Derin Okuma — Turbomoleküler Vakum

Odanın içinde kalan son molekül

Bir litografi tarayıcısının içinde, 13,5 nanometrelik ışık yol alır. O ışığın gideceği yol üzerinde tek bir su molekülü bile durursa, ışık soğurulur ve desen bozulur. O yüzden tarayıcının optik kolonu, kabaca bir metreküpte on milyar molekülün altına inen bir basınçta tutulur. Deniz seviyesindeki havada aynı hacimde 2,5 çarpı 10 üzeri 25 molekül vardır. Aradaki fark, on beş basamaklık bir uçurumdur.

Peki o uçurumu kim kazar? Klasik pompalar bir yere kadar iner, sonra durur. Geri kalanı, içinde kanat yerine hızla uçan moleküllerin olduğu bir makine üstlenir.

Pompa değil, rüzgar tüneli

Klasik bir pompayı düşün. Piston ya da kanat, gazı sıkıştırıp dışarı iter. Ama hava seyreldikçe moleküller birbirine çarpmayı bırakır. Kabaca 1 pascalın altında, gaz artık akışkan gibi değil, birbirinden bağımsız mermiler gibi davranır. Kanat, mermileri yakalayamaz.

Turbomoleküler pompa bu noktada devreye girer. İçinde üst üste dizilmiş, eğik kanatçıklı diskler vardır. Diskler saniyede 20 ila 90 bin tur arasında döner. Kanatçıkların uç hızı, moleküllerin ortalama termal hızına yaklaşır. Yani pompa, gazı sıkıştırmaz. Dönen kanatlar, rastgele uçuşan molekülleri tek bir yöne doğru adeta süpürür.

Benzetmeyi netleştirelim. Bir otoban kavşağında elinde tabela tutan görevli düşün. Arabalar rastgele yönlere gidiyor. Görevli tabelayı hızla sallarsa, yalnızca belirli yöne giden arabaları işaretleyip o yola yönlendirebilir. Turbomoleküler pompanın kanadı da tam bunu yapar. Molekül kanada çarptığında, kanadın hareket yönüne doğru sekme olasılığı, ters yöne sekmekten yüksektir.

Her çarpışma küçük bir yönlendirmedir. Milyarlarca çarpışma üst üste binince, giriş ile çıkış arasında bir basınç oranı doğar.

İşleyiş

### Sıkıştırma oranı neden ağırlığa bağlı

Pompanın en kritik sayısı sıkıştırma oranıdır. Çıkış basıncının giriş basıncına bölümü. Oran molekül ağırlığına üstel biçimde bağlıdır. Hidrojen için tipik bir turbomoleküler pompa kabaca 10 üzeri 3 mertebesinde sıkıştırma yapar. Azot için bu sayı 10 üzeri 8 ila 10 üzeri 10 arasına çıkar. Ağır gazlar için 10 üzeri 11 görülür.

Üstel bağımlılığın kökü, molekülün kanada çarpıp sekme olasılığındadır. Hafif molekül, aynı sıcaklıkta daha hızlı uçar. Hızlı molekül, kanadın hareketini daha az hisseder. Yani kanat onu daha zayıf yönlendirir. Hidrojenin iki protonlu yapısı, onu pompanın en inatçı müşterisi yapar.

Sonuç şudur. Hafif gazlar pompanın içinden geri sızma eğilimindedir. O yüzden bir turbomoleküler pompanın önüne her zaman bir "ön pompa" konur. Ön pompa, çıkış tarafındaki basıncı düşük tutar ki geri sızma başlamasın. İkisi tek bir zincir gibi çalışır.

Ön pompanın görevini somutlaştıralım. Diyelim pompanın çıkışında 0,1 milibar var. Hidrojen sıkıştırma oranı 10 üzeri 3 ise, girişte ulaşılabilen en düşük basınç 10 üzeri eksi 4 milibar olur. Aynı pompa, aynı devirde, azot için 10 üzeri eksi 9 milibara iner. Fark pompadan değil, gazdan gelir. Kullanıcı "pompa 10 üzeri eksi 9 yapıyor" diye veri sayfasına bakarsa, hangi gaz için olduğunu sormayı atlarsa yanılır.

Veri sayfasındaki sıkıştırma oranı satırı, aslında tek bir gaz için yazılır. Çoğu üretici azotu referans alır. Hidrojen satırı ayrı verilir ve o satırdaki rakam, azotun beş ila yedi basamak altındadır. Bir vakum sistemi tasarlarken, pompalanacak gazın ne olduğunu bilmek, pompanın markasını seçmekten daha önemlidir. Aynı pompa, bir uygulamada kusursuz, başka bir uygulamada yetersizdir.

Ön pompa tarafında da bir tuzak vardır. Ön pompa kirlenirse ya da yağı bozulursa, çıkış basıncı yükselir. Çıkış basıncı yükselince, sıkıştırma oranı aynı kalsa bile giriş basıncı yükselir. Yani arıza turbomoleküler pompada değil, onun arkasındaki küçük pompadadır. Kullanıcı yanlış yeri suçlar. O yüzden vakum sistemlerinde ön pompa basıncı, sürekli izlenen bir eşiktir.

### Kanat geometrisi ve gaz türü

Kanatçıklar sabit bir açıyla dizilmez. Giriş kademelerinde açı geniştir, çünkü gelen gaz yoğundur ve yakalanması kolaydır. Çıkışa doğru açı daralır, kanat sayısı artar. Kademeli yapı, farklı molekül ağırlıklarına aynı anda hizmet eder.

Tipik bir pompa 8 ila 12 rotor diski taşır. Giriş diski 30 derece civarında eğik kanatçıklarla başlar. Son disklerde açı 10 derecenin altına iner ve kanatçık sayısı diski neredeyse kapatacak kadar artar. Her kademe, bir öncekinin sıkıştırdığı gazı biraz daha sıkıştırır. Basınç, kademeden kademeye katlanarak büyür.

Bir de "drag kademesi" vardır. Son disklerin kanatçıkları daha kısa ve daha sıktır. Amaç, hafif gazların geri kaçışını frenlemektir. O yüzden bir pompanın hidrojen performansı, çoğu zaman son iki kademenin tasarımına bağlıdır. Kullanıcı bunu veri sayfasında "H2 sıkıştırma oranı" satırında görür ve genelde o satırı atlar.

Kanat açısının bir de sıcaklık tarafı vardır. Kanat ile molekül arasındaki temas, molekülü ısıtır. Sıkıştırma sırasında gaz ısınır.

O yüzden yüksek akışlı uygulamalarda pompa gövdesi suyla soğutulur. Soğutma yoksa rotor ısınır, genleşir ve kritik boşluklar kapanır. Rotor ile stator arasındaki boşluk, tipik olarak milimetrenin onda biri mertebesindedir. Boşluk kapanırsa pompa kendini yer.

Soğutma suyunun sıcaklığı da bir parametredir. Giriş suyu 20 ila 25 santigrat derecede tutulur. Su çok soğuk olursa, pompa gövdesi üzerinde nem yoğuşabilir. Nem, paslanmaya ve parçacık üretimine yol açar. Su çok sıcak olursa, soğutma yetmez ve rotor genleşir.

Yani soğutma, ne kadar soğuk o kadar iyi değildir. Belirli bir bant içinde tutulur.

Kanat yüzeyinin pürüzlülüğü de önemlidir. Pürüzlü yüzey, molekülü daha uzun süre tutar. Uzun tutulan molekül, kanadın hareketini daha çok hisseder ve daha iyi yönlendirilir. Ama pürüzlü yüzey daha çok gaz salar. Yani bir denge vardır. Yüzey işleme, sıkıştırma verimi ile temizlik arasında bir tavizdir.

### Kritik devir ve rezonans

Rotor saniyede on binlerce tur dönerken, kendi kritik hızlarını geçer. Her rotorun, kütle dağılımına göre belirli devirlerde rezonansa girdiği noktalar vardır. Pompa bu noktalardan hızla geçecek şekilde sürülür. Yavaş geçiş, titreşimi büyütür ve yatağı yorar.

O yüzden turbomoleküler pompaların çoğu, tam hıza ulaşana kadar birkaç dakika bekler. Ani güç kesintisi tehlikelidir. Rotor yavaşlarken kritik hızlardan geçer ve manyetik yatak yoksa mekanik yatak hasar görebilir. Modern ünitelerde manyetik yatak ya da hibrit yatak kullanılmasının nedeni budur. Yağ yoktur, temas yoktur, aşınma yoktur.

Manyetik yatağın bedeli vardır. Yatak, rotoru havada tutmak için sürekli akım çeker. Bir de yedek mekanik yatak konur. Elektrik kesilirse rotor, o yedek yatağın üzerine iner ve durur. Yedek yatak, normal çalışmada hiçbir iş yapmaz. Ama hayatında bir kez devreye girer ve o an pompanın kaderini belirler.

Kritik hız sayısı rotor tasarımına göre değişir. Küçük pompalarda tek kritik hız görülürken, büyük çaplı rotorlarda iki ya da üç kritik hız aralığı olabilir. Sürücü elektroniği, bu aralıkları bilerek hızlanma eğrisini programlar. Kullanıcı "pompa neden geç açılıyor" diye sorar. Cevap, rotorun kendi rezonanslarından güvenle geçmesi için beklenen süredir.

Hızlanma eğrisinin bir de frenleme tarafı vardır. Normal kapanmada pompa, kendi momentumuyla yavaşlar. Ama acil durumda fren devreye girer. Manyetik yataklı bir pompa, rotoru manyetik alanla yavaşlatabilir. Mekanik yataklı bir pompada ise rotor serbest bırakılır. Serbest bırakılan rotor, kritik hızlardan geçerken yatağı zorlar. O yüzden frenleme stratejisi, yatak tipine göre değişir.

Manyetik yatağın bir başka özelliği, rotorun konumunu sürekli ölçmesidir. Sensörler, rotorun merkezden sapmasını mikrometre mertebesinde izler. Sapma artarsa, kontrolcü akımı ayarlar ve rotoru geri çeker. Geri besleme döngüsü, saniyede on binlerce kez çalışır. Döngü gecikirse, rotor gövdeye değer. O yüzden kontrolcü elektroniği, pompanın en hassas parçasıdır ve genelde pompadan ayrı satılır.

### Giriş basıncı penceresi

Pompa her basınçta çalışmaz. Çok yüksek giriş basıncında kanatlar gazı taşıyamaz, motor aşırı yüklenir. Çok düşük basınçta ise taşınacak molekül kalmaz. Tipik çalışma penceresi, giriş tarafında 10 üzeri eksi 3 ile 10 üzeri eksi 10 milibar arasıdır. Pencerenin üst sınırı, ön pompanın kapasitesiyle belirlenir.

Üst sınırın bir de sıcaklık tarafı vardır. Giriş basıncı yükselirse, sıkıştırılan gaz daha çok ısı üretir. Rotor genleşir. O yüzden pompanın veri sayfasında "maksimum giriş basıncı" satırı, sürekli çalışma için ayrı, kısa süreli çalışma için ayrı verilir. Kısa süreli sınır, sürekli sınırın birkaç katı olabilir. Ama o pencere dakikalarla ölçülür, saatlerle değil.

İşte bu yüzden bir vakum sistemi tek cihaz değil, kademeli bir mimaridir. Kaba pompa atmosferden başlar, 1 milibara iner. Turbomoleküler pompa oradan devralır ve 10 üzeri eksi 9 milibarın altına taşır. İyon pompası ya da kriyopompa, en son molekülleri de toplar. Her kademe, bir sonrakinin çalışabileceği basıncı hazırlar.

Kademeler arası geçiş, otomatik valflerle yönetilir. Yanlış sırayla açılan bir valf, turbomoleküler pompanın girişine atmosferi dayar. O an pompa, saniyeler içinde aşırı yüklenir. O yüzden sistemlerde basınç ölçer ile valf birbirine kilitlenir. Basınç eşiğin üstündeyse valf açılmaz. Kullanıcı bunu "interlock" olarak görür ve genelde ne işe yaradığını ancak bir arıza sonrası anlar.

Pompanın pompalama hızı da basınca bağlıdır. Veri sayfasındaki hız değeri, genelde azot için ve pompanın giriş ağzında ölçülür. Saniyede 1.000 ila 2.500 litre arasında değişir. Ama o hız, giriş basıncı düştükçe azalır. 10 üzeri eksi 3 milibarda tam hız veren pompa, 10 üzeri eksi 8 milibarda hızının yarısını kaybedebilir. O yüzden "pompa kaç litre" sorusu, "hangi basınçta" sorusu olmadan eksiktir.

Giriş ağzının çapı da bir tasarım kararıdır. Çap büyürse, pompanın iletkenliği artar ve daha çok molekül yakalanır. Ama büyük rotor, daha çok kütle, daha çok yatak yükü ve daha yüksek maliyet demektir. O yüzden pompa seçimi, odanın hacmi ile gaz yükü arasında bir denge kurar. Küçük odada büyük pompa, gereksiz para ve yer kaybıdır. Büyük odada küçük pompa, hedef basınca hiç ulaşamaz.

Piyasa Hafızası - 2018 vakum pompası krizi

Nisan 2018'de, dünyanın en büyük turbomoleküler pompa üreticilerinden biri olan Avusturya merkezli bir firma, üretiminde kullanılan bir alt bileşende tedarik sorunu yaşadığını duyurdu. Sorun, pompanın kendisinde değil, rotorun dengelenmesinde kullanılan bir parçadaydı. Etki hızla yayıldı. Yarı iletken ekipman üreticileri, teslim sürelerinin aylardan bir yıla çıktığını bildirdi.

O dönemde yeni bir fabrika kuran her şirket, litografi ve ölçüm odaları için pompa beklemek zorunda kaldı. Bazı projeler, pompa gelmediği için temiz odayı boş tuttu. Ders şuydu. Bir çip fabrikasının darboğazı, en pahalı makinesi değil, en göze görünmez parçası olabilir. Vakum pompası, bir tarayıcının yanında maliyet olarak küçüktür. Ama o pompa yoksa tarayıcı çalışmaz.

Küçük Bir Hesap

Temsili bir 300 milimetre fabrika düşünelim. Litografi, ölçüm ve implant odalarında toplam 40 turbomoleküler pompa çalışıyor olsun.

Sayılar temsili, mantık gerçek. Tabloya dikkatli bak. Pompa yatırımı 1 milyon dolar. Ama tek bir arıza zinciri, yılda 3 milyon dolarlık üretim kaybı yaratıyor. Yani pompanın kendisi ucuz, pompanın durması pahalı.

Duyarlılık şurada. Duruş süresini 20 saatten 40 saate çıkarırsan, kayıp 6 milyon dolara fırlar. Pompa fiyatını yarıya indirsen, toplam tasarruf 500 bin dolar. Yani satın alma fiyatı üzerinden pazarlık yapmak, asıl riski gözden kaçırır. Asıl soru şudur. Pompa kaç saatte bir bakım ister ve arıza verdiğinde yedeği rafta var mı?

Okuma çerçevesi

Turbomoleküler vakum, üç katmanlı okunur.

1. Fizik katmanı. Sıkıştırma oranı molekül ağırlığına üstel bağlıdır. Hafif gaz, pompanın zayıf noktasıdır ve ön pompa bu yüzden zorunludur. 2. Mimari katman.

Vakum tek cihaz değil, kademeli bir zincirdir. Her kademe bir sonrakinin penceresini açar. Zincirin en zayıf halkası, sistemin tavanını belirler. 3. Ekonomi katmanı. Pompanın fiyatı küçük, duruşun maliyeti büyüktür. Tedarik süresi ise görünmez bir darboğazdır ve 2018 bunu kanıtladı.

Bir çip fabrikasında en pahalı makine, en kritik makine değildir. Bazen kritik olan, odanın içinde kalan son molekülü süpüren sessiz kanattır.