Vakuum

Vakuum (av lat.  vacuus  - tomhet) - utrymme fritt från materia. Inom teknik och tillämpad fysik förstås vakuum som ett medium som består av en gas vid ett tryck som är betydligt lägre än atmosfäriskt [1] .

Vakuum kännetecknas av förhållandet mellan medelfri väg för gasmolekyler λ och den karakteristiska storleken på mediet d , det så kallade Knudsentalet . Under d kan avståndet mellan vakuumkammarens väggar , diametern på vakuumrörledningen , etc. Beroende på värdet på förhållandet λ/ d , är lågt ( ), medium ( ) och högt ( ) vakuum . distingerad.

Tekniskt vakuum

I praktiken kallas en mycket förtärnad gas tekniskt vakuum . I makroskopiska volymer är ett idealiskt vakuum (ett medium utan gasmolekyler) praktiskt taget ouppnåeligt, eftersom alla material vid en ändlig temperatur har en mättad ångdensitet som inte är noll . Dessutom tillåter många material (särskilt tjock metall, glas och andra kärlväggar) gaser att passera igenom. I mikroskopiska volymer är det dock i princip möjligt att uppnå ett idealiskt vakuum.

Ett mått på graden av vakuumförsämring är den genomsnittliga fria vägen för gasmolekyler , associerad med deras inbördes kollisioner i gasen, och den karakteristiska linjära storleken på kärlet i vilket gasen är belägen.

Ett tekniskt vakuum är strängt taget en gas i ett kärl eller en rörledning med ett lägre tryck än i den omgivande atmosfären. Enligt en annan definition, när molekylerna eller atomerna i en gas slutar att kollidera med varandra, och de gasdynamiska egenskaperna ersätts med viskösa (vid ett tryck på cirka 1 mm Hg ), talar de om att nå ett lågt vakuum ( ; 1016 molekyler per 1 cm³ ) . Vanligtvis placeras en så kallad forelinepump mellan atmosfärisk luft och en högvakuumpump, vilket skapar ett preliminärt vakuum, så lågt vakuum kallas ofta en foreline . Med en ytterligare minskning av trycket i kammaren ökar den genomsnittliga fria vägen för gasmolekyler. Vid kolliderar gasmolekyler med väggar mycket oftare än med varandra. I det här fallet talar man om ett högvakuum ( 10 −5 mm Hg ; 10 11 molekyler per 1 cm³ ). Ultrahögt vakuum motsvarar ett tryck på 10 −9 mm Hg. Konst. och under. I ultrahögt vakuum, till exempel, utförs experiment vanligtvis med ett scanning tunnelmikroskop . Som jämförelse är trycket i rymden flera storleksordningar lägre - 10 9 molekyler per 1 cm³ (en miljard molekyler i en kubikcentimeter), medan det i rymden till och med kan nå 10 −16 mm Hg . och under ( 1 molekyl per 1 cm³ ) [2] .

Ett högt vakuum i de mikroskopiska porerna i vissa kristaller och i ultratunna kapillärer uppnås redan vid atmosfärstryck, eftersom por-/kapillärdiametern blir mindre än den genomsnittliga fria vägen för en molekyl, vilket är lika med ~60 nanometer i luft under normala förhållanden [3] .

Apparaten som används för att uppnå och upprätthålla ett vakuum kallas vakuumpumpar . Getters används för att absorbera gaser och skapa den nödvändiga graden av vakuum . Det bredare begreppet vakuumteknik omfattar även anordningar för att mäta och kontrollera vakuum, manipulera föremål och utföra tekniska operationer i en vakuumkammare etc. Högvakuumpumpar är komplexa tekniska anordningar. Huvudtyperna av högvakuumpumpar är diffusionspumpar baserade på infångning av restgasmolekyler av arbetsgasflödet, getter, joniseringspumpar baserade på införandet av gasmolekyler i getters (till exempel titan ) och kryosorptionspumpar (främst för att skapa ett framvakuum).

Även i ett idealiskt vakuum vid en ändlig temperatur finns det alltid någon termisk strålning (en gas av fotoner ). Således kommer en kropp placerad i ett idealiskt vakuum förr eller senare att komma i termisk jämvikt med vakuumkammarens väggar på grund av utbytet av termiska fotoner.

Vakuum är en bra värmeisolator; överföringen av värmeenergi i den sker endast på grund av värmestrålning, konvektion och värmeledningsförmåga är uteslutna. Denna egenskap används för värmeisolering i termosar ( Dewar-kärl ), bestående av en behållare med dubbla väggar, vars utrymme evakueras.

Vakuum används ofta i elektriska vakuumanordningar - radiorör (till exempel magnetroner i mikrovågsugnar), katodstrålerör etc.

Fysiskt vakuum

Vakuumet för kvantfältteorin

Det fysiska vakuumet i kvantfysiken förstås som det kvantiserade fältets lägsta (mark)energitillstånd, som har noll momentum, vinkelmomentum och andra kvanttal. Dessutom motsvarar ett sådant tillstånd inte nödvändigtvis tomhet: fältet i det lägsta tillståndet kan till exempel vara fältet av kvasipartiklar i en fast kropp eller till och med i en atoms kärna, där densiteten är extremt hög. Fysiskt vakuum kallas också ett utrymme helt utan materia , fyllt med ett fält i ett sådant tillstånd [4] [5] . Ett sådant tillstånd är inte absolut tomhet . Kvantfältteorin hävdar att, i enlighet med osäkerhetsprincipen , föds virtuella partiklar ständigt och försvinner i det fysiska vakuumet : de så kallade nollpunktssvängningarna av fält inträffar. I vissa specifika fältteorier kan vakuumet ha icke-triviala topologiska egenskaper. I teorin kan det finnas flera olika vakuum, olika i energitäthet eller andra fysikaliska parametrar (beroende på vilka hypoteser och teorier som används). Vakuumets degeneration vid spontant symmetribrott leder till existensen av ett kontinuerligt spektrum av vakuumtillstånd som skiljer sig från varandra i antalet Goldstone-bosoner . Lokala minima av energi vid olika värden av vilket fält som helst, som skiljer sig i energi från det globala minimumet, kallas falska vakuum ; sådana tillstånd är metastabila och tenderar att sönderfalla med frigörandet av energi, övergå till det verkliga vakuumet eller in i något av de underliggande falska vakuumet.

Några av dessa fältteoretiska förutsägelser har redan framgångsrikt bekräftats genom experiment. Således förklaras Casimir-effekten [6] och Lamb-förskjutningen av atomnivåer av nollsvängningar av det elektromagnetiska fältet i det fysiska vakuumet. Moderna fysikaliska teorier är baserade på några andra idéer om vakuum. Till exempel är förekomsten av flera vakuumtillstånd (det falska vakuumet som nämns ovan ) en av huvudgrunderna för Big Bang -inflationsteorin .

Falskt vakuum

Ett falskt vakuum  är ett tillstånd i kvantfältteorin som inte är ett tillstånd med ett globalt minimumenergi , utan motsvarar dess lokala minimum. Ett sådant tillstånd är stabilt under en viss tid (metastabilt), men kan " tunneleras " till ett tillstånd av verkligt vakuum.

Einsteinskt vakuum

Einsteinvakuumet  är ett ibland använt namn för lösningar på Einsteins ekvationer i generell relativitetsteori för en tom, materiafri rumtid . Synonymt med Einstein-rymden .

Einsteins ekvationer relaterar rum-tidsmetriken (den metriska tensorn g μν ) till energimomentumtensorn. I allmänhet skrivs de som

där Einstein-tensoren G μν är en bestämd funktion av den metriska tensorn och dess partiella derivator, R  är den skalära krökningen , Λ  är den kosmologiska konstanten , T μν  är materiens energi-momentumtensor , π  är talet pi , c  är den ljusets hastighet i vakuum, G  är gravitationskonstanten Newton.

Vakuumlösningar av dessa ekvationer erhålls i frånvaro av materia, det vill säga när energimoment-tensorn är identiskt lika med noll i det betraktade området av rum-tid: T μν = 0 . Ofta anses lambdatermen också vara noll, särskilt när man undersöker lokala (icke-kosmologiska) lösningar. Men när man överväger vakuumlösningar med en lambdaterm som inte är noll ( lambdavakuum ), uppstår viktiga kosmologiska modeller som De Sitter-modellen ( Λ > 0 ) och anti-De Sitter-modellen ( Λ < 0 ).

Den triviala vakuumlösningen till Einsteins ekvationer är det platta Minkowski-utrymmet , det vill säga metriken som betraktas i speciell relativitet .

Andra vakuumlösningar till Einsteins ekvationer inkluderar i synnerhet följande fall:

Yttre rymden

Yttre rymden har mycket låg densitet och tryck och är den bästa approximationen av det fysiska vakuumet. Vakuumet i rymden är inte riktigt perfekt, även i det interstellära rymden finns det några väteatomer per kubikcentimeter. Tätheten av joniserat atomärt väte i det intergalaktiska utrymmet i den lokala gruppen uppskattas till 7×10 −29 g/cm³ [7] .

Stjärnor, planeter och satelliter håller ihop sina atmosfärer genom gravitationen, och som sådan har atmosfären ingen väldefinierad gräns: densiteten av atmosfärisk gas minskar helt enkelt med avståndet från ett objekt. Jordens atmosfärstryck sjunker till cirka 3,2×10 −2 Pa per 100 km höjd – vid den så kallade Karmanlinjen , som är den vanliga definitionen av gränsen mot yttre rymden. Bortom denna linje blir gasens isotropiska tryck snabbt försumbart jämfört med strålningstrycket från solen och det dynamiska trycket från solvinden , så tryckdefinitionen blir svår att tolka. Termosfären i detta område har stora gradienter i tryck, temperatur och sammansättning, och är mycket varierande på grund av rymdväder.

Atmosfärens täthet under de första hundra kilometerna ovanför Karmanlinjen är fortfarande tillräcklig för att ge betydande motstånd mot konstgjorda jordsatelliter . De flesta satelliter verkar i denna region, kallad låg omloppsbana om jorden, och måste drivas med några dagars mellanrum för att upprätthålla en stabil omloppsbana.

Yttre rymden är fylld med ett stort antal fotoner, den så kallade kosmiska mikrovågsbakgrunden , såväl som ett stort antal neutriner, som ännu inte går att upptäcka. Den aktuella temperaturen för dessa strålningar är cirka 3 K, eller −270 °C [8] .

Historia om studiet av vakuum

Idén om vakuum (tomhet) har varit föremål för kontroverser sedan de antika grekiska och romerska filosofernas tid. Atomister  - Leucippus (ca 500 f.Kr.), Demokritos (ca 460-370 f.Kr.), Epikuros (341-270 f.Kr.), Lucretius (ca 99 -55 f.Kr.) och deras anhängare - antog att allt som existerar är atomer och en tomrum mellan dem, och utan vakuum skulle det inte finnas någon rörelse, atomerna kunde inte röra sig om det inte fanns något tomt utrymme mellan dem. Strato (ca 270 f.Kr.) och många filosofer trodde på senare tid att tomhet kunde vara "fast" ( vacuum coacervatum ) och "spridd" (mellan partiklar av materia, vacuum disseminatum ).

Tvärtom trodde Aristoteles (384-322 f.Kr.) och ett antal andra filosofer att "naturen avskyr ett vakuum". Begreppet "rädsla för tomrummet" ( horror vacui ), som uppstod redan innan Aristoteles, bland Empedokles (ca 490-430 f.Kr.) och andra filosofer från den joniska skolan, blev dominerande i det medeltida Europas filosofiska tänkande och förvärvade religiösa och mystiska drag.

Vissa förutsättningar för det empiriska studiet av vakuum fanns i antiken. Forntida grekiska mekaniker skapade olika tekniska anordningar baserade på luftförsörjning. Till exempel var vattenpumpar som fungerar genom att skapa ett vakuum under kolven kända redan på Aristoteles tid. En ritning av en brandpump som uppfanns av "pneumatikens fader" Ktesibius (ca 250 f.Kr.) har överlevt till vår tid. Vattenpumpar av denna typ var faktiskt prototyperna till vakuumkolvpumpen, som dök upp nästan två årtusenden senare. En elev till Ctesibius, Heron of Alexandria, utvecklade en kolvspruta för att dra ut pus, som också i huvudsak är en vakuumanordning.

Den empiriska studien av vakuum började först på 1600-talet, med slutet av renässansen och början av den vetenskapliga revolutionen i modern tid . Vid det här laget hade det länge varit känt att sugpumpar kunde lyfta vatten till en höjd av högst 10 meter. Till exempel, i avhandlingen av George Agricola (1494-1555) "On Mining" finns en bild av en kedja av vattenpumpar för att pumpa vatten från en gruva.

Galileo , i hans Conversations and Mathematical Proofs of Two New Sciences [9] (1638), boken som fullbordade förstörelsen av den aristoteliska fysiken, påpekade, med hänvisning till praktiken, att höjden till vilken sugpumpar lyfter vatten alltid är densamma - ca 18 alnar . Speciellt i denna bok beskriver han i själva verket en vakuumanordning med en kolv, som är nödvändig för att jämföra draghållfastheten hos vatten och en fast kropp, även om han förklarar den draghållfasthet som är karakteristisk för fasta ämnen och vätskor med rädslan för tomhet, förutsatt att det finns små tomma porer mellan materiens partiklar som expanderar under spänning.

Under inflytande av Galileos avhandling, som pekade på begränsningarna av "rädslan för tomrummet", 1639-1643. Gasparo Berti byggde en anordning (i senare terminologi, ett barometriskt vattenrör) på fasaden av sitt hus i Rom, som kan anses vara den första installationen för den fysiska studien av vakuum. I den övre, glasiga, slutna delen av röret mer än 10 m hög , ovanför vattenpelaren balanserad av atmosfärstryck, hittades ett tomt utrymme (i själva verket fylldes det med vattenånga under ett tryck lika med vattnets elasticitet ånga vid rumstemperatur, såväl som löst luft, det vill säga trycket i kaviteten var cirka 0,1 atmosfär ). Emanuel Magnano fixade en klocka och hammare i denna hålighet. Han agerade på hammaren med en magnet och slog på klockan med hammaren. Som ett resultat av detta första experiment någonsin i vakuum (närmare bestämt, i en förtärnad gas), fann man att ljudet av klockan var dämpat [10] .

Vetenskapsmannen Rafaelo Maggiotti [11] (1597-1656) från Rom rapporterade Bertis och Magnanos experiment till Galileos elev, florentinaren Evangelista Torricelli . Samtidigt föreslog Maggiotti att en tätare vätska skulle stanna vid en lägre nivå [12] . År 1644 lyckades Torricelli (med hjälp av Vincenzo Viviani , en annan elev till Galileo) skapa den första vakuumkammaren. Hans arbete relaterat till atmosfärstrycksteorier gav grunden för ytterligare experimentella tekniker. Vakuum enligt Torricelli-metoden ( Torricelli void ) uppnås genom att fylla med kvicksilver ett långt glasrör, förseglat i ena änden, och sedan vända det så att den öppna änden av röret ligger under kvicksilverytan i ett bredare öppet kärl [13] . Kvicksilver kommer att flöda ut ur röret tills kvicksilverkolonnens tyngdkraft kompenseras av atmosfärstrycket. Ett vakuum bildas i det kvicksilverfria utrymmet vid den övre, tätade änden av röret. Denna metod ligger till grund för kvicksilverbarometerns funktion . Vid standardatmosfärstryck är höjden på kvicksilverkolonnen balanserad med atmosfärstryck 760 mm .

Omkring 1650 uppfann den tyske vetenskapsmannen Otto von Guericke den första vakuumpumpen (en kolvcylinder med vattentätning), som gjorde det lätt att pumpa ut luft ur förseglade behållare och experimentera med vakuum [14] . Pumpen, kallad antlia pneumatica av författaren , var fortfarande mycket långt ifrån perfekt och krävde minst tre personer för att manipulera kolven och kranarna nedsänkta i vatten för att bättre isolera det resulterande tomrummet från luften utanför. Men med hans hjälp kunde Guericke demonstrera många av vakuumets egenskaper, i synnerhet genom att sätta upp det berömda experimentet med Magdeburgs halvklot . Guericke skapade också en vattenbarometer, som i princip liknar Torricellis kvicksilverbarometer, även om på grund av vattnets lägre densitet jämfört med kvicksilver är höjden på vattenpelaren som balanserar atmosfärstrycket 13,6 gånger större - cirka 10 meter. Guericke fick för första gången reda på att vakuum inte leder ljud och att förbränningen i det stannar [15] .

Guerickes vakuumpump förbättrades avsevärt av Robert Boyle , vilket gjorde att han kunde utföra en serie experiment för att belysa vakuumets egenskaper och dess effekt på olika föremål. Boyle upptäckte att små djur dör i ett vakuum, elden slocknar och röken sjunker (och därför påverkas lika mycket av gravitationen som andra kroppar). Boyle fick också reda på att vätskeuppgången i kapillärerna även sker i ett vakuum, och motbevisade därmed den då rådande uppfattningen att lufttryck var inblandat i detta fenomen. Tvärtom stoppades vätskeflödet genom sifonen i vakuum, vilket bevisade att detta fenomen beror på atmosfärstrycket. Han visade att vid kemiska reaktioner (som kalksläckning), såväl som i kroppars ömsesidiga friktion, frigörs också värme i vakuum.

Effekter på människor och djur

Människor och djur som utsätts för vakuum tappar medvetandet efter några sekunder och dör av syrebrist inom några minuter, men dessa symtom tenderar att vara olika de som visas i populärkultur och media. En minskning av trycket sänker kokpunkten vid vilken blod och andra biologiska vätskor ska koka, men det elastiska trycket i blodkärlen tillåter inte blodet att nå en kokpunkt på 37 °C [16] . Även om blod inte kokar, är effekten av gasbubblor i blod och andra kroppsvätskor vid låga tryck, känd som ebullism (luftemfysem), ett allvarligt problem. Gasen kan blåsa upp en kropp till två gånger dess normala storlek, men vävnaderna är tillräckligt elastiska för att förhindra att de spricker [17] . Ödem och ebullism kan förebyggas med en speciell flygdräkt. Skyttelastronauter bar ett speciellt stretchigt plagg som kallas Crew Altitude Protection Suit (CAPS) som förhindrar ebullism vid tryck större än 2 kPa ( 15 mmHg ) [18] . Den snabba avdunstning av vatten kyler huden och slemhinnorna till 0 ° C, särskilt i munnen, men detta utgör ingen stor fara.

Djurförsök visar att efter 90 sekunder av att ha varit i ett vakuum sker vanligtvis en snabb och fullständig återhämtning av kroppen, men en längre vistelse i ett vakuum är dödlig och återupplivning är värdelös [19] . Det finns bara en begränsad mängd data om effekterna av vakuum på människor (som regel hände detta när människor råkade ut för en olycka), men de överensstämmer med data som erhållits i djurförsök. Extremiteter kan vara i ett vakuum mycket längre om andningen inte störs [20] . Robert Boyle var den första som visade 1660 att ett vakuum är dödligt för små djur.

Dimension

Graden av vakuum bestäms av mängden ämne som finns kvar i systemet. Vakuum bestäms i första hand av absolut tryck , och fullständig karakterisering kräver ytterligare parametrar som temperatur och kemisk sammansättning. En av de viktigaste parametrarna är medelfri väg (MFP) för restgaserna, som anger det genomsnittliga avståndet som en partikel färdas under sin fria väg från en kollision till nästa. Om gasens densitet minskar ökar MFP:n. MFP:n i luft vid atmosfärstryck är mycket kort, runt 70 nm , medan vid 100 mPa ( ~1×10 −3 Torr ) är MFP:n av luft cirka 100 mm . Egenskaperna hos en förtärnad gas förändras avsevärt när den genomsnittliga fria vägen blir jämförbar med dimensionerna på kärlet som innehåller gasen.

Vakuum är uppdelat i intervall enligt den teknik som behövs för att uppnå eller mäta det. Dessa intervall har inte allmänt accepterade definitioner, men en typisk fördelning ser ut så här [21] [22] :

Tryck ( mmHg ) Tryck ( Pa )
Atmosfärstryck 760 1,013×10 +5
lågt vakuum från 760 till 25 från 1×10 +5 till 3,3×10 +3
Medium vakuum från 25 till 1×10 −3 från 3,3×10 +3 till 1,3×10 −1
högt vakuum från 1×10 −3 till 1×10 −9 från 1,3×10 −1 till 1,3×10 −7
Ultrahögt vakuum från 1×10 −9 till 1×10 −12 från 1,3×10 −7 till 1,3×10 −10
extremt vakuum <1×10 −12 <1,3×10 −10
Plats 1×10 −6 till <3×10 −17 från 1,3×10 −4 till <1,3×10 −15
Absolut vakuum 0 0

Applikation

Vakuum är användbart för många processer och används i olika enheter. För första gången för massanvända varor användes den i glödlampor för att skydda glödtråden från kemisk nedbrytning . Den kemiska trögheten hos material som tillhandahålls av vakuum är också användbar för elektronstrålesvetsning , kallsvetsning , vakuumförpackning och vakuumstekning. Ultrahögt vakuum används för att studera atomiskt rena substrat, eftersom endast ett mycket högt vakuum håller ytorna rena på atomnivå under tillräckligt lång tid (från minuter till dagar). Högt och ultrahögt vakuum eliminerar luftmotstånd, vilket gör att partikelstrålar kan avsätta eller ta bort material utan förorening. Denna princip ligger till grund för kemisk ångavsättning , vakuumavsättning och torretsning, som används inom halvledar- och optiska beläggningsindustrin, såväl som i ytkemi. Minskad konvektion ger värmeisolering i termosar . Högt vakuum sänker kokpunkten för en vätska och främjar låg avgasningstemperatur , som används vid frystorkning , limberedning , destillation , metallurgi och vakuumraffinering. Vakuumets elektriska egenskaper gör elektronmikroskop och vakuumrör möjliga , inklusive katodstrålerör . Vakuumbrytare används i elektriska ställverk . Vakuumnedbrytning är av industriell betydelse för tillverkning av vissa stålkvaliteter eller material med hög renhet. Att eliminera luftfriktion är användbart för energilagring i svänghjul och ultracentrifuger .

Vakuumdrivna maskiner

Vakuum används vanligtvis för att producera sug , som har ett ännu bredare användningsområde. Newcomens ångmaskin använde vakuum istället för tryck för att driva kolven. På 1800-talet användes vakuum för dragkraft på Isambard Brunels experimentella pneumatiska järnväg . Vakuumbromsar användes en gång i stor utsträckning på tåg i Storbritannien, men med undantag för gamla järnvägar har de ersatts av luftbromsar .

Insugningsrörsvakuum kan användas för att driva tillbehör på bilar. Den mest kända applikationen är som en vakuumförstärkare för att öka bromskraften . Vakuum användes tidigare i vakuumtorkaraktuatorerna och Autovacs bränslepumpar . Vissa flygplansinstrument (attitydindikatorn och kursindikatorn) är vanligtvis vakuumstyrda, som en försäkring mot fel på alla (elektriska) instrument, eftersom tidiga flygplan ofta inte hade elektriska system, och eftersom det finns två lättillgängliga vakuumkällor på ett flygplan i rörelse, motorn och venturin . Vakuuminduktionssmältning använder elektromagnetisk induktion i vakuum.

Att upprätthålla ett vakuum i kondensorn är avgörande för en effektiv drift av ångturbiner . För detta används en ånginjektor eller vattenringpump . Det typiska vakuumet som upprätthålls i kondensorns ångvolym vid turbinavgaserna (även kallat turbinkondensortryck) sträcker sig från 5 till 15 kPa, beroende på typen av kondensor och miljöförhållanden.

Avgasning

Avdunstning och sublimering i vakuum kallas avgasning . Alla material, fasta eller flytande, har viss ånga (avgasning) och avgasning är nödvändig när vakuumtrycket faller under deras ångtryck. Förångning av material i vakuum har samma effekt som läckage och kan begränsa det vakuum som kan uppnås. Avdunstningsprodukter kan kondensera på närliggande kallare ytor, vilket kan orsaka problem om de belägger optiska instrument eller reagerar med andra material. Detta orsakar stora svårigheter när man flyger i rymden, där ett mörklagt teleskop eller solcell kan spåra ur en dyr operation.

Den vanligaste flyktprodukten i vakuumsystem är vatten som absorberas av kammarmaterialen . Dess mängd kan minskas genom att torka eller värma upp kammaren och ta bort absorberande material. Avdunstande vatten kan kondensera i oljan från roterande skovelpumpar och drastiskt minska deras driftshastighet om en gasballastanordning inte används. Högvakuumsystem måste vara rena och fria från organiskt material för att minimera utgasning.

UHV-system glödgas vanligtvis, helst under vakuum, för att tillfälligt öka förångningen av alla material och förånga dem. Efter att det mesta av de förflyktigade materialen har förångats och avlägsnats, kan systemet kylas för att minska förångningen av material och minimera kvarvarande avgasning under drift. Vissa system kyls långt under rumstemperatur med flytande kväve för att helt stoppa kvarvarande gasutveckling och samtidigt skapa effekten av kryogen pumpning av systemet.

Pumpning och atmosfäriskt tryck

Gaser kan inte drivas ut alls, så ett vakuum kan inte skapas genom sug. Sug kan expandera och späda ut vakuumet, vilket tillåter högt tryck att införa gaser i det, men innan sug kan inträffa måste ett vakuum skapas. Det enklaste sättet att skapa ett konstgjort vakuum är att utöka volymen av kammaren. Till exempel expanderar diafragmamuskeln brösthålan, vilket leder till en ökning av lungkapaciteten. Denna expansion minskar trycket och skapar ett lågt vakuum, som snart fylls med atmosfärstryck.

För att fortsätta tömma kammaren på obestämd tid, utan att ständigt använda dess ökning, kan facket som dammsuger den stängas, ventileras, expanderas igen, och så vidare många gånger. Detta är funktionsprincipen för pumpar med positiv deplacement (gasförande), såsom en manuell vattenpump. Inuti pumpen expanderar en mekanism ett litet förseglat hålrum för att skapa ett vakuum. På grund av tryckfallet trycks en del av vätskan från kammaren (eller brunn, i vårt exempel) in i pumpens lilla hålrum. Därefter förseglas pumphåligheten hermetiskt från kammaren, öppnas mot atmosfären och komprimeras till en minimal storlek, vilket trycker ut vätskan.

Ovanstående förklaring är en enkel introduktion till dammsugning och är inte representativ för hela utbudet av pumpar som används. Många varianter av deplacementpumpar har utvecklats och många pumpkonstruktioner är baserade på radikalt olika principer. Impulsöverföringspumpar, som har vissa likheter med dynamiska pumpar som används vid högre tryck, kan ge mycket bättre vakuumkvalitet än deplacementpumpar. Gaskopplingspumpar, som kan fånga upp fasta eller absorberade gaser, fungerar ofta utan rörliga delar, utan tätningar och utan vibrationer. Ingen av dessa pumpar är universella; varje typ har allvarliga tillämpningsbegränsningar. Alla har svårt att pumpa lågmassagaser, särskilt väte, helium och neon.

Det lägsta tryck som kan uppnås i ett system, förutom pumparnas design, beror också på många faktorer. Flera pumpar kan seriekopplas i så kallade steg för att uppnå ett högre vakuum. Valet av tätningar, kammargeometri, material och pumpprocedurer kommer alla att ha en effekt. Sammantaget kallas allt detta för vakuumteknik. Och ibland är det resulterande trycket inte den enda betydande egenskapen. Pumpsystem kännetecknas av oljeförorening, vibrationer, selektiv pumpning av vissa gaser, pumphastigheter, intermittent drift, tillförlitlighet eller motstånd mot höga läckagehastigheter.

I UHV-system måste några mycket "konstiga" läckagevägar och ångkällor beaktas. Vattenabsorptionsförmågan hos aluminium och palladium blir en oacceptabel källa till avdunstning, även adsorptionsförmågan hos fasta metaller som rostfritt stål eller titan måste beaktas. Vissa oljor och fetter kommer att koka under högvakuum. Det kan vara nödvändigt att ta hänsyn till inverkan av metallens kristallstruktur på permeabiliteten av metallväggarna i kamrarna, till exempel parallelliteten mellan riktningen av metallflänsarnas korn till flänsens ändyta .

De lägsta trycken som för närvarande kan uppnås under laboratorieförhållanden är cirka 10 -13 Torr (13 pPa). Men tryck lägre än 5×10 -17 Torr (6,7 fPa) var indirekt mätbara i ett kryogent vakuumsystem. Detta motsvarar ≈100 partiklar/cm 3 .

Se även

Ansökningar

Anteckningar

  1. ↑ Chambers, Austin. Modern  vakuumfysik . — Boca Raton: CRC Press , 2004. — ISBN 0-8493-2438-6 .
  2. ↑ Tadokoro, M. A Study of the Local Group by Use of the  Virial Theorem  // Publications of the Astronomical Society of Japan : journal. - 1968. - Vol. 20 . — S. 230 . - .
  3. ↑ Rodin A. M., Druzhinin A. V. Vakuum // Physical Encyclopedia  : [i 5 volymer] / Kap. ed. A. M. Prokhorov . - M . : Soviet Encyclopedia , 1988. - T. 1: Aharonov - Bohm-effekt - Långa rader. - S. 235-236. — 707 sid. — 100 000 exemplar.
  4. ↑ Werner S. Weiglhofer. § 4.1 Det klassiska vakuumet som referensmedium // Introduktion till komplexa medier för optik och elektromagnetik  (engelska) / Werner S. Weiglhofer och Akhlesh Lakhtakia, red. - SPIE Press, 2003. - P. 28, 34. - ISBN 978-0-8194-4947-4 .
  5. ↑ Tom G. MacKay. Electromagnetic Fields in Linear Bianisotropic Mediums // Progress in Optics, Volym 51 / Emil Wolf. - Elsevier , 2008. - S. 143. - ISBN 978-0-444-52038-8 .  
  6. ↑ Physical Encyclopedia, v.5. Stroboskopiska enheter - Ljusstyrka / Kap. ed. A. M. Prokhorov. Redaktion: A. M. Baldin, A. M. Bonch-Bruevich och andra - M.: Great Russian Encyclopedia, 1994, 1998.-760 s.: ill. ISBN 5-85270-101-7 , s.644
  7. ↑ Tadokoro, M. [1]  =  En studie av den lokala gruppen med hjälp av Virial Theorem // Publikationer från Astronomical Society of Japan. - 1968. - Vol. 20 . — S. 230 .
  8. ↑ Strålningstemperatur . elementy.ru Hämtad 27 september 2019. Arkiverad från originalet 7 september 2019.
  9. ↑ Galileo G. Utvalda verk i två volymer. / Sammanställt av W. I. Frankfurt. - Volym 2. - M .: Nauka, 1964.
  10. ↑ Schotti HG Technica Curiosa. 1664.
  11. ↑ Skräck Vacui? - Raffaello Magiotti (1597-1656) - IMSS Arkiverad 24 september 2015 på Wayback Machine .
  12. ↑ Cornelis De Waard. L'experience barometrique. Ses antecedents och ses förklaringar. Thouars, 1936. S. 181.
  13. ↑ How to Make an Experimental Geissler Tube , Popular Science monthly, februari 1919, Unnumbered page, Scanned by Google Books: https://books.google.com/books?id=7igDAAAAMBAJ&pg=PT3 Arkiverad 3 december 2016 på Wayback Machine
  14. ↑ V. P. Borisov (Institutet för naturvetenskapens och teknikens historia uppkallat efter S. I. Vavilov RAS.) . Uppfinning som gav plats för upptäckter: 2002 markerade 400-årsdagen av födelsen av uppfinnaren av vakuumpumpen Otto von Guericke Arkivkopia daterad 5 december 2014 på Wayback Machine // Bulletin of the Russian Academy of Sciences. - 2003. - T. 73, nr 8. - S. 744-748.
  15. ↑ V.P. Borisov, Uppfinningen av vakuumpumpen och kollapsen av dogmen "Fear of the Void" Arkivkopia daterad 15 maj 2014 på Wayback Machine // Questions of the History of Natural Science and Technology, nr 4, 2002
  16. ↑ Landis, Geoffrey Mänsklig exponering för vakuum (länk ej tillgänglig) . www.geoffreylandis.com (7 augusti 2007). Tillträdesdatum: 25 mars 2006. Arkiverad från originalet 21 juli 2009. 
  17. ↑ Billings, Charles E. Kapitel 1) Barometric Pressure // Bioastronautics Data Book  / Parker, James F.; West, Vita R.. - Tvåa. - NASA, 1973. - S. 5.
  18. ↑ Webb P. Rymdaktivitetsdräkten: En elastisk trikå för extravehikulär aktivitet  //  Aerospace Medicine: journal. - 1968. - Vol. 39 , nr. 4 . - s. 376-383 . — PMID 4872696 .
  19. ↑ Cooke JP, RW Bancroft. Några kardiovaskulära reaktioner hos sövda hundar under upprepade dekompressioner till ett nästan vakuum  //  Aerospace Medicine : journal. - 1966. - Vol. 37 , nr. 11 . - P. 1148-1152 . — PMID 5972265 .
  20. ↑ Harding, Richard M. Överlevnad i rymden: Medicinska problem med bemannad rymdfärd  . - London: Routledge , 1989. - ISBN 0-415-00253-2 . .
  21. ↑ American Vacuum Society. Ordlista . AVS Referensguide . Hämtad 15 mars 2006. Arkiverad från originalet 15 juni 2013.
  22. ↑ National Physical Laboratory, UK. Vad betyder "högt vakuum" och "lågt vakuum"? (FAQ - Tryck) . Hämtad 22 april 2012. Arkiverad från originalet 15 juni 2013.

Litteratur

  Gå till Wikidata-objektet  Ordböcker och uppslagsverk