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Une étude expérimentale interne de Pfeiffer Vacuum plaide en faveur d'une approche innovante du pompage des systèmes à ultravide (UHV)

Rien, semble-t-il, peut parfois être tout – du moins dans la recherche scientifique de première ligne. L'ultravide - en gros le "néant" défini par la plage de pression s'étendant de 10−7 mbar (hPa) à 10−12 mbar - en est un exemple. UHV est un terme générique désignant une suite de technologies habilitantes déployées dans toutes sortes d'efforts de recherche fondamentale : des accélérateurs de particules et des détecteurs d'ondes gravitationnelles aux expériences de physique des atomes froids et aux microscopes à force de balayage. Dans le même temps, les conditions UHV garantissent que les scientifiques sont en mesure de sonder - à l'aide de photons, d'électrons ou d'ions - des surfaces d'échantillon chimiquement propres exemptes de tout adsorbat indésirable - également une exigence incontournable pour les techniques avancées de croissance et de préparation de couches minces telles que l'épitaxie par faisceau moléculaire et le dépôt par laser pulsé.

Ce que toutes ces applications ont en commun est le besoin d'une approche holistique de la conception du système de vide afin de fournir - et de maintenir - l'environnement UHV nécessairement raréfié et extrême. En bref, l'ensemble du système de vide doit être planifié et configuré selon plusieurs coordonnées, de sorte que la chambre à vide, les pompes, les manomètres, les connexions, la détection des fuites et le contrôle logiciel soient tous optimisés dans le cadre d'une infrastructure UHV intégrée, plutôt que d'être traités comme des composants isolés.

Malheureusement, c'est plus facile à dire qu'à faire. Zoomez un peu plus près et il est évident que les utilisateurs finaux du vide ne manquent pas d'options technologiques - chacune avec ses propres avantages et inconvénients - lorsqu'il s'agit de spécifier les éléments de base d'un système UHV. Peut-être plus fondamentalement, la sélection de la configuration de pompage optimale est loin d'être simple, avec la nécessité de peser les coûts d'investissement/d'exploitation, la consommation d'énergie, la taille et l'encombrement, les intervalles de maintenance et les impacts environnementaux (bruit/vibration).

Cette image est encore compliquée par la multiplicité des choix concernant la combinaison idéale de la pompe principale (pompe getter ionique contre pompe à sublimation en titane contre pompe turbomoléculaire contre pompe cryogénique) et de la pompe secondaire (pompe à membrane ou pompe à palettes rotatives ou pompe Roots à plusieurs étages) utilisée pour générer des conditions UHV - dans certains cas via une évacuation rapide de la chambre à vide, dans d'autres via l'adsorption de toute espèce de gaz persistante.

Aujourd'hui, une équipe de R&D de Pfeiffer Vacuum, un fabricant allemand de systèmes et de composants de vide spécialisés, a publié les résultats d'une étude interne qui montre la voie à des configurations de pompage plus simples et plus économiques pour diverses applications de recherche UHV, que ce soit dans de petits laboratoires de science des surfaces ou dans les complexes d'accélérateurs de grandes installations scientifiques. En bref, les scientifiques de Pfeiffer Vacuum ont montré qu'il est possible de générer en routine des conditions à faible UHV (de l'ordre de 10 à 11 mbar) en associant une turbopompe à taux de compression élevé (dans ce cas, la HiPace 300 H du fournisseur) à une pompe primaire sèche appropriée. La clé de cette percée consiste à trouver un moyen efficace d'éliminer les espèces de gaz résiduels dominantes - principalement l'hydrogène - de la chambre à vide pendant le rabattement vers le régime UHV.

« Le retour d'hydrogène par rapport au sens de pompage de la turbopompe a traditionnellement été le principal facteur limitant lorsqu'il s'agit d'atteindre des pressions UHV très basses », explique Andreas Schopphoff, responsable de la R&D du segment de marché chez Pfeiffer Vacuum. "Ainsi, dès que nous obtenons un taux de compression plus élevé - et réduisons à son tour cet effet de reflux - nous sommes en mesure de générer des pressions beaucoup plus faibles que celles que nous avons gérées par le passé."

Le déploiement de turbopompes à taux de compression élevé de cette manière représente un gagnant-gagnant pour l'innovation du système UHV, affirme Schopphoff. Plus particulièrement, l'investissement initial et le coût de possession sont favorables par rapport aux approches conventionnelles de génération UHV (par exemple, l'utilisation d'une pompe getter ionique en tandem avec une turbopompe, cette dernière étant déployée comme pompe primaire). La nouvelle approche est également beaucoup plus simple en termes de mise en œuvre, de maintenance sur le terrain et d'intervalles d'entretien (généralement supérieurs à quatre ans). « En tant que tel, il s'agit d'une configuration de pompage qui conviendra aux utilisateurs scientifiques qui veulent un système UHV qui tire le vide et qui est fiable à 100 %, 100 % du temps », explique Schopphoff. "C'est aussi un interrupteur pour tout faire, avec un seul contrôleur programmable pour piloter la turbopompe et la pompe primaire sèche."

Dans leur étude expérimentale, l'équipe Pfeiffer Vacuum a utilisé une chambre à vide à petite échelle (500 mm de diamètre, 120 mm de hauteur) qui a été cuite pendant sept jours à 120 °C. Les scientifiques ont ensuite évalué les performances UHV de la turbopompe HiPace 300 H (taux de compression de l'hydrogène ≥ 1 × 107) lorsqu'elle est associée à quatre pompes primaires sèches distinctes (une pompe à palettes rotatives, une pompe Roots à plusieurs étages, ainsi qu'une pompe à membrane à deux et trois étages). Le laps de temps pour chaque mesure était d'un jour, en utilisant des jauges d'ionisation à cathode chaude et à cathode froide pour suivre l'évacuation de la chambre pour chaque paire de pompe secondaire/principale (voir tableau 1).

"Pour les chambres à vide relativement simples, comme celle ici dans notre laboratoire, nous avons constaté que même une petite pompe à membrane est suffisante comme pompe primaire en combinaison avec le HiPace 300 H", explique Schopphoff. Son équipe a également conclu qu'une pompe Roots à plusieurs étages (dans ce cas, l'ACP 15 de Pfeiffer Vacuum) en tandem avec le HiPace 300 H fournit une combinaison idéale de pompe secondaire/principale pour générer de faibles conditions UHV pour les chambres d'une capacité de 100 L ou plus.

"Cela est particulièrement pertinent dans un contexte de grande science", ajoute Schopphoff, "où les utilisateurs doivent générer des UHV dans le tube à vide d'un accélérateur de particules sans contamination particulaire du système de pompage." En fait, pour un réglage d'accélérateur, il estime que la configuration optimale serait de voir le HiPace 300 H associé aux pompes primaires multicellulaires ACP 28 ou ACP 40 de Pfeiffer Vacuum - qui sont toutes deux sans fluor et peuvent fonctionner avec une connexion de câble étendue jusqu'à 120 m entre l'électronique de commande et l'emplacement de la pompe (pour maintenir l'électronique à l'écart des environnements de rayonnement difficiles).

À l'heure actuelle, la priorité pour Schopphoff et ses collègues est d'éduquer la clientèle R&D de Pfeiffer Vacuum sur les mérites de la génération UHV à l'aide de turbopompes à taux de compression élevé - en particulier, le HiPace 300 H et son produit frère le HiPace 700 H (avec un taux de compression d'hydrogène ≥ 2 × 107). Les webinaires de l'entreprise sur le sujet ont été bien accueillis par la communauté de la recherche, la plupart de l'intérêt commercial à ce jour provenant des clients des aspirateurs universitaires.

"Le HiPace 300 H est une très bonne option de pompage pour UHV, mais nous essayons toujours de l'améliorer", note Schopphoff. "En fin de compte, notre travail consiste à proposer des innovations en matière de vide qui facilitent la vie de nos clients R&D. C'est une solution qui fait exactement cela."