مقدمة أساسية عن مضخات الفراغ ومعدات الفراغ

1. التصنيف وتطبيقات نطاقات الفراغ

يُصنَّف الفراغ حسب مقدار الضغط. وكل تحسينٍ بدرجة واحدة في مستوى الفراغ (أي بعشر مرات) يقابل انخفاضاً في كثافة جزيئات الغاز وتحسناً في نقاء البيئة الفيزيائية، ليشمل بذلك جميع السيناريوهات ابتداءً من المعالجة الصناعية التقليدية ووصولاً إلى أحدث الأبحاث الأساسية في الفيزياء.

• فراغ خشن (١٠⁵ ~ ١٠² باسكال) التطبيقات: مناولة المواد باستخدام أكواب الشفط الصناعية، وتغليف الأغذية بالفراغ، والتشكيل بالفراغ، والترشيح بالفراغ الخشن، وغيرها من العمليات المدنية والصناعية الخفيفة العامة.
• فراغ متوسط (١٠² ~ ١٠⁻¹ باسكال) التطبيقات: المعالجة الحرارية بالتحميص في الفراغ، والتجفيف بالتجميد في الفراغ للمواد، والتقطير والتنقية في الفراغ في الصناعة الكيميائية، والتشريب بالفراغ للأجزاء.
• فراغ عالي (10⁻¹ ~ 10⁻⁵ باسكال) التطبيقات: الطلاء بالتبخير المغناطيسي والطلاء بالرش المغناطيسي البصري، والمراقبة باستخدام المجهر الإلكتروني، وصهر المعادن في الفراغ، وتصنيع أجهزة أشباه الموصلات.
• فراغ فائق الارتفاع (UHV، ＜ 10⁻⁵ باسكال) التطبيقات: التحليل الفيزيائي للسطوح (SEM/XPS)، وغرف المسرّعات الجسيمية، ومحاكاة بيئة الفضاء في مجال الطيران والفضاء، وغرف الفراغ لأجهزة الاندماج النووي.
• فراغ عالي جدًّا (XHV، ＜ 10⁻⁹ باسكال) التطبيقات: أجهزة كشف موجات الجاذبية، والتجارب الفيزيائية الأساسية المتقدمة، وباحث العلوم السطحية فائقة النقاء، وتصنيع الأدوات فائقة الدقة.

2 إطار التصنيف العام لمضخات الفراغ

باعتبارها معدات أساسية لتوليد الفراغ، تُصنَّف مضخات الفراغ وفق ثلاثة أبعاد: مبدأ التشغيل، ومدى ضغط التشغيل، ووسيلة الإغلاق/التزييت.

٢.١ التصنيف حسب مبدأ التشغيل

• مضخات نقل الغاز يتم نقل الغاز باستمرار عبر الحركة الميكانيكية، وهي الفئة الأكثر انتشاراً في المجال الصناعي. وتتفرع هذه الفئة إلى مضخات الإزاحة الإيجابية (مثل مضخات الشفرات الدوارة، ومضخات التمدد والانضغاط) ومضخات نقل الزخم (مثل المضخات الجزيئية التوربينية، ومضخات النفث).
• المضخات الالتقاطية تُ immobilized جزيئات الغاز عبر الامتزاز التبريدّي أو التفاعلات الكيميائية دون إخراج مستمر للغاز، وتُستخدم أساساً في بيئات الفراغ فائق العمق (UHV) والفراغ العميق للغاية (XHV). ومن الأنواع النموذجية لها: المضخات التبريدية ومضخات الأيونات الناتجة عن الترسيب بالتبخير.

٢.٢ التصنيف حسب مدى ضغط التشغيل

• المضخات الأولية / مضخات التمهيد تَفريغ ضغط الجو لإنشاء فراغ أولي خشن، ويُعَدّ هذا الوحدة الأساسية في جميع أنظمة الفراغ.
• المضخات الرئيسية توفر الفراغ العالي/الفائق العالي المطلوب في العمليات التكنولوجية، وتؤدي دور مصدر الفراغ الرئيسي للمعدات.
• مضخات التقوية تُركَّب على التوالي بين المضخات الأولية والمضخات الرئيسية لتحسين كفاءة الضخ في نطاق الفراغ المتوسط؛ وتعتبر مضخات روتز النموذج الممثل لهذا النوع.

٢.٣ التصنيف حسب وسط الإغلاق والتشحيم

• المضخات الزيتية المغلقة للفراغ يوفّر زيت الفراغ الإغلاق والتشحيم، ويتميّز بسرعة ضخ عالية وتكلفة شراء منخفضة. أما العيب فهو تراجع بخار الزيت، ما يستلزم استخدام فواصل لضباب الزيت. وهي مناسبة لتطبيقات مثل الصهر والمعالجة الميكانيكية وغيرها من التطبيقات التي لا تشترط نظافة عالية.
• المضخات الجافة للفراغ الإغلاق والتشحيم الخاليان من الزيت يلغيان تلوث بخار الزيت تمامًا، مع تبسيط عمليات الصيانة بعد التشغيل. وهي الخيار المفضل للعمليات التي تتطلب نظافة عالية، مثل تصنيع أشباه الموصلات، والإنتاج الصيدلاني، والطلاء الدقيق.

ثلاثة أنواع رئيسية من مضخات التفريغ ذات الإزاحة الإيجابية

المضخات الدوارة ذات الشفرات المغلَّفة بالزيت

مبدأ التشغيل والتركيب

تتكوّن المكونات الرئيسية من الجزء الثابت (الستاتور)، والدوار اللامركزي، والريش المرنة. ويملأ زيت فراغ متخصص تجويف المضخة، مُشكِّلاً فيلمًا زيتيًّا لسد الفراغات الميكانيكية وتوفير التزييت. وتدفع الحركة الدورانية الريش إلى الحركة الطاردة المركزية لإكمال دورات السحب والانضغاط والإخراج بالتسلسل. وتستخدم مضخات الريش الدوارة ذات المرحلتين الانضغاط المتسلسل لتحقيق فراغ نهائي متفوق مقارنةً بالوحدات أحادية المرحلة. صمام التوازن الغازي: يُحقَن هواء جاف في غرفة الانضغاط للحد من الضغط الجزئي لبخار الماء، ومنع تكثُّف البخار وتلوُّث الزيت في العمليات التي تحتوي على بخار ماء.

٣.١.٢ الخصائص الأداء

يبقى معدل الضخ ثابتًا عبر نطاق ضغطي واسع، ثم يبدأ في الانخفاض تدريجيًّا مع انخفاض ضغط المدخل. وت log وحدات المرحلتين ضغطًا نهائيًّا يتراوح بين ١٠⁻³ و١٠⁻⁴ باسكال، ما يجعلها المعدات الأساسية للفراغ الخشن والمتوسط، وكذلك المضخات الأمامية القياسية لأنظمة الفراغ العالي.

٣.١.٣ التطبيقات ومعايير الاختيار

• التطبيقات النموذجية: الضخ الخشن الأولي في مراحل ما قبل التفريغ لجميع أنظمة التفريغ العالي، وتعبئة مواد التبريد لمعدات التبريد، والتجميد بالتبريد العميق للأغذية، والتغليف المفرغ للمكونات الإلكترونية، والعمليات الأساسية للطلاء.
• مؤشرات الاختيار: سرعة الضخ الفعالة (تحدد مدة إنجاز عملية التفريغ)، وأدنى ضغط قابل للوصول إليه، وتكوين صمام تدفق الغاز، ووحدة فصل ضباب الزيت.
• القيود التشغيلية: يجب تركيب مصائد باردة أو منخل جزيئي لمنع ارتداد زيت الضخ إلى النظام في العمليات الحساسة من حيث النظافة؛ ويجب تركيب مرشحات أولية عند ضخ تدفقات غازية تحمل كمّاً كبيراً من الغبار؛ ولا يجوز ضخ الغازات المسببة للتآكل أو القابلة للاشتعال/الانفجار مباشرةً دون وحدات معالجة أولية.

٣.٢ مضخات روتز (المضخات المساعدة)

٣.٢.١ مبدأ التشغيل

تدور زوج من الدوارات على شكل رقم ثمانية داخل تجويف المضخة بشكل متزامن في اتجاهين متعاكسين، مدفوعة بواسطة تروس توقيت دقيقة دون أي تلامس مادي، مما يؤدي إلى نقل الغاز عبر تغير دوري في الحجم. ولا يحدث أي ضغط داخلي داخل جسم المضخة؛ إذ يُوفَّر فرق ضغط العادم بالكامل بواسطة المضخات الأمامية (مثل مضخات الشفرات الدوارة أو المضخات الجافة)، وبالتالي يجب تشغيل مضخات الروتس على التوالي مع المضخات الأمامية كمجموعة مضخات. ويوجد صمام تجاوز داخلي يعمل تلقائيًّا لتخفيف الضغط عندما يتجاوز فرق الضغط الحد المسموح به، وذلك لتجنب ارتفاع درجة حرارة الدوارات وانحشارها. ولكل مضخة روتز نسبة ضغط حرجة؛ ويحدث تسرب للغاز عائدًا إذا تجاوز نسبة الضغط الفعلية هذه النسبة.

٣.٢.٢ الخصائص الأداء

تحافظ على سرعة ضخ كبيرة ومستقرة ضمن نطاق الفراغ المتوسط الذي يتراوح بين ١٠³ و١٠⁻² باسكال، ما يعزِّز بكفاءةٍ عالية أداء أنظمة التفريغ المدمجة كمعدات معزِّزة قياسية.

٣.٢.٣ التطبيقات ومعايير الاختيار

• التطبيقات النموذجية: الصهر المعدني في الفراغ، والطلاء الفراغي البصري/الإلكتروني، ومعالجة القطع المعدنية حراريًّا في الفراغ، والإفراغ السريع لغرف الفراغ الكبيرة.
• متطلبات الاختيار: يُوصى بأن تكون نسبة سرعة الضخ بين مضخة الروتس ومضخة التمهيد ٥:١ إلى ١٠:١؛ ويجب التحكم بدقة شديدة في فرق الضغط عند التشغيل الأولي والتشغيل المستمر؛ وتُستخدم التبريد بالماء للتشغيل المستمر عالي القدرة، بينما يكفي التبريد بالهواء للظروف ذات الأحمال الصغيرة والمتوسطة.

سلسلة ٣.٣ لمضخات الفراغ الجافة (المضخات الخالية من الزيت والنظيفة)

تعمل المضخات الجافة دون استخدام زيت للإغلاق أو التزييت، مما يلغي تمامًا تلوث بخار الزيت، وتلبي متطلبات البيئات عالية النظافة مثل تصنيع أشباه الموصلات، وإنتاج الأدوية، والأجهزة التحليلية الدقيقة. وأبرز الأنواع الأربعة الرئيسية مذكورة أدناه:

• مضخات المخلب يتم ضغط الغاز على مراحل متعددة بواسطة زوج من الدوارات ذات الشكل المخلبي غير المتلامسة. وتتميز هذه التقنية بتشغيلها المستقر، وقدرتها على التحمل أمام جزيئات الغبار الصغيرة، مع إمكانية استخدام غاز النيتروجين لغرض التطهير لحماية المعدات من الانفجارات، وهي مناسبة للضخ الخشن المستمر لمدة 24 ساعة في نطاقات الفراغ الخشنة والمتوسطة.
• المضخات الجافة اللولبية يتم دمج الدوارات اللولبية المزدوجة لتحقيق ضغط حراري ثابت، ما يتيح تحقيق نسب ضغط عالية في مرحلة واحدة مع إمكانية التصريف المباشر إلى الجو. ويمكن طلاء تجاويف المضخة بمواد مقاومة للتآكل لمعالجة التيارات العملية التي تحتوي على أبخرة وغازات مسببة للتآكل، وتُستخدم على نطاق واسع في عمليات النقش شبه الموصلية، وترسيب الأغشية الرقيقة باستخدام الترسيب الكيميائي من البخار (CVD)، والطلاء الضوئي، والتجميد الجاف في الصناعات الدوائية.
• المضخات الجافة الحلزونية يُشكِّل الحركة المدارية النسبية بين لوحي الدوارة الثابتة والمدارية غرف ضغط مستمرة. وتُعتبر المضخات الحلزونية مثاليةً لأجهزة مطيافية الكتلة المخبرية، وكواشف تسرب الهيليوم وغيرها من الأدوات الدقيقة الصغيرة بفضل تصميمها المدمج، وانخفاض مستوى الضوضاء والاهتزازات، ومعدل الفشل المنخفض.
• المضخات الجذرية الجافة متعددة المراحل تُوصَل أزواج عديدة من دوارات جذرية على التوالي لضغط الغاز على مراحل، مما يوفِّر سرعة ضخٍّ كبيرةً وأداءً في الإخراج المباشر إلى الجو، وتُستخدم على نطاق واسع في خطوط الإنتاج الصناعي الكبيرة الخاصة بالدوائر المتكاملة والطاقة الشمسية.

مضخات فراغية تعمل بنقل الزخم (المضخات الرئيسية للفراغ العالي)

المضخات الجزيئية التوربينية

مبدأ التشغيل

تُرتَّب شفرات الدوارات عالية السرعة متعددة المراحل الدوارة وشفرات الثابتة الثابتة بالتناوب. وتقوم الدوارات بالدوران بسرعة تصل إلى عشرات الآلاف من الدورات في الدقيقة، ناقلةً الزخم إلى جزيئات الغاز عبر الاصطدام لدفع النقل الاتجاهي للغاز. وتعتمد معظم التصاميم التجارية بنية توربينية مركبة مع هيكل هولويك لتحقيق التوازن بين سرعة الضخ العالية ونسبة الضغط العالية. وتكون نسب الضغط مرتفعة للغاية بالنسبة للغازات الثقيلة مثل الأرجون، لكنها منخفضة نسبيًا بالنسبة للغازات الخفيفة (مثل الهيدروجين والهيليوم)، ما يستلزم إجراء عملية تفريغ أولية باستخدام مضخات أمامية مُطابَقة. وتتوافر نوعان من ترتيبات المحامل: محامل ميكانيكية منخفضة التكلفة تُشحَم بواسطة زيت أو شحم، ومحامل مغناطيسية عائمة بالكامل متقدمة تعمل بدون تلامس، وتتميز باهتزاز منخفض وعمر خدمة أطول.

٤.١.٢ التطبيقات وإرشادات الاختيار

تتراوح درجة الفراغ القصوى من 10⁻² إلى 10⁻⁹ باسكال. وتُعَدُّ المضخات التوربينية الجزيئية الخالية من الزيت والنظيفة المضخة الأساسية الرئيسية لعمليات الفراغ العالي، بما في ذلك طلاء أشباه الموصلات باستخدام الترسيب الفيزيائي بالتبخر (PVD)، والميكروسكوب الإلكتروني النافذ/الماسح، وتحليل الكتلة، وأجهزة محاكاة الفضاء المستخدمة في مجال الطيران والفضاء. ومن أبرز العوامل التي يجب أخذها بعين الاعتبار عند الاختيار: مطابقة سرعة الضخ للمضخة الأولية، والحد من أقصى ضغط داخلي مسموح به لتفادي الحمل الزائد، وتبريد الموديلات عالية القدرة بالماء، والعزل ضد الاهتزازات، والدرع المغناطيسي أثناء التركيب. ممنوع تمامًا التعرُّض المباشر للضغط الجوي، إذ يؤدي ذلك إلى تلف دائم في شفرات التوربين.

4.2 مضخات الانتشار الزيتي

4.2.1 مبدأ التشغيل

يُسخَّن سائل التشغيل المكوَّن من زيت السيليكون أو الإيثر متعدد الفينيل ليولِّد تيارات بخارية اتجاهية فائقة السرعة، والتي تجرُّ وتكثِّف جزيئات الغاز عبر التصادم اللزج لغرض الضخ. وتقلل عملية التجزئة المتعددة المراحل للفوهة من تدفق الزيت عائدًا إلى الخلف. وبما أن النظام لا يحتوي على مكونات ميكانيكية متحركة، فإنه يضمن تشغيلًا مستقرًّا، وتكاليف صيانة منخفضة، وسرعة ضخ عالية، ونسبة أداء/تكلفة ممتازة. أما العيب الرئيسي فيتمثل في تدفق بخار الزيت عائدًا إلى الخلف، ما يستلزم استخدام مصائد باردة أو حواجز فعَّالة جدًّا لحماية غرف الفراغ.

٤.٢.٢ التطبيقات وإرشادات الاختيار

يحقّق فراغًا نهائيًّا يتراوح بين 10⁻⁶ و10⁻⁹ باسكال، ويُستخدم على نطاق واسع في الطلاء الزخرفي لمساحات كبيرة، وطلاء عدسات البصريات، وأفران المعالجة الحرارية في الفراغ، والغرف المحاكاة الفضائية الكبيرة الخاصة بالصناعات الجوية والفضائية. ومعايير الاختيار تشمل: مطابقة القطر الاسمي للغرفة، ونظام التسخين المدمج الخاضع للتحكم في درجة الحرارة؛ كما يتطلب استخدام مجموعة من المضخات الجذرية والدوارة كمضخة أولية للحفاظ على الفراغ الأولي دون 10 باسكال. وتُفضَّل زيوت السيليكون في التطبيقات ذات الفراغ العالي، بينما تقتصر زيوت المعادن على العمليات الصناعية ذات المتطلبات المنخفضة نسبيًّا. أما الاتجاه الصناعي الحالي فهو أن المضخات الجزيئية التوربينية الجافة تحلّ تدريجيًّا محلّ مضخات الانتشار الزيتية في خطوط إنتاج أشباه الموصلات الدقيقة، مع بقاء مضخات الانتشار الزيتية لا غنى عنها في الغرف ذات الحجم الكبير والعمليات الصناعية التي تتطلّب نظافة معتدلة، وذلك بفضل سرعة ضخها العالية ومزاياها الاقتصادية.

4.3 مضخات النفث بالبخار

يتم تحويل البخار عالي الضغط إلى تدفق جت فائق السرعة عبر فوهة لافال، مما يؤدي إلى سحب الغاز المستهدف وخلطه لتحقيق عملية الضخ. وبما أن مضخات الجت خالية من الأجزاء الميكانيكية المتحركة، فهي تتميز بمعدلات أعطال منخفضة للغاية، ويمكنها معالجة تدفقات الغاز مباشرةً حتى لو احتوت على جسيمات صلبة أو وسائط مسببة للتآكل أو مواد قابلة للاشتعال/الانفجار. ويُحقَّق مستوى الفراغ الخشن المقدَّر ببضعة مئات من الباسكال باستخدام تركيب متعدد المراحل على التوالي. وتشمل التطبيقات الرئيسية لها التقطير بالفراغ في الصناعات البتروكيماوية، والتنقية بالفراغ للصلب المنصهر في مجال المعادن، والتجفيف بالفراغ للمواد على نطاق واسع، وأنظمة الفراغ في محطات توليد الطاقة. وتشمل معايير الاختيار: ضغط البخار واستهلاكه، ومعدل تدفق ماء التبريد، وتحديد المادة المصنوعة منها المضخة وفقًا لمدى تآكل الغاز وكمية المعالجة.

5 مضخات احتجاز للفراغ الفائق العالية

5.1 المضخات التبريدية

5.1.1 مبدأ التشغيل

يولِّد مبرِّد كريوجيني من نوع G-M لوحتين كريوجينيتين من مرحلتين: المرحلة الأساسية (50–80 كلفن) تُمسك ببخار الماء والهيدروكربونات؛ والمرحلة الثانوية (10–15 كلفن) تُكثِّف النيتروجين والأكسجين والأرجون. ويقوم الفحم النشط المُغشَّى على اللوحات الكريوجينية الثانوية بامتصاص الغازات الخفيفة مثل الهيدروجين والهيليوم عبر الامتصاص الفيزيائي. وعند امتلاء اللوحات الكريوجينية بالغاز الممتص، تُسخَّن إلى درجة حرارة تتراوح بين ١٠٠ و٢٠٠ °م لإعادة تنشيطها واستعادة قدرتها على الضخ، مع تشغيل خالٍ من الزيت وبدون أي تدفق عكسي طوال دورة التشغيل.

٥.١.٢ التطبيقات والمواصفات التشغيلية

يصل الفراغ المطلق إلى 10⁻⁹ باسكال، ويُستخدم في عمليات вн implanted الأيونات في أشباه الموصلات، والتبخير المغناطيسي بالتنقيط (Magnetron Sputtering)، والطلاء بالتبخير البصري، والاندماج النووي، وأبحاث فيزياء السطح. وقبل التشغيل، يجب أن تقوم المضخات الأولية بتخليص الغرفة من الهواء حتى تصل الضغط إلى أقل من 1 باسكال، وأن تُجفَّف منظومة الفراغ تمامًا؛ إذ يؤدي التشغيل المباشر عند ضغط مرتفع ووجود كميات وافرة من بخار الماء إلى تجمُّد الرأس البارد وتلفه الدائم. وتشمل عوامل الاختيار الحمل الحراري للغرفة، ومدة دورة التجديد، وتصميم الحاجز المضاد لانعكاس التدفق.

5.2 مضخات التفريغ بالتنقيط الأيوني

5.2.1 مبدأ التشغيل

يتم تحفيز تفريغ بينينغ تحت مجالات كهرومغناطيسية متعامدة لتأين جزيئات الغاز. وتقوم الأيونات عالية الطاقة بالاصطدام بالكاثودات التيتانيومية لإحداث ظاهرة الترسيب بالتبخير (التفتّت) وتكوين طبقات نشطة جديدة من التيتانيوم. وتكوّن الغازات التفاعلية مركبات مستقرة عبر التفاعل الكيميائي مع طبقات التيتانيوم، بينما يُحبَس الهيدروجين والغازات الخفيفة الأخرى داخل الشبكة البلورية للتيتانيوم. وبما أن مضخات الأيونات خالية من الأجزاء الميكانيكية الدوارة، فإنها توفر تشغيلًا خاليًا من الاهتزازات، مع إغلاق معدني كامل خالٍ من الزيوت، وتشغيل مستمر فائق الطول دون الحاجة إلى صيانة. والقيود المفروضة: سرعة ضخ منخفضة للغازات الخاملة (مثل الهيليوم والargon)، مما يتطلب دمجها مع مضخات تبخير التيتانيوم أو المضخات التبريدية كوسيلة مساعدة.

٥.٢.٢ التطبيقات وإرشادات الاختيار

الفراغ المطلق يمكن أن يمتد إلى 10⁻¹¹ باسكال، وهو مناسب لمجاهر الإلكترون، ومُسرِّعات الجسيمات، وأجهزة التحليل السطحي مثل مطيافية الامتصاص الإلكتروني (XPS) وتحليل الطيف الإلكتروني (AES)، وكذلك لمرافق الأبحاث التي تتطلب فراغًا عاليًا جدًّا. وتولِّد المغناطيسات الدائمة المدمجة مجالات مغناطيسية متناثرة، ما يستلزم ترك مسافات تثبيت آمنة بينها وبين معدات حزمة الإلكترون الدقيقة. ويجب إنجاز عملية التفريغ الأولي حتى ضغط 10⁻² باسكال قبل التشغيل. ويُمنع تمامًا ضخ الغبار وبخار الهيدروكربونات مباشرةً لتفادي تسمُّم الأقطاب الكهربائية وفشلها.

5.3 مضخات التبخر التيتانيومية (TSP) ومضخات المواد الماصة غير القابلة للتبخر (NEG)

كلا النوعين يعملان كمضخات مساعدة لأنظمة الفراغ العالي جدًّا/الفراغ العالي للغاية (UHV/XHV)، وتُستخدم عادةً بالاشتراك مع المضخات الأيونية والمضخات التبريدية:

• المضخات التبخرية التيتانيومية (TSP) يتم تسخين أسلاك أو حبيبات التيتانيوم بتيار كهربائي عالٍ لتبخير ذرات التيتانيوم، والتي تترسب على الجدران الباردة على هيئة أفلام امتصاصية لالتقاط الغازات التفاعلية. وتعمل هذه المضخات بشكل متقطع وتتطلب تجديدًا دوريًّا؛ ولا يمكنها ضخ غاز الميثان أو الغازات الخاملة.
• مضخات المواد الماصة غير القابلة للتبخر (NEG) سبيكة الزركونيوم-الفاناديوم-الحديد تُفعَّل عند درجة حرارة تتراوح بين ٤٠٠ و٤٥٠ مئوية لتكوين هياكل مسامية، مما يحقِّق الامتصاص الكيميائي للهيدروجين وأول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون وبخار الماء عند درجة حرارة الغرفة. وهي خالية من الاهتزازات وخالية من الزيت، وتتميَّز بعمر افتراضي مطوَّل، ولا تؤثِّر على الميثان والغازات الخاملة. أما التطبيقات الرئيسية فهي: حلقات التخزين الإشعاعي التصويري المتزامن، ومُسرِّعات الجسيمات، والمعدات شبه الموصلة عالية الأداء، وتُستخدم في بناء أنظمة الفراغ العالي جدًّا/الفراغ العُظمي جدًّا النظيفة، وضمان جودة الحزمة المستقرة وموثوقية التجارب.

٦ منهجية عامة لاختيار مضخات الفراغ

لا يمكن الاعتماد على مستوى الفراغ المستهدف وحده لاختيار مضخة الفراغ؛ بل يتطلَّب الأمر تقييمًا متعدد الأبعاد ومتشابكًا.

• مستوى الفراغ المستهدف : يتماشى اختيار المضخة الرئيسية ومضخة التمهيد وفقًا لتصنيف العمليات التكنولوجية إلى فراغ خشن/متوسط/عالي/عالي جدًّا.
• معايير النظافة تُعطى الأولوية للضواغط الجافة والضواغط الكريوجينية وضواغط الأيونات في تطبيقات أشباه الموصلات والصناعات الدوائية والتحليل الدقيق؛ بينما تُعتبر الضواغط الزيتية ذات الأجنحة الدوارة والضواغط الزيتية الانتشارية مقبولةً في تطبيقات الصهر والتعبئة والتغليف والطلاء الصناعي على المساحات الواسعة، حيث تكون متطلبات النظافة أقل صرامة.
• ظروف غاز العمليّة الضواغط الزيتية ذات الأجنحة الدوارة المزوَّدة بجهاز موازنة الغاز لمعالجة التيارات الغازية المشبَّعة ببخار الماء؛ والمرشحات المسبقة لمعالجة الغازات الحاملة للغبار؛ والضواغط الجافة اللولبية المقاومة للتآكل لمعالجة الوسائط التآكلية؛ ودمج الضواغط الكريوجينية لمعالجة الأحمال العالية من الغازات الخاملة؛ وتجميعات إزاحة الغاز بالنيتروجين المقاومة للانفجار لمعالجة الوسائط القابلة للاشتعال والانفجار.
• مطابقة سرعة الضخ يتطلب حجم الغرفة الأكبر ومعدل التسرب الأعلى سرعة ضخ أعلى؛ ويجب الحفاظ على نسبة سرعة ضخ تتراوح بين ٥:١ و١٠:١ بين ضواغط الجذور المُساعدة وضواغط المرحلة الأولى؛ كما تتطلب الضواغط الجزيئية التوربينية والضواغط الكريوجينية أن تكون سعة ضواغط المرحلة الأولى المُساعدة لها متناسقة معها.
• تكاليف رأس المال وتكاليف الصيانة توفر مضخات التوربينية ذات الأجنحة الدوارة المختومة بالزيت تكلفة أولية منخفضة للتشغيل المتقطع على المدى القصير؛ أما المضخات الجافة فهي الأمثل للإنتاج النظيف المستمر على المدى الطويل؛ ومضخات الانتشار الزيتية فعّالة من حيث التكلفة للأوعية الكبيرة التي تتطلب درجة متوسطة من النظافة؛ بينما تناسب المضخات الجافة الحلزونية المعدات المخبرية الصغيرة.

باختصار، تعتمد تقنيات الفراغ على تركيبات مدمجة لمختلف أنواع المضخات لتغطية سلاسل صناعية كاملة، بدءاً من التصنيع الأساسي ووصولاً إلى أحدث الأبحاث الأساسية. وتُحفِّز التحسينات المستمرة في مستوى الفراغ ونقاء البيئة التحديث التكنولوجي عبر قطاعات التصنيع وعلوم المواد والدوائر الإلكترونية وأعمال الفضاء والفيزياء الأساسية.