Zobowiązałem się do opisania odrobiny technik próżniowych po egzaminie, który odbył się dzisiaj (i zakończył dla mnie bardzo pozytywnie).
Zacznijmy może od prostego pytania - czym jest próżnia? Odpowiedź jest zaskakująco prosta: próżnia jest niczym.

Zdjęcie próżni wykonane za pomocą skomplikowanych technik
Z praktycznego i technicznego punktu widzenia ta definicja nie jest poprawna, ale do tego dojdziemy później.
W próżni nie rozchodzą się fale mechaniczne (a co za tym idzie akustyczne), natomiast elektromagnetyczne propagują doskonale, najlepiej wręcz - bo nic im w tym rozchodzeniu się nie przeszkadza.
Może na początek małe wyjaśnienie, które ułatwi zrozumienie idei technik próżniowych, mianowicie czym jest ciśnienie? W prosty sposób można je określić mianem skutków uderzania molekuł płynów (do których zaliczamy gazy i ciecze - w przypadku ciał stałych nazywamy to zjawisko raczej naprężeniem) w obiekty znajdujące się w ich obrębie, bądź znajdujące się wokół nich. Prosty przykład: człowieczek w zamkniętym pokoju pełnym powietrza. Molekuły i atomy będą uderzać w niego i w ścianki tego pomieszczenia, wywierając nań właśnie ciśnienie.
A co ma ciśnienie do próżni?
Bardzo dużo. 'Jakość' próżni określa się za pomocą ciśnienia, jakie znajduje się w jej obrębie. Przeciętne ciśnienie atmosferyczne to 1013 hPa (hektopaskali), bądź tyleż samo mbar (milibarów). Przyjął się następujący podział osiągalnych próżni:
Próżnia wstępna >10^-3 mbar
Próżnia niska LV (Low Vacuum): 10^-3 - 10^-6 mbar
Próżnia wysoka HV (High Vacuum): 10^-6 - 10^-9 mbar
Próżnia ultra wysoka UHV (Ultra High Vacuum): 10^-9 - 10^-12 mbar
Próżnia ekstramalnie wysoka EHV (Extremely High Vacuum) <10^-12 mbar.
Próżnia idealna - 0 mbar.
Próżnia idealna nie istnieje - nawet w przestrzeni kosmicznej są to zakresy ciśnień do minimalnie 10^-16 mbara.
No ale dobra, nie każdemu cyferki mogą coś mówić. Więc może przedstawmy to obrazowo: ciśnienie atmosferyczne wynosi ~10^3 mbara. Próżnia wstępna oznacza gaz milion razy rzadszy. Próżnia niska - tysiąc razy mniej, czyli miliard. I tak dalej. Jeśli przedstawić to na liczbie cząstek znajdujących się w pojedynczym centymetrze sześciennym (tak jakby koniuszek palca), to w przypadku ciśnienia atmosferycznego ich liczba wynosi około 2,7*10^19. Czyli miliard miliardów razy dwadzieścia siedem. W próżni ekstramalnie wysokiej ta liczba maleje do 10 000 cząstek przy górnej granicy.
*patrzy na swój palec* jakby nie patrzeć, dalej jesteśmy daleko od próżni idealnej. Tym niemniej w ziemskich laboratoriach uzyskuje się w tej chwili próżnie rzędu 10^-16 mbara, co oznacza około jedną cząstkę na cm^3. Mało, ale nadal więcej niż 'nic'.
Biznes próżniowy jest bardzo rozwinięty. Istnieje mnóstwo mocarnych firm, które zajmują się produkcją i wyrobem próżniowych akcesoriów - komory, przewody, zawory, pompy i wiele innych rzeczy. Są to elementy bardzo drogie, ze względu na wysoką jakość i precyzję wykonania. W przeciwnym razie nie byłoby możliwe uzyskiwanie aż tak wysokich próżni (bądź niskich ciśnień, jak kto woli).
Komuś może się nasunąć pytanie - 'dlaczego nie da się zejść całkowicie do zera?' Wynika to z wielu zjawisk zachodzących wewnątrz układu próżniowego.
Po pierwsze, osprzęt nie jest doskonały i na przykład pompy próżniowe mają tzw. 'strumień zwrotny', co oznacza mniej więcej tyle, że część odpompowanych molekuł powraca do układu i jest to absolutnie nie do uniknięcia. Dolna granica możliwości pompy pojawia się, gdy jej strumień zwrotny jest równy szybkości pompowania - wówczas taka pompa nie jest w stanie dać nam nic, prócz 'nie psucia' próżni i utrzymywania jej tak, jak jest. Jeśli to kogoś interesuje, mogę innym razem zrobić przegląd rodzajów pomp próżniowych - jest tego dostatecznie dużo na osobny wpis i działają one na wiele różnych sposobów - np pompy turbomolekularne, jonowe, kriogeniczne i wiele innych.
Po drugie, osprzęt nie jest doskonały i podczas pompowania ważną rolę odgrywają tzw. gazy związane na powierzchni wewnętrznej układu. Chociaż pozornie wydaje nam się, że mamy jednolity i czysty materiał, nigdy nie jest tak w pełni. Po prostu atomy i cząstki gazów znajdują się tu i ówdzie na powierzchni i wewnątrz materiału i gdy obniżamy ciśnienie coraz bardziej, powoli się z niego uwalniają. Żeby ten proces przyspieszyć i zminimalizować jego negatywne działanie, stosuje się tak zwane 'wygrzewanie' układu próżniowego. Wiemy już z poprzedniego wpisu, co powoduje zwiększanie temperatury. Podgrzewając układ powodujemy zwiększenie hmm... szybkości drgań elementów układu, co ułatwia uwalnianie się tych molekuł i umożliwia ich odpompowanie. Można to sobie łatwo wyobrazić na przykładzie prześcieradła z okruchami. Jak prześcieradło będzie leżało spokojnie, to okruchy same z niego nie zlecą, jeśli natomiast zaczniemy nim delikatnie trząść, to w końcu zaczną tu i ówdzie podskakiwać i spadać.
Co ciekawe, można proces osadzania się molekuł na powierzchniach wykorzystać także w drugą stronę, do wyłapywania i więzienia niechcianych molekuł z układu. Na tej zasadzie działają pompy sorpcyjne (na przykład kriogeniczne).
Warto tutaj też wspomnieć, że molekuły i atomy wodoru są tak drobne, że potrafią przedyfundowywać (przenikać) z zewnątrz układu do środka.
Na koniec myślę, że warto byłoby napisać 'po co to wszystko' - po co wydawać miliony i konstruować niezwykle precyzyjne i dokładne układu próżniowe?
Mianowicie techniki próżniowe znajdują szerokie zastosowanie w wielu dziedzinach przemysłu i nauki. Wiele badań naukowych wymaga jak najlepszej próżni, zwłaszcza takich, które opierają się na manipulowaniu pojedynczymi molekułami - ot chociażby pułapka Paula. Niskie próżnie (a w zasadzie podciśnienie) znajdują zastosowanie w przechowywaniu żywności. Wszelkie skomplikowane i składające się z drobnych elementów układy elektroniczne są wytwarzane w mniejszych bądź większych próżniach. Wiele urządzeń, które trafia potem do użytku codziennego (ot chociażby silniki samochodowe) jest badanych metodami próżniowymi. Produkcja kropek, drutów i studni kwantowych wymaga zachowania wysokiej próżni. I wiele, wiele innych...
14 Comments
Recommended Comments