Črpalke, ki se običajno uporabljajo v sistemih z ultra visokim vakuumom

I. Mehanske črpalke
Glavna funkcija mehanske črpalke je zagotoviti potreben predstopenjski vakuum za zagon turbomolekularne črpalke.Običajno uporabljene mehanske črpalke vključujejo predvsem vrtinčne suhe črpalke, membranske črpalke in oljno zaprte mehanske črpalke.
Membranske črpalke imajo nizko črpalno hitrost in se zaradi majhnosti običajno uporabljajo za majhne molekularne črpalke.
Mehanska črpalka z oljnim tesnilom je najpogosteje uporabljena mehanska črpalka v preteklosti, za katero je značilna velika hitrost črpanja in dober končni vakuum, pomanjkljivost je splošen obstoj povratka olja, v sistemih z ultra visokim vakuumom je na splošno treba opremiti z elektromagnetnim ventilom (za preprečevanje nenamernega izpada električne energije zaradi vračanja olja) in molekularno sito (adsorpcijski učinek).
V zadnjih letih se bolj uporablja drsna suha črpalka. Prednost je preprosta za uporabo in se ne vrača v olje, le hitrost črpanja in končni vakuum sta nekoliko slabša kot pri mehanskih črpalkah z oljnim tesnilom.
Mehanske črpalke so glavni vir hrupa in vibracij v laboratoriju, zato je bolje izbrati črpalko z nizkim hrupom in jo postaviti med opremo, kjer je to mogoče, vendar slednjega pogosto ni lahko doseči zaradi omejitev delovne razdalje.
II.Turbomolekularne črpalke
Turbo molekularne črpalke se opirajo na visokohitrostne vrtljive lopatice (običajno okoli 1000 vrtljajev na minuto), da dosežejo usmerjen tok plina.Razmerje med izpušnim tlakom črpalke in vstopnim tlakom se imenuje kompresijsko razmerje.Kompresijsko razmerje je povezano s številom stopenj črpalke, hitrostjo in vrsto plina, splošna molekulska masa kompresije plina je relativno visoka.Končni vakuum turbomolekularne črpalke se na splošno šteje za 10-9-10-10 mbar, v zadnjih letih pa se je z nenehnim napredkom tehnologije molekularne črpalke končni vakuum še izboljšal.
Ker so prednosti turbomolekularne črpalke uresničene le v stanju molekularnega toka (stanje pretoka, v katerem je povprečni prosti razpon molekul plina veliko večji od največje velikosti prečnega prereza kanala), je predstopenjska vakuumska črpalka z delovnim tlakom od 1 do 10-2 Pa.Zaradi visoke vrtilne hitrosti lopatic lahko molekularno črpalko poškodujejo ali uničijo tujki, tresenje, udarec, resonanca ali plinski udar.Pri začetnikih je najpogostejši vzrok za poškodbe plinski udar, ki nastane zaradi napak pri delovanju.Poškodbe molekularne črpalke lahko povzroči tudi resonanca, ki jo sproži mehanska črpalka.To stanje je relativno redko, vendar zahteva posebno pozornost, ker je bolj zahrbtno in ga ni zlahka odkriti.

III.Ionska črpalka za razprševanje
Načelo delovanja ionske črpalke za razprševanje je uporaba ionov, ki jih ustvari Penningova razelektritev, za bombardiranje titanijeve plošče katode, da se tvori svež titanov film, s čimer se adsorbirajo aktivni plini in ima določen učinek zakopavanja tudi na inertne pline. .Prednosti ionskih črpalk za razprševanje so dober končni vakuum, brez vibracij, brez hrupa, brez onesnaževanja, zrel in stabilen postopek, brez vzdrževanja in pri enaki hitrosti črpanja (razen za inertne pline), njihova cena je veliko nižja od molekularnih črpalk, zaradi česar se zelo pogosto uporabljajo v sistemih z ultra visokim vakuumom.Običajni cikel delovanja ionskih črpalk za razprševanje traja več kot 10 let.
Ionske črpalke morajo biti na splošno nad 10-7 mbar, da delujejo pravilno (delovanje pri slabšem vakuumu znatno skrajša njihovo življenjsko dobo) in zato potrebujejo molekularni črpalni set, ki zagotavlja dober vakuum pred stopnjo.Običajna praksa je uporaba ionske črpalke + TSP v glavni komori in kompleta majhne molekularne črpalke v vstopni komori.Med peko odprite priključeni vložni ventil in pustite, da majhna molekularna črpalka zagotovi sprednji vakuum.
Upoštevati je treba, da so ionske črpalke manj sposobne adsorpcije inertnih plinov in da se njihova največja hitrost črpanja nekoliko razlikuje od hitrosti molekularnih črpalk, tako da je za velike količine izpušnih plinov ali velike količine inertnih plinov potreben molekularni črpalni set.Poleg tega ionska črpalka med delovanjem ustvarja elektromagnetno polje, ki lahko moti posebej občutljive sisteme.
IV.Sublimacijske črpalke iz titana
Črpalke za sublimacijo titana delujejo tako, da izhlapevanje kovinskega titana tvori titanov film na stenah komore za kemisorpcijo.Prednosti sublimacijskih črpalk iz titana so enostavna konstrukcija, nizki stroški, enostavno vzdrževanje, brez sevanja in hrupa vibracij.
Titanove sublimacijske črpalke so običajno sestavljene iz 3 titanovih filamentov (za preprečevanje izgorevanja) in se uporabljajo v kombinaciji z molekularnimi ali ionskimi črpalkami za zagotavljanje odličnega odstranjevanja vodika.So najpomembnejše vakuumske črpalke v območju 10-9-10-11 mbar in so nameščene v večini visokovakuumskih komor, kjer so potrebne visoke ravni vakuuma.
Pomanjkljivost titanovih sublimacijskih črpalk je potreba po rednem razprševanju titana, vakuum se med naprševanjem poslabša za približno 1-2 reda velikosti (v nekaj minutah), zato določene komore s posebnimi potrebami zahtevajo uporabo NEG.tudi pri vzorcih/napravah, občutljivih na titan, je treba paziti, da se izognete lokaciji črpalke za sublimacijo titana.
V. Kriogene črpalke
Kriogene črpalke se v glavnem zanašajo na nizkotemperaturno fizično adsorpcijo za doseganje vakuuma, s prednostmi visoke hitrosti črpanja, brez onesnaževanja in visokega končnega vakuuma.Glavna dejavnika, ki vplivata na hitrost črpanja kriogenih črpalk, sta temperatura in površina črpalke.V velikih sistemih za epitaksijo z molekularnim žarkom se kriogene črpalke pogosto uporabljajo zaradi visokih zahtev po končnem vakuumu.
Slabosti kriogenih črpalk so velika poraba tekočega dušika in visoki obratovalni stroški.Sisteme z obtočnimi hladilniki je mogoče uporabljati brez porabe tekočega dušika, vendar to s seboj prinaša ustrezne težave s porabo energije, vibracijami in hrupom.Zaradi tega se kriogene črpalke manj pogosto uporabljajo v običajni laboratorijski opremi.
VI.Aspiratorske črpalke (NEG)
Črpalka za sesalno sredstvo je ena izmed pogosteje uporabljenih vakuumskih črpalk v zadnjih letih, njena prednost je popolna uporaba kemične adsorpcije, brez parne prevleke in elektromagnetnega onesnaževanja, ki se pogosto uporablja v povezavi z molekularnimi črpalkami, ki nadomestijo črpalke za sublimacijo titana in ionsko razprševanje. črpalke, pomanjkljivost so visoki stroški in omejeno število regeneracij, ki se običajno uporabljajo v sistemih z visokimi zahtevami po stabilnosti vakuuma ali zelo občutljivi na elektromagnetna polja.
Poleg tega, ker aspiratorska črpalka ne potrebuje dodatnega priključka za napajanje poleg začetne aktivacije, se pogosto uporablja tudi v velikih sistemih kot pomožna črpalka za povečanje hitrosti črpanja in izboljšanje ravni vakuuma, kar lahko učinkovito poenostavi sistem.

Slika: Delovni tlaki za različne vrste črpalk.Rjave puščice prikazujejo največje dovoljeno območje delovnega tlaka, odebeljeni zeleni deli pa običajno območje delovnega tlaka.