Pompa a Vuoto

Le pompe a vuoto sono strumenti usati per creare condizioni di bassissima pressione, prossime al vuoto, all’interno di un volume sigillato, come un acceleratore di particelle. Alcuni tipi di pompe a vuoto funzionano generando forti campi elettrici e magnetici.

Creare il vuoto

La pompa a vuoto è uno strumento molto usato nei laboratori di fisica, poiché molti esperimenti richiedono di lavorare in condizioni di bassissima pressione. Ad esempio l’esperimento LUNA ai LNGS utilizza un accelleratore di particelle, uno strumento in cui un fascio di particelle cariche deve viaggiare compatto verso un bersaglio. Nel tubo in cui viaggia il fascio deve essere fatto il vuoto, ossia minimizzata la presenza di molecole di gas (aria in questo caso) che altrimenti colliderebbero con le particelle del fascio togliendo loro energia e disperdendole nello spazio. Il meccanismo base del funzionamento di una pompa a vuoto è abbastanza semplice. Si collega la pompa al contenitore in cui si vuole creare il vuoto, al cui interno ci può essere ad esempio, un metro cubo di gas. All’interno della pompa – che è inizialmente in condizioni di vuoto – c’è una barriera che a questo punto viene rimossa, in modo tale che il gas sia libero di espandersi in un volume più grande (quello del contenitore più parte della pompa), che sia ad esempio il doppio. Poi la barriera viene riposizionata: adesso si hanno due volumi di un metro cubo ciascuno in cui è presente circa metà della quantità di gas iniziale; il volume riempito di gas della pompa è a questo punto ridotto meccanicamente quasi fino a zero ed il gas così compresso viene liberato verso l’esterno.

Il processo ricomincia e si ripete molte volte, riducendo sempre di più la quantità di gas all’interno del contenitore. Quello illustrato è il procedimento seguito dalle pompe a vuoto più semplici, come le pompe chiamate rotative, che possono arrivare a creare condizioni di basso-medio vuoto (cioè fino circa a 10^-6 atmosfere, corrispondente a una pressione un milione di volte minore di quella atmosferica). Pompe a vuoto più sofisticate arrivano a creare condizioni di vuoto ultra-alto (fino a circa 10^-14 atmosfere). Una di queste è la pompa a vuoto ionica. All’interno di questo strumento il gas da rimuovere viene ionizzato e gli ioni sono catturati da un elettrodo solido. Lo spazio in cui ciò avviene è formato da una serie di anodi (elettrodi con potenziale positivo) cilindrici elettricamente isolati posti tra due lastre di titanio che fungono da catodo (elettrodi con potenziale negativo); il tutto è a sua volta posto all’interno di un magnete che genera un campo magnetico parallelo agli assi dei cilindri. Una scarica elettrica produce elettroni liberi che vengono attirati e intrappolati dal campo elettrico all’interno dei cilindri e a causa del campo magnetico iniziano a ruotare attorno all’asse di questi.

La nube rotante di elettroni così formata collide con le molecole di gas immesse nella camera strappando da esse altri elettroni, creando quindi ioni di carica positiva. Per effetto del campo elettrico gli ioni sono accelerati ad alta velocità verso il catodo, sul quale impattano rimanendovi assorbiti. Il campo magnetico necessario per il funzionamento di questo processo ha un’ intensità intorno agli 0.1 Tesla. Può non sembrare tanto, ma in realtà questo è un valore notevole: per confronto, il campo magnetico terrestre all’equatore è minore di circa quattro ordini di grandezza (10.000 volte), mentre i supermagneti che deflettono i fasci di particelle all’acceleratore LHC del Cern di Ginevra generano un campo magnetico di due ordini di grandezza (100 volte) maggiore. Per questo se la schermatura dei magneti di una pompa a vuoto ionica non è perfetta, questa può rappresentare una fonte di interferenza se posta in prossimità di un piccolo acceleratore, non solo in un videogioco, ma anche nella realtà.