Wpis opublikowany przez Lord Nargogh
3179 wyświetleń
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 komentarzy
Rekomendowane komentarze