فیزیک خلا (Vacuum Physics)

فهرست مقالات فیزیک خلا

مباحث علمی	مباحث کاربردی و تجربی
تکنیک خلا	پمپ خلا
تکنولوژی خلا	خلا سنج
نظریه جنبشی گازها	کاربرد خلا
تکنیک لایه نشانی	پمپ جذبی ماده
سیستم خلا	کاربرد تکنولوژی هوای فشرده
انتقالات	پمپ داخلی
جریان هدایتی لوله	پمپ جابجایی
نشت یابی و رفع آن	پمپ مکانیکی
تکنولوژی هوا فشرده	پمپ شاره‌ای
خلا سازی	پمپ تله‌ای
خلاسنجی	پمپ دوره‌ای پیستونی
اتمسفر	پمپ روغنی
یکای فشار	پمپ دوار روتس
خلا طبیعی	پمپ مولکولی
نفوذ پخش	پمپ دیفوزیونی
عدم وجود خلا مطلق	پمپ افشانه بخار
گستره خلا در رنج فشار	پمپ زمرا
پویش آزاد میانگین	پمپ یونی - جذبی گرم
ترکیب مجدد	پمپ تربو مولکولی
یونسفر	جاذب زئولیت
فرمول بولتزمن	پمپ یونی - جذبی سرد
توزیع ماکسولی سرعت	خلاسنج U شکل
چسبندگی	خلاسنج مک لئود
رسانش حرارت	خلاسنج واکوستات
جریان الکتریکی	خلاسنج ساده
مکانیک آماری	خلاسنج پیرانی
پارامترهای اصلی گاز	کمیات خلاسازی
نفوذ فشاری	خلاسنج یونی گرم
کمیات خلاسازی	خلاسنج دیافراگمی
رژیم ویسکوزی	خلاسنج سرد
رژیم مولکولی	خلاسنج ترموکوپل
نفوذ گرمایی
تحلیل پوازی از ویسکوزیته
ضریب کنودسن
ضریب راینولد
لوله استوانه‌ای دراز
هدایت دیافراگم
هدایت روزنه
تکنیک یون سازی
تکنیک لایه سازی
مکانیزم جذب
خلا دینامیکی
تکنولوژی الکتریکی
تکنولوژی اتم ‌کنی

ریشه لغوی

واژه «خلا» به معنی تهی و خالی ترجمه واژه لاتین vacuum می‌باشد. این واژه معمولا در مورد محیطی بکار می‌رود که به ‌نحوی از هوا خالی شده‌است و چون در بیشتر آزمایشهای فیزیکی به محیطهای خلا نیازمندیم، بنابراین تکنیک خلا و روشهای ایجاد آن در فیزیک از اهمیت زیادی برخوردار است.

اطلاعات اولیه

در آزمایش فوتوالکتریک ، برای اینکه الکترونهای گسیل شده از کاتد بتوانند خود را به آند رسانده و جذب آن شوند، لازم است که درون محفظه شیشه‌ای که کاتد و آند در داخل آن قرار دارند، خالی از هوا باشد، تا الکترون بعد از گسیل ، بدون برخورد با اتمهای هوا به آند برسد. بنابراین اگر نتوانیم محفظه شیشه‌ای را از هوا خالی کنیم، آزمایش فوتوالکتریک ایجاد نمی‌شود.

آنچه ذکر شد فقط یک مورد از موارد فراوانی است که برای مشاهده نتایج آزمایش به خلاسازی نیازمندیم. بنابراین روشن است که این کار تا چه اندازه دارای اهمیت است. این مساله باعث شده‌است تا روشهای مختلف خلاسازی مورد مطالعه قرار گرفته و انواع پمپ‌های خلا طراحی و ساخته شوند.

تعریف خلا

فشارهای پایین‌تر از فشار اتمسفر را به ‌عنوان خلا تعریف می‌کنند. به عنوان مثال ، چون در شهر تبریز فشار اتمسفر در حدود 650 میلیمتر جیوه است. لذا فشارهای 649 و پایین‌تر را به‌ عنوان خلا در نظر می‌گیرند.

نواحی مختلف خلا

واحدهای فشارسنجی همان واحدهای خلاسنجی هستند. بنابراین در خلاسنجی نیز واحدهای پاسکال (pascal) و میلی‌متر جیوه (mmHg) بکار می‌روند. توریچلی در تقسیم‌بندی خلا به نواحی مختلف بجای واحدهای فوق از واحد تور (Torr) استفاده کرد. وی نواحی مختلف خلا را به صورت زیر مشخص کرد.

• خلا پایین (low vacuum): به محیطهای با فشار یک اتمسفر یا یک تور اطلاق می‌گردد.
  
  
• خلا متوسط (medium vacuum): محیطهایی که فشار در آنها بین الی

باشد، خلا متوسط می‌گویند.

• خلا بالا (high vacuum): اگر فشار هوا الی باشد، چنین محیطی را خلا بالا می‌گویند.
  
  
• خلا فرا بالا (ultra high vacuum): اگر در سیستمی فشار هوا و پایین‌تر باشد، در اینصورت خلا مورد نظر خلا فرا بالا نامیده می‌شود.
  
  

از آنجا که سیستمهای کم ‌فشار بیشتر ماهیت گازی دارند، بنابراین بررسی خلاسازی بیشتر در این حالت از ماده انجام می‌گیرد.

ابزارهای خلاسازی

خلاسازی توسط پمپ خلا صورت می‌گیرد. متناسب با مقدار خلا مورد نیاز از پمپهای مختلفی استفاده می‌شود. انواع متداول این پمپها را می‌توان بصورت زیر تعریف کرد:

• پمپ افشانه‌ای: این پمپها برای ایجاد خلاهایی با مقدار 80 Torr بکار می‌روند.
  
  
• پمپ دوار هوابندی روغنی: این پمپ می‌تواند خلاهایی با مقدار یک اتمسفر تا ایجاد کند. این پمپها با اینکه گستره خوبی دارند، اما سطوح آنها نیاز به روغن‌ کاری دارد. همچنین سیستم باید خنک نگه ‌داشته شود و فشار نهایی آن قابل توجه نیست.
  
  
• پمپ روتس (Roots): گستره عمل این پمپها در فاصله تا قرار دارد. عیب این پمپها این است که نیاز به پیش ‌پمپ دارند، همچنین فشار آنچنان پایینی هم ایجاد نمی‌کنند. از محاسن این پمپها می‌توان به سرعت تخلیه بالای آنها اشاره کرد، که در این حالت باید پس ‌پمپی نیز برای جلوگیری از افزایش فشار وجود داشته‌ باشد.
  
  
• پمپ مولکولی: در اینگونه از پمپها از زمان خواب ذرات در جداره پمپ استفاده می‌کنند. ذرات بر جداره‌های پمپ می‌خوابند، یا آنها را در مدت زمانی کمتر از زمان خواب ذرات از دور خارج می‌کنند و یا آنها را در جایی جمع کرده و با حرکت ویسکوزی خارج می‌کنند، سازنده این پمپ شخصی بنام Gade بود. محدوده عمل این پمپها از فشار شروع شده و تا فشار نیز می‌رسد. بزرگترین عیب این پمپها این است که به دلیل دوران خیلی زیاد دارای لرزش هستند، همچنین مانند پمپ دوار نیاز به روغن‌ کاری دارند.
  
  
• پمپ تربو مولکولی: در این نوع از پمپها رانش ذرات شبیه پمپ دوار است، اما مکانیزم عمل و دوران آن شبیه پمپ مولکولی است. این پمپ در گستره بالایی از فشار (در حدود ) ایجاد خلا کرده و سرعت تخلیه‌اش نیز ثابت است. قیمت این پمپها خیلی زیاد است.
  
  
• پمپ دیفوزیون: از این نوع پمپ برای ایجاد خلا در محدوده تا استفاده می‌گردد. بیشتر در کارهای تحقیقاتی از این نوع پمپ و پمپ دوار استفاده می‌کنند، اما این پمپ بیشتر کاربرد صنعتی دارد.
  
  
• پمپ جذبی: اساس کار این نوع پمپ بر اساس برهمکنش گاز با جامدات است. فرآیند جذب عمدتا به دو صورت جذب فیزیکی و جذب شیمیایی صورت می‌گیرد. پمپهای جذبی انواع مختلف دارند، که پمپ جذبی یونی از جمله آنهاست. با استفاده از اینگونه پمپها می‌توان به خلاهایی با فشار دست یافت.
  
  
• پمپ زمزائیک: در این نوع پمپ ، با هلیوم مایع هوا را منجمد می‌کنند. برای دستیابی به خلاهای فرابالا ابتدا هوا را آنالیز کرده ، سپس در دماهای مربوطه آن را منجمد می‌کنند. با افزایش تراکم و کاهش فوق‌العاده دما ، هلیوم مایع بدست می‌آید. هلیوم‌های نفوذی به خارج را با تزریق هلیوم جبران می‌کنند. بوسیله این پمپ‌ها می‌توان خلاهایی با فشار ایجاد کرد.

خلاسنجها

• خلاسنجهای مستقیم: این نوع خلاسنجها دارای لوله U شکل هستند که مستقیما فشار خلا را اندازه می‌گیرند. با این وسیله می‌توان تا فشار یک‌ تور را اندازه گرفت.
  
  
• خلاسنجهای شبه مستقیم: در این حالت از سنجش مقاومت و ظرفیت خازن و ضریب خودالقایی سلفها به منظور فشارسنجی استفاده می‌گردد.
  
  
• خلاسنج مک لئود: این دستگاه نیز بر اساس اندازه‌گیری طول به فشارسنجی می‌پردازد. به این معنی که با توجه به رابطه P = ρgl می‌توان با افزایش یا کاهش طول ، مقدار فشار را اندازه‌گیری کرد. که در این رابطه ، l طول ، g شتاب گرانشی ، ρ چگالی حجمی می‌باشد. با این وسیله می‌توان تا فشار را اندازه گرفت.
  
  
• خلاسنج یونشی: این نوع خلاسنجها که بر اساس یونسازی کار می‌کنند، بسته به نوع روش بکار رفته برای این کار به انوع مختلف تقسیم می‌شوند، که از آن جمله می‌توان به خلاسنج یونی گرم و خلاسنج یونی گرم متعارف اشاره کرد.
  
  
• خلاسنجهای دیگری وجود دارند که بر اساس رابطه P = nkT کار می‌کنند و از طریق دماسنجی و یا هدایت‌سنجی به فشار می‌رسند. مشهورترین این خلاسنجها ، خلاسنج ترموکوبل است. در رابطه اشاره شده T دما ، k ثابت بولتزمن و n تعداد اتمهای گاز است. بطور عملی گستره بهینه این خلاسنجها در فاصله تا است.

سخن آخر

امروزه همزمان با پیشرفت روزافزون شاخه‌های مختلف علم فیزیک ، فیزیک خلا نیز گسترش چشمگیری پیدا کرده‌ است و با استفاده از خلاسنجهای رادیواکتیو امکان ایجاد سیستمهای با فشار خیلی پایین حاصل شده ‌است. بطوری که با ترکیب خلاسنج رادیواکتیو و خلاسنج یونی گرم متعارف ، می‌توان تمام گستره فشاری قابل دسترس بوسیله قویترین پمپها را تحت پوشش قرار داد.

فیزیک خلا (Vacuum Physics)


فهرست مقالات فیزیک خلا
پارامترهای اصلی گاز [

مباحث علمی	مباحث کاربردی و تجربی
تکنیک خلا	پمپ خلا
تکنولوژی خلا	خلا سنج
نظریه جنبشی گازها	کاربرد خلا
تکنیک لایه نشانی	پمپ جذبی ماده
سیستم خلا	کار بردتکنولوژی هوای فشرده
انتقالات	پمپ داخلی
هدایت لوله ها	پمپ جابه جایی
نشت یابی ورفع آن	پمپ مکانیکی
تکنولوژی هوا فشرده	پمپ شاره ای
خلاسازی	پمپ تله ای
خلاسنجی	پمپ دوره ای پیستونی
اتمسفر	پمپ روغنی
تور واحد فشار	پمپ دوار روتس
خلا طبیی	پمپ مولکولی
نفوذ پخش	پمپ دیفوزیونی
عدم وجود خلا مطلق	پمپ افشانه بخار
گستره خلا در رنج فشار	پمپ زمرا
پویش آزاد میانگین	پمپ یونی-جذبی گرم
ترکیب مجدد	پمپ ترم بومولکی
یونسفر	جاذب زئولیت
فرمول بولتزمن	پمپ یونی-جذبی سرد
توزیع ماکسولی سرعت	خلاسنج U شکل
چسبندگی	خلاسنج مک لئود
رسانش حرارت	خلاسنج واکوستات
جریان الکتریکی	خلاسنج ساده
مکانیک آماری	خلاسنج پیرانی
کمیات خلاسازی
نفوذ فشاری	خلاسنج یونی گرم
کمیات خلاسازی	خلاسنج دیافراگمی
رژیم ویسکوزی	خلاسنج سرد
رژیم مولکولی	خلاسنج ترموکوپل
نفوذ گرمایی
تحلیل پوازی از ویسکوزیته
ضریب کنودسن
ضریب راینولد
لوله استوانهای دراز
هدایت دیافراگم
هدایت روزنه
تکنیک یون سازی
تکنیک لایه سازی
مکانیزم جذب
خلا دینامیکی
تکنولوژی الکتریکی
تکنولوژی اتم کنی

• فیزیک خلا

ریشه لغوی

واژه خلا به معنی تهی و خالی ترجمه واژه لاتین vacuun می‌باشد. این واژه معمولا در مورد محیطی به‌کار می‌رود که به‌نحوی از هوا خالی شده‌است. و چون در بیشتر آزمایشهای فیزیکی به محیطهای خلا نیازمندیم، بنابراین تکنیک خلا و روشهای ایجاد آن در فیزیک از اهمیت زیادی برخوردار است.

اطلاعات اولیه

در آزمایش فتوالکتریک ، برای اینکه الکترونهای گسیل شده از کاتد بتواند خود را به آند رسانده و جذب آن شوند، لازم است که درون محفظه شیشه‌ای که کاتد و آند در داخل آن قرار دارند، خالی از هوا باشد، تا الکترون بعد از گسیل ، بدون برخورد با اتمهای هوا به آند برسد. بنابراین اگر نتوانیم محفظه شیشه‌ای را از هوا خالی کنیم، آزمایش فتوالکتریک ایجاد نمی‌شود.
آنچه ذکر شد فقط یک مورد از موارد فراوانی است که برای مشاهده نتایج آزمایش به خلاسازی نیازمندیم. بنابراین روشن است که این کار تا چه اندازه دارای اهمیت است. این مساله باعث شده‌است تا روشهای مختلف خلاسازی مورد مطالعه قرار گرفته، و انواع پمپ‌های خلا طراحی و ساخته شوند.

تعریف خلا

فشارهای پایین‌تر از فشار اتمسفر را به‌عنوان خلا تعریف می‌کننند. بعنوان مثال چون در شهر تبریز فشار اتمسفر در حدود 650 میلی‌متر جیوه است. لذا فشارهای 649 و پایین‌تر را به‌عنوان خلا در نظر می‌گیرند.

نواحی مختلف خلا

واحدهای فشار سنجی همان واحدهای خلاسنجی هستند. بنابراین درخلاسنجی نیز واحدهای پاسکال (pascal) و میلی‌متر جیوه (mmHg) به‌کار می‌روند. توریچای در تقسیم‌بندی خلا به نواحی مختلف به‌جای واحدهای فوق از واحد تور (Torr) استفاده کرد. وی نواحی مختلف خلا را به صورت زیر مشخص کرد.

• خلا پایین (low vacuun) که به محیطهای با فشار یک اتمسفر یا یک تور اطلاق می‌گردد.
  
  
• خلا متوسط (medium vacuun) : محیطهایی که فشار ها در آنها بین 1 Torr الی 10^-3 باشد خلا متوسط می‌گویند.
  
  
• اگر فشار هوا 10^-3 الی 10^-8 باشد، چنین محیطی را خلا بالا (high vacuun) می‌گویند.
  
  
• اگر در سیستمی فشار هوا 10^-8 و پایین‌تر باشد، در اینصورت خلا مورد نظر خلا فرابالا (votra high vacuun) نامیده می‌شود.
  
  

از آنجا که سیستم‌های کم‌فشار بیشتر ماهیت گازی دارند، بنابراین بررسی خلاسازی بیشتر در این حالت از ماده انجام می‌گیرد.

ابزارهای خلاسازی

خلاسازی توسط پمپ صورت می‌گیرد. متناسب با مقدار خلا مورد نیاز از پمپ‌های مختلفی استفاده می‌شود. انواع متداول این پمپ‌ها را می‌توان به‌صورت زیر تعریف کرد.

• پمپ افشانه‌ای : این پمپ‌ها برای ایجاد خلاهایی با مقدار 80Torr به‌کار می‌روند.
  
  
• پمپ هوابندی روغنی دوار : این پمپ می‌تواند خلاهایی با مقدار یک اتمسفر تا 5x10^-2 تور ایجاد کند. این پمپ‌ها با اینکه گستره خوبی دارند، اما سطوح آنها نیاز به روغن‌کاری دارد. همچنین سیستم باید خنک نگه‌داشته شود و فشار نهایی آن قابل توجه نیست.
  
  
• پمپ روتس (Roots) :
  

گستره عمل این پمپ‌ها در فاصله 10^-2 تور تا 10^-4 تور قرار دارد. عیب این پمپ‌ها این است که نیاز به پیش‌پمپ دارند، همچنین فشار آن چنان پایینی هم ایجاد نمی‌کنند. از محاسن این پمپ‌ها می‌توان به سرعت تخلیه بالای آنها اشاره کرد، که در این حالت باید پس‌پمپی نیز برای جلوگیری از افزایش فشار وجود داشته‌باشد.

• پمپ مولکولی :
  

در این گونه از پمپ‌ها از زمان خواب ذرات در جداره پمپ استفاده می‌کنند. ذرات بر جداره‌های پمپ می‌خوابند یا آنها را در مدت زمانی کمتر از زمان خواب از دور خارج می‌کنند و یا آنها را در جایی جمع کرده و با حرکت ویسکوزی خارج می‌کنند. سازنده این پمپ شخصی بنام Gade بود. محدوده عمل این پمپ‌ها از فشار 10^-2 تور شروع شده و تا فشار 10^-12 تور نیز می‌رسد. بزرگترین عیب این پمپ‌ها این است که به دلیل دوران خیلی زیاد دارای لرزش هستند، همچنین مانند پمپ دوار نیاز به روغن‌کاری دارند.

• پمپ تربو مولکولی :
  
• در این نوع از پمپ‌ها رانش ذرات شبیه پمپ دوار است، اما مکانیزم عمل و دوران آن شبیه پمپ مولکولی است. این پمپ در گستره بالایی از فشار (در حدود 10^-12)ایجاد خلا کرده و سرعت تخلیه‌اش نیز ثابت است. قیمت این پمپ‌ها خیلی زیاد است.
  
  
• پمپ دیفوزیون :
  

از این نوع پمپ برای ایجاد خلا در محدوده 10^-2 تا 10^-8 تور استفاده می‌گردد. بیشتر در کارهای تحقیقاتی از این نوع پمپ و پمپ دوار استفاده می‌کنند، اما این پمپ بیشتر کاربرد صنعتی دارد.

• پمپ‌های جذبی :
  

اساس کار این نوع پمپ بر اساس برهمکنش گاز با جامدات است. فرایند جذب عمدتا به دو صورت جذب فیزیکی و جذب شیمیایی صورت می‌گیرد. پمپ‌های جذبی انواع مختلف دارند، که پمپ جذب یونی از جمله آنهاست.
با استفاده از این گونه پمپ‌ها می‌توان به خلاهایی با فشار 10^-13 تور دست یافت.

• پمپ زمزاییک :
  

در این نوع پمپ ، با هلیوم مایع هوا را منجمد می‌کنند. برای دست‌یابی به خلاهای فرابالا ابتدا هوا را آنالیزکرده ، سپس در دماهای مربوطه آن را منجمد می‌کنند. با افزایش تراکم و کاهش فوق‌العاده دمای هلیوم مایع بدست می‌آید. هلیوم‌های نفوذی به خارج را با تزریق هلیوم جبران می‌کنند. بوسیله این پمپ‌ها می‌توان خلاهایی با فشار 10^-16 تور ایجاد کرد.

خلا سنج‌ها

• خلاسنج‌های مستقیم : این نوع خلاسنج‌ها دارای لوله V شکل هستند که مستقیما فشار خلا را اندازه می‌گیرند. با این وسیله می‌توان تا فشار یک‌تور را اندازه گرفت.
  
  
• خلاسنج‌های شبه مستقیم : در این حالت از سنجش مقاومت و ظرفیت خازن و ضریب خودالقایی سلف‌ها به منظور فشار سنجی استفاده می‌گردد.
  
  
• خلاسنج‌های مک لئود : این دستگاه نیز بر اساس اندازه‌گیری طول به فشارسنجی می‌پردازد. به این معنی که با توجه به رابطه P=pgL می‌توان با افزایش یا کاهش مقدار فشار را اندازه‌گیری کرد. که در این رابطه L طول ، g شتاب جاذبه ، p چگالی حجمی می‌باشد. با این وسیله می‌توان تا فشار 10^-6 تور را اندازه گرفت.
  
  
• خلاسنجهای دیگری وجود دارند که بر اساس رابطه P=nkT کار می‌کنند و از طریق دماسنجی و یا هدایت‌سنجی به فشار می‌رسند. مشهورترین این خلاسنج‌ها ، خلاسنج ترموکوبل است. در رابطه اشاره شده T دما ، k ثابت یولتزین و n تعداد اتمهای گاز است. بطور عملی گستره بهینه این خلاسنج‌ها در فاصله 10^-2 تا 10² است.
  
  
• خلاسنج یونشی :
  

این نوع خلاسنجها که براساس یون‌سازی کار می‌کنند، بسته به نوع روش به‌کار رفته برای این کار به انوع مختلف تقسیم می‌شوند، که از آن جمله می‌توان به خلاسنج یونی گرم متعارف اشاره کرد.

سخن آخر

امروزه همزمان با پیشرفت روزافزون شاخه‌های مختلف علم فیزیک ، فیزیک خلا نیز گسترش چشمگیری پیدا کرده‌است و با استفاده از خلاسنج‌های رادیواکتیو امکان ایجاد سیستم‌های با فشار خیلی پایین حاصل شده‌است. بطوریکه با ترکیب خلاسنج رادیواکتیو و خلاسنج یونی گرم متعارف ، می‌توان تمام گستره فشاری قابل دسترس بوسیله قویترین پمپ‌ها را تحت پوشش قرار داد.