario è spesso depositatoall’interno di piccoli sistemi da vuoto, come levalvole elettroniche e i tubi a raggi catodici che,una volta costruiti, restano sotto vuoto tutta laloro vita. Infine ricordiamo che l’adsorbimentochimico è un processo selettivo e questa proprie-tà è sfruttata nel processo di selezione dei gasrari. Questi ultimi sono tipicamente gas nobiliche non reagiscono con i getter che al contrarioadsorbono le impurezze presenti nel gas.

Le pompe da vuoto

Poichè il vuoto è indispensabile per molte ap-plicazioni è necessario produrlo in ambienti orecipienti adatti attraverso opportuni dispositividette pompe da vuoto (Fig. 7).

Esistono diversi tipi di pompe da vuoto checoprono differenti intervalli di pressione. Ognitipo di pompa è caratterizzato dai valori dellavelocità di pompaggio e della pressione limi-te. La velocità di pompaggio dipende dallapressione all’ingresso della pompa e presentasempre un andamento decrescente al diminuiredella pressione di lavoro. Solo in alcuni casi

si ha una diminuzione della velocità di pom-paggio a pressioni elevate. È utile sapere chela pressione finale P f di un impianto a vuotonon coincide con la pressione limite Pl dellapompa. Infatti la conduttanza C dei tubi checonnettono il sistema alla pompa a vuoto causauna caduta di pressione inevitabile proporzio-nale alla portata Q secondo la relazione Q = C(P f - Pl) necessaria a far fluire il gas dal sistemaalla pompa (vedi paragrafo sulla Legge di Ohmdella fluidodinamica).

Le pompe rotative

Sono le pompe meccaniche comunemente usateper produrre il vuoto primario (basso e mediovuoto) partendo dalla pressione atmosferica ene esistono di due tipi: a palette ed a pistonerotante.

La pompa rotativa a palette è costituita da unrotore provvisto di palette mobili che ruota ec-centricamente in una cavità cilindrica connessaal condotto di ingresso e di uscita. Le palet-te vengono tenute a contatto con la superficieinterna della cavità cilindrica da una molla edun velo d’olio garantisce la tenuta. La varia-zione di volume delle camere crea depressioni(fase di aspirazione) e compressioni dell’aria (fa-se di scarico). Nella fase di aspirazione il gasviene estratto dalla camera da vuoto tramite ilmanicotto di aspirazione, successivamente gra-zie all’eccentricità del rotore la camera continuaad aumentare di volume. Una volta raggiuntoil volume massimo il manicotto di aspirazioneviene chiuso da una seconda paletta mentre lacamera della pompa comincia a diminuire divolume consentendo ai gas di essere espulsi dalmanicotto di scarico (Figura 8).

In generale, nelle pompe meccaniche, la lubri-ficazione delle parti in moto e la tenuta da vuotodel sistema sono assicurate da oli speciali a bas-sa tensione di vapore. La pressione di scaricodei gas compressi deve essere più elevata dellapressione atmosferica, per cui sono necessarirapporti di compressione (rapporti tra pressio-ne di uscita e di ingresso) molto grandi (dell’ordine di 105) per ottenere una pressione finaledi 10−2 mbar all’ingresso della pompa. La pres-sione finale delle pompe rotative ad un singolostadio ricade tipicamente nell’intervallo che siestende da 10−2 mbar (per le pompe di picco-la velocità di pompaggio S < 50 m3/h) a 10−3

mbar (per le pompe con velocità di pompaggio


Figura 7: Tecnologie di pompe a vuoto per differenti range di pressione riportati nella terza colonna di sinistra. Nellaprima e seconda colonna di sinistra sono riportati i valori del libero cammino medio molecolare e dell’altezzaatmosferica corrispondenti a quei range di pressione.

più elevata). Tale limite non è determinato dalmeccanismo di pompaggio, ma è imposto dallasolubilità dei gas nell’olio lubrificante. Infattil’olio espulso attraverso la valvola di scarico èsaturo dei gas o vapori che si sono in esso di-sciolti durante la fase di compressione, ritornanel serbatoio dell’olio e successivamente è im-messo di nuovo nella cavità cilindrica. Lì l’oliorilascia parte dei gas o vapori in esso discioltied in questo processo si possono determinarele condizioni per un sensibile peggioramentodelle prestazioni della pompa. In particolare,quando i gas aspirati sono in prevalenza vaporiche si condensano nella fase di compressione(ad esempio vapori di acqua), per evitare il ve-rificarsi di questa circostanza si ricorre ad unparticolare accorgimento: zavorrare la pompacon l’aria dell’ambiente (apertura del gas ballast).

Per avere pompe meccaniche con velocità dipompaggio ancora più elevata è stato conce-pita la pompa rotativa a pistone rotante. Inessa l’albero di rotazione del rotore è coassia-le rispetto alla cavità cilindrica mentre il corpodel rotore (camma) è eccentrico rispetto all’al-bero. Un pistone cavo trascinato dalla cammaeccentrica pone in comunicazione il recipienteda evacuare con la cavità cilindrica. La camma

nella sua rotazione fa sì che il pistone scorra conmoto alternativo nella guida (oscillante nellasua sede) e metta alternativamente la cameradi compressione in comunicazione con il reci-piente da evacuare oppure la isoli. Il rotoredurante il suo moto comprime i gas fino adespellerli nell’atmosfera attraverso la valvola discarico. Notiamo infine che le pompe a pisto-ne rotante per le loro caratteristiche costruttivesono più adatte delle pompe a palette per legrandi portate volumetriche (50-500 m3/h).

Figura 8: Schema di funzionamento di una pompa rota-tiva. In azzurro viene indicato il volume difluido spostato durante un ciclo.


Le pompe a diffusione

Le pompe a diffusione non possono immetterei gas aspirati direttamente nell’atmosfera comenel caso delle pompe rotative, perchè la loropressione di lavoro si estende da qualche 10−3

a 10−10 mbar per tutti i gas. Occorre prevedereallora che il recipiente da svuotare sia inizial-mente connesso ad una pompa meccanica (pom-pa primaria) che porti il vuoto a valori tali dacadere nell’intervallo operativo della pompa adiffusione.

Nelle pompe a diffusione si utilizza un gettodi molecole ad alta velocità di un vapore cheha la funzione di trasferire per urto quantità dimoto alle molecole del gas da evacuare in dire-zione della bocca di pompaggio. Nelle pompedi prima generazione si utilizzavano vapori dimercurio, nelle pompe attuali si utilizzano olispeciali con tensioni di vapore a temperaturaambiente di 5·10−9 - 10−10 mbar.

Le molecole di vapore, provenienti dal liquidoin ebollizione localizzato alla base della pompa,passando attraverso una strozzatura anulare aforma di becco, acquistano una velocità di alcu-ne centinaia di m/s diretta verso il basso, dovesi trova la bocca di aspirazione connessa allapompa meccanica che assicura il pre-vuoto, everso la parete fredda della pompa. Le molecoledel gas che arrivano alla bocca della pompa adiffusione vengono trascinate nel getto di vapo-re ed acquistano una quantità di moto direttaverso il basso. Quando le molecole di vapore delgetto incidono sulla parete fredda vengono con-densate e ritornano sotto forma di liquido nelbagno che sta alla base della pompa, assicuran-do la continuità del meccanismo di pompaggio.Il trasferimento di una quantità di moto nettaalle molecole dei gas che attraversano il getto sitraduce in una differenza di densità molecolaree quindi di pressione tra le due regioni separatedal getto di vapore (Figura 9).

Il peso molecolare degli oli impiegati è note-volmente superiore al peso molecolare dei gasresidui (400 - 500 masse atomiche), ed il rappor-to di compressione è più piccolo per gas residuidi massa molecolare più bassa, quindi questotipo di pompa è meno efficiente per i gas leggericome l’idrogeno e l’elio.

Un tipico schema di pompa a diffusione apiù stadi consiste di un cilindro con una flangiasuperiore per il collegamento al recipiente daevacuare e con un fondo contenente una resi-

stenza da fornello elettrico per produrre i vaporidel fluido di pompaggio (negli attuali sistemicommerciali più diffusi si tratta di olio mineraleparticolare). La camicia esterna della pompa èraffreddata per circa due terzi della sua altezzacon una serpentina in cui circola acqua.

Una bocca d’uscita posta in prossimità delfondo permette di scaricare i gas a pressionepiù elevata verso la pompa rotativa. Sulla boccadi connessione al recipiente sul condotto conla pompa meccanica sono poste trappole benraffreddate (ad acqua o con freon o con azotoliquido) per evitare sia la diffusione del vapored’olio nel recipiente da evacuare sia la diffu-sione del fluido nella pompa meccanica. Lavelocità di pompaggio in una pompa a diffu-sione varia con il tipo di gas. Notiamo che lapressione finale è determinata principalmentedalla tensione di vapore del fluido di pompag-gio e più specificatamente dai prodotti che siformano attraverso il processo di rottura dellemolecole dei fluido stesso (cracking).

Figura 9: Schema di una pompa a diffusione.

Le pompe turbomolecolari

Le pompe turbomolecolari sono disponibili com-mercialmente dalla fine degli anni ’50. Per il lo-ro funzionamento è necessario disporre di unapompa meccanica primaria che mantenga unapressione di 10 −3 mbar nella regione a pressio-ne più elevata. Si ottengono così pressioni finalidell’ordine di 10−9 mbar e la velocità di pom-paggio presenta un andamento praticamentecostante in tutto l’intervallo operativo.

In questo tipo di pompe le molecole dei gassono trascinate verso la bocca di evacuazione


da un sistema di palette opportunamente di-stanziate ed inclinate e poste in rapidissima ro-tazione all’interno di una cavità cilindrica. Lemolecole che si trovano nelle due regioni del vo-lume della pompa turbomolecolare separate dalsistema di palette in moto, hanno probabilitàdiverse di diffondere nei due sensi, ciò provocadensità molecolari differenti nelle due regionie quindi un gradiente di pressione. In praticale palette in rotazione urtano le molecole d’a-ria, spingendole verso le palette dello statoresuccessivo che sono ferme, l’urto contro queste,grazie al loro orientamento, fa passare le mo-lecole alle palette del rotore successivo, dove ilprocesso si ripete. Queste palette sono orientatein maniera progressiva in modo da adattarsialle differenti pressioni presenti all’interno dellapompa turbomolecolare stessa (Figura 10).

Per avere un rapporto di pressione elevatoed un flusso netto elevato (requisiti base peruna pompa da vuoto) si agisce sull’angolo diinclinazione delle palette e sul rapporto tra ladistanza tra due palette successive e la loro lar-ghezza. Nelle pompe turbomolecolari modernela velocità di rotazione delle palette è di deci-ne di migliaia di giri al minuto e la velocitàperiferica raggiunge centinaia di metri al se-condo. Disponendo più sistemi di palette incascata si ottengono rapporti di pressione sinoa 106. In una pompa turbo occorre assicurarel’assoluta assenza di agenti inquinanti del vuo-to. Per questo motivo l’asse di rotazione dellapompa è sospeso con cuscinetti magnetici chelimitano l’attrito eliminando allo stesso tempola necessità della lubrificazione.

Figura 10: A sinistra la foto di una pompa turbomo-lecolare reale ed a destra il suo schema difunzionamento.

Le pompe a getter e ioniche

Queste pompe sono state sviluppate e commer-cializzate agli inizi degli anni ’60. Esse sfruttanodue processi distinti per evacuare le varie speciedi gas presenti in un impianto a vuoto: l’adsor-bimento chimico per i gas reattivi (ad esempioH2, N2, 02, H20, CO, CO2) e l’assorbimento peri gas nobili o poco reattivi (He, Ne, Ar, CH4, ...).

Noi abbiamo già parlato nei paragrafi prece-denti di adsorbimento chimico dei gas reattivi(gettering). Qui ricordiamo come alcuni mate-riali come il titanio, lo zirconio ed il tantalioposseggono notevoli capacità di adsorbimentochimico a temperatura ambiente nei confrontidei gas reattivi presenti nell’atmosfera.

Il titanio è tipicamente preferito per le applica-zioni del vuoto a causa della relativamente altatensione di vapore e della sua reattività chimicaa largo spettro. In una pompa ionica la sorgentedi titanio è riscaldata sino alla temperatura disublimazione (1500 ◦C) in maniera che producaun deposito (film) di titanio altamente reattivosulle pareti che circondano la sorgente. Le mole-cole dei gas attivi che incidono sul film di titanioreagiscono chimicamente formando compostistabili quali ossidi, idruri e nitruri di titanio: siha così una efficace azione di pompaggio neiconfronti di tali gas.

Gli idruri di titanio devono trovarsi a tempe-ratura ambiente o a temperatura inferiore perlimitare a valori accettabili le pressioni di equi-librio per il processo di dissociazione. Negliimpianti a vuoto il film di titanio è in grado dipompare i gas attivi per un tempo limitato (sinoa quando la superficie dei film non è saturata) equindi si rendono necessarie frequenti deposi-zioni e, se la portata dei gas è elevata, è richiestauna deposizione continua di titanio. La velocitàdi pompaggio cresce al diminuire della pressio-ne. Al contrario, a pressioni sufficientementebasse (P < 10−7 mbar) la velocità di pompaggiotende ad un valore limite indipendente dallapressione.

In alcuni tipi di pompe ioniche il pompaggiodei gas nobili e dei gas meno reattivi (ad esem-pio il metano) è attuato mediante ionizzazionedelle molecole con un fascio di elettroni. Gli ionidel gas nobile, prodotti per ionizzazione, sonoindirizzati da intensi campi elettrici sul film dititanio dove vengono intrappolati e successiva-mente ricoperti dal deposito di nuovi strati dititanio. Il fascio di elettroni, prodotto da un


filamento caldo, ha un’efficienza di ionizzazio-ne piuttosto limitata. Per questa ragione, comeper i vacuometri a ionizzazione, si è preferito ilprocedimento di scarica di tipo Penning, cioè inpresenza di un campo magnetico (Figura 11).

La pompa ionica in questo caso è costituita daun sistema di celle di Penning adiacenti immer-se in un campo magnetico diretto assialmented’intensità 0.1-0.2 T. Le differenze di potenzialetra la struttura anodica e quella catodica pos-sono variare tra 2 e 10 kV. La scarica si auto-sostiene attraverso la ionizzazione multipla deigas residui e attraverso l’estrazione di elettronidal catodo freddo che viene bombardato dagliioni prodotti nella scarica stessa. Gli ioni cheincidono sul catodo con energie di parecchiedecine di eV possono liberare, oltre agli elet-troni, anche gli atomi superficiali del materiale(effetto di sputtering) e penetrare in profonditàrimanendo intrappolati nel reticolo cristallinodel catodo. Costruendo il catodo in titanio siottiene, oltre all’assorbimento dei gas nobili io-nizzati, la formazione continua di un film dititanio che provvede all’adsorbimento chimicodei gas reattivi.

II processo di assorbimento dei gas nobili èin realtà più complesso in quanto, a causa dellosputtering che erode progressivamente il cato-do, gli atomi imprigionati nel reticolo possonoessere rimessi in circolazione. In pratica si rea-lizzano forme degli elettrodi e del catodo talida ottimizzare il processo di assorbimento degliioni.

Anche le pompe ioniche hanno bisogno ov-viamente di un sistema di pompe ausiliario cheproduca un vuoto primario compreso tra 10−1 e10−3 mbar, così da consentire alle pompe ionichedi arrivare a vuoti dell’ordine di 10−9 mbar.

Figura 11: Schema di funzionamento di una pompaionica.

Il getter non evaporativo (NEG)Il getter non evaporativo (NEG)Il getter non evaporativo (NEG)

Uno dei successi più spettacolari dellepompe a getter è rappresentato dalraggiungimento delle condizioni divuoto estremo nella ciambella di 27km di lunghezza della macchina acce-leratrice di particelle LEP (acronimodi Large Electron Positron collider)sita presso il CERN di Ginevra. Inquesto caso sono state usate dellepompe getter denominate NEG (NonEvaporated Getter). Si tratta di strisce diZrAl (zirconio-alluminio) che formanocomposti stabili con i prodotti desorbitidalle pareti d’alluminio della lungacamera da vuoto di LEP. Quando lasuperficie del getter è satura, può essererigenerata scaldando il materiale così daconsentire la diffusione del compostostabile all’interno della matrice solidadel getter.

Le pompe criogeniche

Una parete fredda esplica un’azione di pompag-gio nei confronti di quei vapori o gas che hannoun’elevata temperatura d’ebollizione e presen-tano quindi una piccola tensione di vapore allatemperatura della parete fredda. Questo è ilprincipio sfruttato dalle pompe criogeniche. Èimportante osservare che con le pompe crioge-niche la pressione ultima di un gas è sempresuperiore alla tensione di vapore saturo dei gasalla temperatura della parete fredda.

L’acqua e l’anidride carbonica raggiungonovalori inferiori a 10−9 mbar a 77 ◦K, mentre peril metano, l’argon, l’azoto e l’ossido di carboniooccorre arrivare sino a 20 ◦K per avere similivalori della tensione di vapore e per il neon acirca 7 ◦K. L’idrogeno e l’elio rappresentano ilmaggior problema. Infatti l’idrogeno solidifica atemperature inferiori a quella d’ebollizione del-l’elio liquido e quindi il suo crio-assorbimento


viene ottenuto abbassando la temperatura dellaparete fredda sotto 4 ◦K o sfruttando particolarimeccanismi quali l’intrappolamento criogenico(cryotrapping) e l’assorbimento criogenico (cryo-sorption). La solidificazione dell’elio non è osser-vabile regolando semplicemente la temperaturae quindi la percentuale d’elio negli impiantideve essere abbassata utilizzando altri metodi.

In realtà, per valutare la velocità effettiva dipompaggio nel caso di pompe operanti alla tem-peratura dell’elio liquido, bisogna tener contodella presenza di uno schermo termico. Que-st’ultimo è normalmente raffreddato con azotoliquido ed ha la funzione di ridurre la potenzad’irraggiamento termico incidente sulla paretefredda e di ridurre quindi il consumo di elioliquido. Tale schermo riduce la velocità effettivadi pompaggio sia attraverso una diminuzionedella conduttanza sia attraverso una riduzionedella velocità media delle molecole e quindi delloro flusso.

La quantità di gas che può essere pompatada una parete fredda è limitata dal fatto che lospessore di solido depositato sulla parete riduceprogressivamente l’efficacia di pompaggio. Percomprendere come ciò si produca è sufficientetener presente che la temperatura della super-ficie libera del solido si discosta sempre di piùda quella della parete fredda al crescere dellospessore della sostanza condensata. Questo èdovuto al fatto che la potenza depositata sullasuperficie libera del solido (per irraggiamen-to da parte delle pareti dei recipiente o delloschermo ed energia termica delle molecole cat-turate) deve essere evacuata attraverso lo stratosolido che possiede una conducibilità termicageneralmente abbastanza piccola. Per questa ra-gione la pompa criogenica deve essere attivatasoltanto dopo aver effettuato un pre-vuoto nelrecipiente (tipicamente 10−3 mbar) con un’altrapompa e deve essere periodicamente rigenerata.La rigenerazione consiste nell’isolare la pom-pa dal recipiente da evacuare e nel portare lasuperficie fredda a temperatura ambiente in ma-niera che lo strato solido evapori ed i vapori chene risultano vengano evacuati da una pompameccanica.

La pompa criogenica può essere realizzata uti-lizzando come elemento refrigerante un bagnodi liquido (N2, H2, He) oppure un gas freddo (ingenere He) che viene fatto circolare in manieracontinua. Lo schema di pompa a bagno che è

più semplice da realizzare e meno costosa hauna parete del recipiente più interno, riempitocon elio liquido che serve come superficie dicondensazione. Per limitare il consumo di elioliquido il recipiente è circondato da uno scher-mo raffreddato con azoto liquido che riduce,come si è detto precedentemente, la velocità dipompaggio ma agisce come pompa criogenicadei gas o vapori che hanno una elevata tempera-tura di ebollizione (ad esempio CO2). I vantaggiofferti da una pompa criogenica sono rappre-sentati da elevate velocità di pompaggio (alcunemigliaia di l/s) ottenute con dimensioni dellapompa abbastanza contenute, dalla possibilitàdi sagomare la superficie di condensazione se-condo le esigenze sperimentali, dall’assenza divibrazioni (nel caso delle pompe criogeniche abagno).

Gli svantaggi sono rappresentati dalla ridot-ta autonomia (necessità di rabboccare i liquidicriogenici evaporati e di rigenerare la superfi-cie fredda in maniera periodica), dalla scarsaefficacia nel pompare l’idrogeno, dall’impossi-bilità di pompare l’elio. Nelle pompe a flus-so continuo di gas, la superficie fredda è unoscambiatore di calore in cui evapora tipicamen-te dell’elio liquido pompato continuamente inesso. In anni recenti si sono diffuse attualmentecriopompe in cui la parete fredda è realizzatasfruttando la potenza refrigerante prodotta dacriogeneratori. I criogeneratori hanno bisognodi un robusto compressore di elio che raggiungepressioni dell’ordine di un centinaio di atmo-sfere, connesso alla macchina termica tramiteconduttanze flessibili di acciaio inox. Per taluneapplicazioni il limite principale di questa solu-zione è rappresentato dalle vibrazioni associateal compressore.

Il vuoto nelle grandi macchinedella ricerca

Tra i progetti di ricerca della big science bentre hanno bisogno di creare un ambiente diultra-alto-vuoto in elevati volumi (migliaiadi metri cubi) e con controlli e monitoraggisofisticatissimi.

Questi esperimenti colossali sono frutto difinanziamenti notevoli e distribuiti su lunghi ar-chi di tempo, a cui lavorano gruppi numerosi ecoordinati di scienziati e tecnici, dotati di grandilaboratori e apparecchiature d’avanguardia.


Nei paragrafi seguenti illustreremo le parti-colarità relative ai sistemi di vuoto di questegrandi macchine da ricerca.

Il più potente acceleratore di particelle:LHC

Il Large Hadron Collider (LHC) è l’acceleratoredi particelle più potente al mondo situato pressoil CERN di Ginevra [5]. Esso accelera due fascidi protoni fino ad un’energia equivalente a 7.5mila miliardi di elettronvolt ed è utilizzato per lericerche sperimentali nel campo della fisica delleparticelle. È grazie a LHC che i due esperimenti,denominati ATLAS e CMS, hanno scoperto ilbosone di Higgs tra le collisioni dei due fasci diprotoni, la particella responsabile della massadi tutte le particelle conosciute.

LHC ha la particolarità di non avere uno solo,ma tre sistemi di vuoto:

1. vuoto per i due fasci di protoni,

2. vuoto di isolamento termico per i magnetisuperconduttori,

3. vuoto di isolamento termico per la linea didistribuzione dell’elio liquido.

Figura 12: Disegno di uno dei 1010 dipoli supercondut-tori di LHC lunghi 15 m e con un campomagnetico nominale di 8 T.

LHC è in grado di mantenere in orbita i fascidi protoni a quella energia grazie a migliaia didipoli e quadrupoli superconduttori (Fig. 12).Questi crio-magneti sono collocati in 16 sezionid’arco lunghe 48 km e mantenuti a 1.9 K me-diante un bagno di elio superfluido. Le sezioni

d’arco sono connesse tra loro con 6 km di se-zioni dritte, mantenute a temperatura ambiente,dove si trovano i sistemi di controllo del fascioe le regioni di inserimento per gli esperimenti.

È necessario un ultra-alto-vuoto per i tubi incui i fasci di particelle si muovono. Negli archi,l’ultra-alto-vuoto è mantenuto dal pompaggiocriogenico. Poiché i tubi del fascio sono raf-freddati a temperature estremamente basse, essicostituiscono una criopompa quasi perfetta ed igas si condensano e aderiscono alle pareti moltofacilmente. Appena due settimane di pompag-gio sono necessarie per portare la pressione avalori inferiori a 10−10 mbar.

L’ultra-alto-vuoto nelle sezioni a temperaturaambiente è mantenuto grazie a due tecniche:una d’avanguardia ed una tipica dei sistemi diultra-alto-vuoto. In primo luogo queste sezio-ni utilizzano diffusamente un getter coating nonevaporabile o NEG - sviluppato e industrializza-to al CERN - che assorbe le molecole residuequando viene riscaldato. Esse sono rivestite daun coating di lega di titanio-zirconio-vanadio de-positata all’interno dei tubi del fascio. Funzionacome un sistema di pompaggio distribuito, ef-ficace per rimuovere tutti i gas, ad eccezionedel metano e dei gas nobili che vengono inve-ce rimossi da 780 pompe ioniche. In secondoluogo, le sezioni a temperatura ambiente con-sentono di fare il baking di tutti i componenti a300 ◦C. Questa operazione deve essere eseguitaa intervalli regolari per mantenere il vuoto allapressione bassa desiderata.

Il volume più grande da pompare a LHC èil vuoto di isolamento termico necessario permantenere le parti criogeniche a 1.9 K e ridurrela quantità di calore che proviene dall’ambientecircostante posto a temperatura ambiente. Ilvuoto di isolamento ha una pressione di 10−6

mbar per un volume complessivo di circa 9000m3 per i magneti superconduttori e di 5000 m3

per la linea di distribuzione d’elio liquido. Inconfronto, il volume del vuoto dei fasci di parti-celle accelerate è piccolo, infatti esso è costituitoda due anelli con un raggio di 3 cm ed una cir-conferenza di circa 27 km per un volume totalei 150 m3.

In LHC il vuoto arriva a circa 10−10 mbar neltubo del fascio a temperatura criogenica ed a10−11 mbar vicino ai punti di interazione dove siverificano le collisioni che si vogliono studiare.Questi livelli di pressione sono circa cento volte


inferiori a quelli dell’atmosfera lunare; LHC èin effetti lo spazio più vuoto del sistema solare.

Con l’accensione dei fasci nel 2008, il LargeHadron Collider (LHC) è diventato il più gran-de sistema di vuoto operativo al mondo cheutilizza una vasta gamma di tecnologie di vuo-to. La costruzione di questo sistema di vuoto harichiesto più di 250.000 giunti saldati e 18.000guarnizioni a vuoto. I sistemi di vuoto di LHCsono dotati inoltre di 170 misuratori di ionizza-zione Bayard-Alpert e di 1084 strumenti di tipoPirani e Penning per monitorare la pressionedel vuoto.

Gli interferometri per ondegravitazionali: LIGO e VIRGO

L’osservazione delle onde gravitazionali genera-te dalla fusione di coppie di buchi neri e di stel-le di neutroni è sicuramente l’evento scientificopiù importante di questi ultimi anni, che apreuna nuova finestra d’osservazione sull’universo.

Questo è stato reso possibile grazie ai sofisti-cati miglioramenti approntati negli ultimi anniai tre grandi interferometri di Michelson realiz-zati per rilevare le onde gravitazionali: il primodenominato Advanced Virgo, con bracci lunghi3 km e situato nel comune di Càscina (Pi) e glialtri due identici denominati Advanced LIGO,con bracci lunghi 4 km situati negli USA [6].

Figura 13: Una parte di uno dei tubi di acciaio di Ad-vanced Virgo in cui si vedono gli anelli disupporto saldati al tubo a spirale per aumen-tare notevolmente l’integrità strutturale delcilindro. Nel riquadro è mostrato lo schemadi interferometro di Michelson.

I componenti ottici di questi enormi interfero-metri sono collocati in tubi a vuoto dal diametro

superiore al metro e di lunghezza di alcuni chi-lometri, per un volume di circa una decina dimigliaia di metri cubi, e tenuti a pressioni del-l’ordine di 10−9 mbar (Fig. 13). L’area centrale,il cuore dell’interferometro è un immenso tavo-lo ottico sotto ultra-alto-vuoto. Ogni elementoottico è sospeso ad un sistema di isolamentosismico contenuto in una torre da vuoto. Letorri contengono delle cavità Fabry-Perot e sonoconnesse tra loro da tubi a vuoto.

Creare e mantenere questo vuoto è assoluta-mente essenziale per il funzionamento di questiapparati. L’ambiente in condizioni di vuoto im-pedisce alle onde sonore di produrre vibrazionisugli specchi, poiché il suono non può attra-versare il vuoto. Le variazioni di temperaturadell’aria, se presente all’interno dei tubi del fa-scio, altererebbero la forma dell’ottica ad unlivello tale da distruggere la qualità del fasciolaser. Inoltre le correnti d’aria all’interno dei tu-bi potrebbero anche causare il riflesso del laserrendendo impossibile la rilevazione dell’ondagravitazionale. Entrambe queste fonti di rumorepossono essere eliminate operando in vuoto.

Ci sono voluti 40 giorni di pompaggio costan-te per evacuare i colossali tubi fino alla loropressione operativa. In questo tempo, le pompeturbomolecolari hanno rimosso la maggior par-te dell’aria nei tubi mentre i tubi stessi sono statiriscaldati a 150-170 ◦C per rimuovere i gas resi-dui delle pareti interne. Il mantenimento di que-sto vuoto richiede il funzionamento costante dipompe ioniche, che estraggono le molecole fuo-riuscite dai tubi e dalle altre strutture all’internodei sistemi di vuoto, e di criopompe a corren-te liquida che rimuovono le molecole di acqua.Per raggiungere i bassissimi valori di pressionerichiesti sono stati sviluppati processi metallur-gici speciali per la fabbricazione dei componenti,come il desorbimento dell’idrogeno a 400 ◦C.

I tubi a vuoto con un diametro di 1.20 m so-no stati costruiti in segmenti di circa 20 m, conacciaio inox 304L di soli 3 mm di spessore, esaldati a spirale continua. Con il suo contenutodi carbonio relativamente basso questo acciaio èresistente alla corrosione, soprattutto nelle zonesaldate. La ruggine si è inevitabilmente prodot-ta all’interno dei tubi a vuoto essendo la lorofabbricazione avvenuta negli anni ’90. Quindiprima della installazione, le superfici interne deitubi sono state meticolosamente lucidate e pu-lite per rimuovere la ruggine, al fine di evitare


che granelli di ossido cadano sul fascio laser omigrino su superfici ottiche.

I tubi a vuoto sono situati all’interno di tun-nel che devono rimanere molto stabili su lunghiperiodi di tempo. I tunnel sono fatti di elementiprefabbricati di cemento di circa 20 m di lun-ghezza sostenuti da un migliaio di pilastri cheraggiungono gli strati più stabili del terreno.

Prossimo reattore per la fusionenucleare calda: ITER

The International Thermonuclear ExperimentalReactor (ITER) è un progetto internazionale chesi propone di realizzare un reattore a fusione nu-cleare di tipo sperimentale in grado di produrrepiù energia di quanta il processo ne consumiper l’innesco ed il sostentamento della reazio-ne di fusione [7]. Nello specifico, ITER è unreattore deuterio-trizio in cui il confinamentodel plasma è ottenuto in un campo magneticogenerato da un magnete superconduttore all’in-terno di una macchina a ciambella denominataTokamak. ITER sarà il più grande Tokamak delmondo con un plasma di raggio 6.2 m ed unvolume di 840 m3 (Fig. 14a).

La ciambella sottovuoto, ed il criostato per ilmagnete di ITER, sono tra i più grandi sistemidi vuoto mai costruiti con i rispettivi volumi di1.400 m3 e di 8.500 m3 e pressioni di 10−8 mbare < 10−6 mbar. Saranno necessarie tecniche sofi-sticate per il monitoraggio e la manutenzione diquesti sistemi. Una volta in esercizio, non saràpiù possibile accedere alla macchina.

Prima di iniziare la reazione di fusione è ne-cessario eseguire il pompaggio a vuoto per eli-minare tutte le sorgenti di molecole organicheche altrimenti sarebbero dissociate nel plasmacaldo. Pompe meccaniche e pompe criogenichepotenti devono evacuare l’aria dalla ciambella edal criostato fino a quando la pressione internaè scesa ai livelli richiesti. Considerando il volu-me di ITER, questa operazione richiederà 24-48ore.

I principali sistemi di pompaggio sono le seipompe di scarico della ciambella, le quattro crio-pompe per i sistemi di iniezione a fascio neutro,utilizzate nel riscaldamento del plasma, e le duecriopompe per il criostato necessario per il raf-freddamento dei magneti superconduttori. Lecomplesse criopompe sono state progettate perle esigenze specifiche di ITER. Sono tutte basatesu criopanelli, raffreddati con elio supercriti-

co e ricoperti di carbone attivo come materialeabsorbente. La ricerca e lo sviluppo hanno di-mostrato che il carbone da gusci di cocco fine-mente macinato ha la giusta densità e porositàper imprigionare le particelle di elio in ITER.

Figura 14: a) Modello artistico di una porzione di ITER.b)La più grande flangia da vuoto con guar-nizione al mondo pronta per i test di accet-tazione dopo la costruzione, ideale per i mol-teplici accessi nel vuoto di ITER. Notare ledimensioni del toroide e della porta d’accessoparagonandole alle dimensioni degli uominiin figura.

Una cinquantina di porte, nella ciambella diITER consentono l’accesso a operazioni di mo-vimentazione remota, sistemi di diagnostica, ri-scaldamento e pompaggio del vuoto. Le ported’accesso più grandi hanno superfici di 5 m2,ma un’area non sigillata della larghezza di uncapello umano è sufficiente a distruggere il vuo-to e fermare le prestazioni necessaria per lafusione termonucleare.

È stata progettata e prodotta una replica di di-mensioni maggiori delle più grandi porte equa-toriali per testare la sigillatura a vuoto di quellache sarà la porta più grande mai costruita suun Tokamak: 4.8 × 3.3 × 4.8 m3 (Fig. 14b). Ilgrande test di tenuta è pronto in una fabbri-ca di Bangalore, in India. L’impianto di provaè stato appena completato ed è di dimensioniimpressionanti (circa 5 metri di altezza e di lun-ghezza) e dal peso di circa 19 tonnellate. Dopoil test sarà spedito a ITER, dove verrà utilizza-to per testare l’assemblaggio e la funzionalitàdi una serie di grandi guarnizioni a vuoto econvalidare le tecnologie di sigillatura proposteper il primo plasma e le successive fasi operati-ve di ITER. La guarnizione di tenuta non soloconsente di testare le più grandi guarnizioni


rettangolari smontabili, ma permette anche dipreparare tecniche di installazione che sarannofondamentali per ottenere la qualità del vuotorichiesta. L’impianto può essere riscaldato a240◦C per simulare il baking del serbatoio diITER ed ha anche la possibilità di applicare ca-richi alle flange per confermare la solidità dellatenuta.

Conclusioni

Nel lavoro di ricerca non sempre c’è biso-gno di conoscere i principi fondamentali delvuoto, tuttavia, spesso bisogna sapere comei diversi parametri dell’apparato sperimentaleinfluenzeranno il vuoto.

La progettazione di un sistema di vuoto sibasa essenzialmente nel determinare outgassing,pressione, conducibilità e velocità di pompaggio.In particolare, le sorgenti di gas devono esseresotto controllo in tutte le fasi del processo e/odell’esperimento, al fine di ottenere la pressionenecessaria.

La caratteristica dell’ultra-alto-vuoto è deter-minata in gran parte dai fenomeni superficiali,cioè dall’interfaccia tra vuoto e pareti. Le pompeper ultra-alto-vuoto agiscono mediante l’assor-bimento fisico o chimico dei gas, la sepoltura diioni nelle superfici o la condensazione su crio-panelli. Le superfici delle pareti della cameradevono essere accuratamente condizionate daun bakeout o da un altro trattamento per ave-re un desorbimento statico o stimolato del gassufficientemente basso.

Le tecnologie del vuoto più avanzate sonostate sviluppate per la ricerca fondamentale, ciònonostante esse hanno trovato uso anche nelquotidiano: ad esempio la tecnologia del UHVha migliorato notevolmente le prestazioni deipannelli solari termici.

Ringrazio la Prof.ssa Stefania Spagnolo perl’accurata lettura del manoscritto e i suoi sug-gerimenti che mi hanno permesso di migliorarenotevolmente la scrittura e la comprensibilitàdell’articolo.

Z M Y

[1] CAS CERN Accelerator School : Vacuum Technology, latjad’Aro, Spain, Ed.: Daniel A. Brandt CERN - 2007 - 003,16 - 24 May 2006.

The US Particle Accelerator School, 2017, Vacuum Scienceand Technology for Accelerator Vacuum Systems Yulin Liand Xianghong Liu.

[2] M. W. Zemansky, Calore e Termodinamica, Zanichelli(1970).

[3] B. Ferrario, Introduzione alla Tecnologia del Vuoto, edizio-ne riveduta da A. Calcatelli, Patron Editore - Bologna(1999).

[4] Fulvio Ricci, Dispense di Fisica e Tecnologia del Vuoto, Di-partimento di Fisica, Universitá di Roma La Sapienza,Roma, Italia.

[5] The Large Hadron Collider. Conceptual Design.CERN/AC-95-05 (LHC) . 20 October 1995.

[6] http://www.ligo.org, https://www.ego-gw.it .

[7] https://www.iter.org .

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Gabriele Chiodini: Nato a Bergamo nel 1967.Si è laureato a Milano nel 1995 con una tesi suirivelatori a pixel al Silicio per ATLAS a LHC enel 1998 ha conseguito il PhD con uno studiosperimentale sulla turbolenza nei plasmi. Dal1999 al 2002 è stato ricercatore al Fermi NationalAccelerator Laboratory di Chicago dove si è oc-cupato dello studio dei quark pesanti. Dal 2003è ricercatore presso la sezione INFN di Lecce esi occupa dello studio del Modello Standard edella ricerca di nuova Fisica nell’ esperimentoATLAS a LHC. È ideatore e responsabile del ber-saglio attivo di diamante con elettrodi grafitatidell’esperimento PADME ai Laboratori Nazio-nali di Frascati finalizzato principalmente allaricerca di un ipotetico fotone oscuro.


la tecnologia del vuoto - unisalento.itithaca.unisalento.it/nr-10_2017/articolo_iip_03.pdfla...

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