Vakuum

Vakuum (fra lat.  vacuus  - tomhed) - rum fri for stof. I ingeniørvidenskab og anvendt fysik forstås vakuum som et medium bestående af en gas ved et tryk, der er væsentligt lavere end atmosfærisk [1] .

Vakuum er karakteriseret ved forholdet mellem den gennemsnitlige frie vej for gasmolekyler λ og den karakteristiske størrelse af mediet d , det såkaldte Knudsental . Under d kan afstanden mellem vakuumkammerets vægge , diameteren af ​​vakuumrørledningen osv. tages. Afhængigt af værdien af ​​forholdet λ/ d er lavt ( ), medium ( ) og højt ( ) vakuum. fornemmede.

Teknisk vakuum

I praksis kaldes en meget fortærnet gas teknisk vakuum . I makroskopiske volumener er et ideelt vakuum (et medium uden gasmolekyler) praktisk talt uopnåeligt, da alle materialer ved en endelig temperatur har en mættet damptæthed , der ikke er nul . Derudover tillader mange materialer (især tykt metal, glas og andre karvægge) gasser at passere igennem. I mikroskopiske volumener er det dog i princippet muligt at opnå et ideelt vakuum.

Et mål for graden af ​​vakuumafbrydelse er den gennemsnitlige frie vej for gasmolekyler , forbundet med deres indbyrdes kollisioner i gassen, og den karakteristiske lineære størrelse af beholderen, hvori gassen er placeret.

Strengt taget er et teknisk vakuum en gas i en beholder eller rørledning med et tryk, der er lavere end i den omgivende atmosfære. Ifølge en anden definition, når molekylerne eller atomerne i en gas holder op med at kollidere med hinanden, og de gasdynamiske egenskaber erstattes af tyktflydende egenskaber (ved et tryk på ca. 1 mm Hg ), taler de om at nå et lavt vakuum ( ; 1016 molekyler pr. 1 cm³ ). Normalt placeres en såkaldt forlinjepumpe mellem atmosfærisk luft og en højvakuumpumpe, hvilket skaber et foreløbigt vakuum, så lavt vakuum kaldes ofte en forlinje . Med et yderligere fald i trykket i kammeret øges den gennemsnitlige frie vej for gasmolekyler. Ved kolliderer gasmolekyler meget oftere med vægge end med hinanden. I dette tilfælde taler man om et højvakuum ( 10 −5 mm Hg ; 10 11 molekyler pr. 1 cm³ ). Ultrahøjt vakuum svarer til et tryk på 10 −9 mm Hg. Kunst. og nedenfor. I for eksempel ultrahøjt vakuum udføres eksperimenter almindeligvis ved hjælp af et scanningstunnelmikroskop . Til sammenligning er trykket i rummet adskillige størrelsesordener lavere - 10 9 molekyler pr. 1 cm³ (en milliard molekyler i en kubikcentimeter), mens det i dybt rum endda kan nå 10 −16 mm Hg . og derunder ( 1 molekyle pr. 1 cm³ ) [2] .

Et højt vakuum i de mikroskopiske porer i nogle krystaller og i ultratynde kapillærer opnås allerede ved atmosfærisk tryk, da pore-/kapillærdiameteren bliver mindre end den gennemsnitlige frie vej for et molekyle, hvilket er lig med ~60 nanometer i luft under normale forhold [3] .

Det apparat, der bruges til at opnå og opretholde et vakuum, kaldes vakuumpumper . Getters bruges til at absorbere gasser og skabe den nødvendige grad af vakuum . Det bredere begreb vakuumteknologi omfatter også enheder til måling og styring af vakuum, manipulering af objekter og udførelse af teknologiske operationer i et vakuumkammer osv. Højvakuumpumper er komplekse tekniske enheder. Hovedtyperne af højvakuumpumper er diffusionspumper baseret på medbringelse af resterende gasmolekyler af arbejdsgasstrømmen, getter, ioniseringspumper baseret på indføring af gasmolekyler i gettere (f.eks. titanium ) og kryosorptionspumper (hovedsageligt til skabe et for-vakuum).

Selv i et ideelt vakuum ved en begrænset temperatur er der altid en vis termisk stråling (en gas af fotoner ). Således vil et legeme placeret i et ideelt vakuum før eller siden komme i termisk ligevægt med væggene i vakuumkammeret på grund af udvekslingen af ​​termiske fotoner.

Vakuum er en god termisk isolator; overførslen af ​​termisk energi i det sker kun på grund af termisk stråling, konvektion og termisk ledningsevne er udelukket. Denne egenskab bruges til termisk isolering i termokander ( Dewar-beholdere ), bestående af en beholder med dobbeltvægge, hvor mellemrummet er evakueret.

Vakuum er meget udbredt i elektriske vakuumenheder - radiorør (for eksempel magnetroner i mikrobølgeovne), katodestrålerør osv.

Fysisk vakuum

Kvantefeltteoriens vakuum

Det fysiske vakuum i kvantefysik forstås som den laveste (jord)energitilstand af det kvantiserede felt, som har nul momentum, vinkelmomentum og andre kvantetal. Desuden svarer en sådan tilstand ikke nødvendigvis til tomhed: Feltet i den laveste tilstand kan for eksempel være feltet af kvasipartikler i et fast legeme eller endda i kernen af ​​et atom, hvor tætheden er ekstremt høj. Fysisk vakuum kaldes også et rum, der er fuldstændig blottet for stof , fyldt med et felt i en sådan tilstand [4] [5] . En sådan tilstand er ikke absolut tomhed . Kvantefeltteori hævder , at virtuelle partikler i overensstemmelse med usikkerhedsprincippet konstant fødes og forsvinder i det fysiske vakuum : de såkaldte nulpunktssvingninger af felter forekommer. I nogle specifikke feltteorier kan vakuumet have ikke-trivielle topologiske egenskaber. I teorien kan der være flere forskellige vakuum, forskellige i energitæthed eller andre fysiske parametre (afhængigt af de anvendte hypoteser og teorier). Degenerationen af ​​vakuumet ved spontan symmetribrud fører til eksistensen af ​​et kontinuerligt spektrum af vakuumtilstande, der adskiller sig fra hinanden i antallet af Goldstone-bosoner . Lokale minima af energi ved forskellige værdier af ethvert felt, der adskiller sig i energi fra det globale minimum, kaldes falske vakuum ; sådanne tilstande er metastabile og har en tendens til at henfalde med frigivelsen af ​​energi, og går over i det sande vakuum eller ind i et af de underliggende falske vakuum.

Nogle af disse feltteoretiske forudsigelser er allerede blevet bekræftet med succes ved eksperiment. Således er Casimir-effekten [6] og Lamb-forskydningen af ​​atomare niveauer forklaret ved nul-oscillationer af det elektromagnetiske felt i det fysiske vakuum. Moderne fysiske teorier er baseret på nogle andre ideer om vakuum. For eksempel er eksistensen af ​​flere vakuumtilstande (det falske vakuum nævnt ovenfor ) et af hovedgrundlaget for Big Bang - inflationsteorien .

Falsk vakuum

Et falsk vakuum  er en tilstand i kvantefeltteorien, der ikke er en tilstand med en globalt minimumsenergi , men svarer til dens lokale minimum. En sådan tilstand er stabil i en vis tid (metastabil), men kan " tunnelere " ind i en tilstand af ægte vakuum.

Einsteinsk vakuum

Einstein-vakuumet  er et undertiden brugt navn for løsninger til Einsteins ligninger i generel relativitetsteori for et tomt, stoffrit rum-tid . Synonymt med Einstein-rum .

Einsteins ligninger relaterer rum-tid-metrikken (den metriske tensor g μν ) til energi-momentum-tensoren. Generelt skrives de som

hvor Einstein-tensoren G μν er en bestemt funktion af den metriske tensor og dens partielle derivater, R  er den skalære krumning , Λ  er den kosmologiske konstant , T μν  er stoffets energi-momentum-tensor , π  er tallet pi , c  er lysets hastighed i vakuum, G  er gravitationskonstanten Newton.

Vakuumløsninger af disse ligninger opnås i fravær af stof, det vil sige, når energimoment-tensoren er identisk lig med nul i det betragtede område af rum-tid: T μν = 0 . Ofte tages lambda-begrebet også for at være nul, især når man undersøger lokale (ikke-kosmologiske) løsninger. Men når man overvejer vakuumløsninger med en lambda-term, der ikke er nul ( lambda vacuum ), opstår vigtige kosmologiske modeller såsom De Sitter-modellen ( Λ > 0 ) og anti-De Sitter-modellen ( Λ < 0 ).

Den trivielle vakuumløsning til Einsteins ligninger er det flade Minkowski-rum , dvs. metrikken, der betragtes i speciel relativitet .

Andre vakuumløsninger til Einsteins ligninger omfatter især følgende tilfælde:

Det ydre rum

Det ydre rum har meget lav tæthed og tryk og er den bedste tilnærmelse af det fysiske vakuum. Rummets vakuum er ikke rigtig perfekt, selv i det interstellare rum er der nogle få brintatomer pr. kubikcentimeter. Tætheden af ​​ioniseret atomart brint i det intergalaktiske rum i den lokale gruppe er estimeret til 7×10 −29 g/cm³ [7] .

Stjerner, planeter og satellitter holder deres atmosfære sammen ved hjælp af tyngdekraften, og som sådan har atmosfæren ingen veldefineret grænse: tætheden af ​​atmosfærisk gas aftager simpelthen med afstanden fra et objekt. Jordens atmosfæriske tryk falder til omkring 3,2×10 −2 Pa per 100 km højde - ved den såkaldte Karman-linje , som er den gængse definition af grænsen til det ydre rum. Ud over denne linje bliver gassens isotropiske tryk hurtigt ubetydeligt sammenlignet med strålingstrykket fra Solen og solvindens dynamiske tryk , så trykdefinitionen bliver svær at fortolke. Termosfæren i dette område har store gradienter i tryk, temperatur og sammensætning og er meget variabel på grund af rumvejr.

Atmosfærens tæthed i løbet af de første par hundrede kilometer over Karman-linjen er stadig tilstrækkelig til at give betydelig modstand mod bevægelse af kunstige jordsatellitter . De fleste satellitter opererer i denne region, kaldet lav kredsløb om jorden, og skal have strøm med få dages mellemrum for at opretholde en stabil kredsløb.

Det ydre rum er fyldt med et stort antal fotoner, den såkaldte kosmiske mikrobølgebaggrund , såvel som et stort antal neutrinoer, som endnu ikke kan påvises. Den aktuelle temperatur for disse strålinger er omkring 3 K, eller -270 °C [8] .

Historien om studiet af vakuum

Ideen om vakuum (tomhed) har været genstand for kontroverser siden oldtidens græske og romerske filosoffer. Atomister  - Leucippus (ca. 500 f.Kr.), Demokrit (ca. 460-370 f.Kr.), Epicurus (341-270 f.Kr.), Lucretius (ca. 99 -55 f.Kr.) og deres tilhængere - antog, at alt, hvad der eksisterer, er atomer og en tomrum mellem dem, og uden vakuum ville der ikke være nogen bevægelse, atomerne kunne ikke bevæge sig, hvis der ikke var et tomt rum imellem dem. Strato (ca. 270 f.Kr.) og mange filosoffer i senere tid troede, at tomhed kunne være "fast" ( vacuum coacervatum ) og "spredt" (ind imellem stofpartikler, vacuum disseminatum ).

Tværtimod mente Aristoteles (384-322 f.Kr.) og en række andre filosoffer, at "naturen afskyr et tomrum". Begrebet "frygt for tomrummet" ( horror vacui ), som opstod allerede før Aristoteles, blandt Empedokles (ca. 490-430 f.Kr.) og andre filosoffer fra den joniske skole, blev dominerende i middelalderens Europas filosofiske tankegang og tilegnede sig religiøse og mystiske træk.

Nogle forudsætninger for den empiriske undersøgelse af vakuum eksisterede i antikken. Oldtidens græske mekanikere skabte forskellige tekniske anordninger baseret på luftforurening. For eksempel var vandpumper, der fungerede ved at skabe et vakuum under stemplet, kendt så tidligt som på Aristoteles' tid. En tegning af en brandpumpe opfundet af "pneumatikkens fader" Ktesibius (ca. 250 f.Kr.) har overlevet til vor tid. Vandpumper af denne type var faktisk prototyperne på vakuumstempelpumpen, som dukkede op næsten to årtusinder senere. En elev af Ctesibius, Heron of Alexandria, udviklede en stempelsprøjte til at trække pus ud, som også i det væsentlige er en vakuumanordning.

Den empiriske undersøgelse af vakuum begyndte først i det 17. århundrede, med slutningen af ​​renæssancen og begyndelsen af ​​den videnskabelige revolution i moderne tid . På dette tidspunkt havde det længe været kendt, at sugepumper kunne løfte vand til en højde på ikke mere end 10 meter. For eksempel er der i afhandlingen af ​​George Agricola (1494-1555) "On Mining" et billede af en kæde af vandpumper til at pumpe vand fra en mine.

Galileo , i hans Conversations and Mathematical Proofs of Two New Sciences [9] (1638), bogen, der fuldendte ødelæggelsen af ​​den aristoteliske fysik, påpegede, med henvisning til praksis, at den højde, som sugepumper hæver vand til, altid er den samme - omkring 18 alen . Især i denne bog beskriver han faktisk en vakuumanordning med et stempel, som er nødvendig for at sammenligne vands og et fast legemes trækstyrke, selvom han forklarer trækstyrken for faste stoffer og væsker med frygten for tomhed, idet man antager eksistensen af ​​små tomme porer mellem stofpartiklerne, der udvider sig under spænding.

Under indflydelse af Galileos afhandling, som påpegede begrænsningerne af "frygten for tomrummet", i 1639-1643. Gasparo Berti byggede en enhed (i senere terminologi, et barometrisk vandrør) på facaden af ​​sit hus i Rom, som kan betragtes som den første installation til den fysiske undersøgelse af vakuum. I den øverste, glas, lukkede del af røret mere end 10 m høj , over vandsøjlen afbalanceret af atmosfærisk tryk, blev der fundet et tomt rum (faktisk var det fyldt med vanddamp under et tryk svarende til vandets elasticitet damp ved omgivelsestemperatur samt opløst luft, dvs. trykket i hulrummet var ca. 0,1 atmosfære ). Emanuel Magnano fikserede en klokke og hammer i dette hulrum. Han handlede på hammeren med en magnet og slog på klokken med hammeren. Som et resultat af dette første eksperiment nogensinde i et vakuum (mere præcist, i en fordærvet gas), blev det konstateret, at lyden af ​​klokken var dæmpet [10] .

Videnskabsmanden Rafaelo Maggiotti [11] (1597-1656) fra Rom rapporterede Bertis og Magnanos eksperimenter til Galileos elev, den florentinske Evangelista Torricelli . Samtidig foreslog Maggiotti, at en tættere væske ville stoppe ved et lavere niveau [12] . I 1644 lykkedes det Torricelli (med hjælp fra Vincenzo Viviani , en anden elev af Galileo) at skabe det første vakuumkammer. Hans arbejde relateret til atmosfæriske trykteorier gav grundlaget for yderligere eksperimentelle teknikker. Vakuum efter Torricelli-metoden ( Torricelli void ) opnås ved at fylde et langt glasrør med kviksølv , forseglet i den ene ende, og derefter vende det om, så den åbne ende af røret er under overfladen af ​​kviksølv i en bredere åben beholder [13] . Kviksølv vil strømme ud af røret, indtil tyngdekraften af ​​kviksølvsøjlen kompenseres af atmosfærisk tryk. Der dannes et vakuum i det kviksølvfrie rum i den øverste, forseglede ende af røret. Denne metode ligger til grund for driften af ​​kviksølvbarometeret . Ved standardatmosfærisk tryk er højden af ​​kviksølvsøjlen afbalanceret med atmosfærisk tryk 760 mm .

Omkring 1650 opfandt den tyske videnskabsmand Otto von Guericke den første vakuumpumpe (en stempelcylinder med vandtætning), som gjorde det nemt at pumpe luft ud af forseglede beholdere og eksperimentere med vakuum [14] . Pumpen, kaldet antlia pneumatica af forfatteren , var stadig meget langt fra perfekt og krævede mindst tre personer til at manipulere stemplet og vandhanerne nedsænket i vand for bedre at isolere det resulterende tomrum fra luften udenfor. Men med hans hjælp var Guericke i stand til at demonstrere mange af vakuumets egenskaber, især ved at opsætte det berømte eksperiment med Magdeburg-halvkuglerne . Guericke skabte også et vandbarometer, der i princippet ligner Torricellis kviksølvbarometer, selvom på grund af vandets lavere tæthed sammenlignet med kviksølv, er højden af ​​vandsøjlen, der afbalancerer atmosfærisk tryk, 13,6 gange større - omkring 10 meter. Guericke fandt for første gang ud af, at vakuum ikke leder lyd, og at forbrændingen i det stopper [15] .

Guerickes vakuumpumpe blev stærkt forbedret af Robert Boyle , hvilket gav ham mulighed for at udføre en række eksperimenter for at belyse vakuumets egenskaber og dets virkning på forskellige objekter. Boyle opdagede, at små dyr dør i et vakuum, ilden går ud, og røgen synker (og derfor er lige så påvirket af tyngdekraften som andre kroppe). Boyle fandt også ud af, at stigningen af ​​væske i kapillærer også sker i et vakuum, og afviste derved den dengang gængse opfattelse, at lufttryk var involveret i dette fænomen. Tværtimod stoppede væskestrømmen gennem sifonen i vakuum, hvilket beviste, at dette fænomen skyldes atmosfærisk tryk. Han viste, at ved kemiske reaktioner (såsom kalklæskning) såvel som ved legemers gensidige friktion frigives varme også i et vakuum.

Effekter på mennesker og dyr

Mennesker og dyr, der udsættes for vakuum, mister bevidstheden efter få sekunder og dør af hypoxi inden for få minutter, men disse symptomer har en tendens til at være ulig dem, der vises i populærkulturen og medierne. Et fald i trykket sænker det kogepunkt, hvorved blod og andre biologiske væsker skal koge, men blodkarrenes elastiske tryk tillader ikke blodet at nå et kogepunkt på 37 °C [16] . Selvom blod ikke koger, er virkningen af ​​gasbobler i blod og andre kropsvæsker ved lavt tryk, kendt som ebullisme (luftemfysem), et alvorligt problem. Gassen kan puste en krop op til det dobbelte af dens normale størrelse, men vævene er elastiske nok til at forhindre dem i at briste [17] . Ødem og ebullisme kan forebygges med en speciel flyverdragt. Shuttle-astronauter bar en speciel strækbar beklædning kaldet Crew Altitude Protection Suit (CAPS), der forhindrer ebullisme ved tryk større end 2 kPa ( 15 mmHg ) [18] . Den hurtige fordampning af vand afkøler huden og slimhinderne til 0 ° C, især i munden, men dette udgør ikke en stor fare.

Dyreforsøg viser, at efter 90 sekunders ophold i et vakuum, sker der normalt en hurtig og fuldstændig genopretning af kroppen, men et længere ophold i et vakuum er fatalt og genoplivning nytter ikke [19] . Der er kun en begrænset mængde data om virkningerne af vakuum på mennesker (som regel skete dette, når folk kom ud for en ulykke), men de stemmer overens med data opnået i dyreforsøg. Lemmer kan være i et vakuum i meget længere tid, hvis vejrtrækningen ikke forstyrres [20] . Robert Boyle var den første til at vise i 1660 , at et vakuum er dødeligt for små dyr.

Dimension

Graden af ​​vakuum bestemmes af mængden af ​​stof, der er tilbage i systemet. Vakuum bestemmes primært af absolut tryk , og fuld karakterisering kræver yderligere parametre såsom temperatur og kemisk sammensætning. En af de vigtigste parametre er den gennemsnitlige frie vej (MFP) for restgasserne, som angiver den gennemsnitlige afstand, som en partikel tilbagelægger under sin frie vej fra den ene kollision til den næste. Hvis tætheden af ​​gassen falder, øges MFP'en. MFP'en i luft ved atmosfærisk tryk er meget kort, omkring 70 nm , mens MFP'en af ​​luft ved 100 mPa ( ~1×10 −3 Torr ) er cirka 100 mm . Egenskaberne af en fordærvet gas ændrer sig meget, når den gennemsnitlige frie vej bliver sammenlignelig med dimensionerne af beholderen, der indeholder gassen.

Vakuum er underopdelt i områder i henhold til den teknologi, der er nødvendig for at opnå eller måle det. Disse områder har ikke generelt accepterede definitioner, men en typisk fordeling ser sådan ud [21] [22] :

Tryk ( mmHg ) Tryk ( Pa )
Atmosfæretryk 760 1.013×10 +5
lavt vakuum fra 760 til 25 fra 1×10 +5 til 3,3×10 +3
Mellemvakuum fra 25 til 1×10 −3 fra 3,3×10 +3 til 1,3×10 −1
højt vakuum fra 1×10 −3 til 1×10 −9 fra 1,3×10 −1 til 1,3×10 −7
Ultra højt vakuum fra 1×10 −9 til 1×10 −12 fra 1,3×10 −7 til 1,3×10 −10
ekstremt vakuum <1×10 −12 <1,3×10 −10
Plads 1×10 −6 til <3×10 −17 fra 1,3×10 −4 til <1,3×10 −15
Absolut vakuum 0 0

Ansøgning

Vakuum er nyttigt til mange processer og bruges i forskellige enheder. For første gang til massebrugte varer blev det brugt i glødelamper for at beskytte glødetråden mod kemisk nedbrydning . Den kemiske inerthed af materialer, der leveres af vakuum, er også nyttig til elektronstrålesvejsning , koldsvejsning , vakuumpakning og vakuumstegning. Ultrahøjt vakuum bruges til undersøgelse af atomisk rene substrater, da kun et meget højt vakuum holder overflader rene på atomniveau i tilstrækkelig lang tid (fra minutter til dage). Højt og ultrahøjt vakuum eliminerer luftmodstand, hvilket tillader partikelstråler at afsætte eller fjerne materialer uden forurening. Dette princip ligger til grund for kemisk dampaflejring , vakuumaflejring og tørætsning, som bruges i halvleder- og optiske belægningsindustrien samt i overfladekemi. Reduceret konvektion giver termisk isolering i termokander . Højt vakuum sænker kogepunktet for en væske og fremmer lav afgasningstemperatur , som bruges til frysetørring , klæbemiddelforberedelse , destillation , metallurgi og vakuumraffinering. Vakuumets elektriske egenskaber gør elektronmikroskoper og vakuumrør mulige , herunder katodestrålerør . Vakuumafbrydere bruges i elektrisk koblingsudstyr . Vakuumnedbrydning er af industriel betydning for produktionen af ​​visse stålkvaliteter eller materialer med høj renhed. Eliminering af luftfriktion er nyttig til energilagring i svinghjul og ultracentrifuger .

Vakuumdrevne maskiner

Vakuum bruges normalt til at producere sugning , som har et endnu bredere anvendelsesområde. Newcomen-dampmaskinen brugte vakuum i stedet for tryk til at drive stemplet. I det 19. århundrede blev vakuum brugt til trækkraft på Isambard Brunels eksperimentelle pneumatiske jernbane . Vakuumbremser blev engang meget brugt på tog i Storbritannien, men med undtagelse af arvejernbaner er de blevet erstattet af luftbremser .

Indsugningsmanifoldvakuum kan bruges til at køre tilbehør på biler. Den mest kendte anvendelse er som en vakuumforstærker for at øge bremsekraften . Vakuum blev tidligere brugt i vakuumviskeraktuatorer og Autovac brændstofpumper . Nogle flyinstrumenter (holdningsindikatoren og kursindikatoren) er normalt vakuumstyret, som en forsikring mod svigt af alle (elektriske) instrumenter, da tidlige fly ofte ikke havde elektriske systemer, og da der er to let tilgængelige kilder til vakuum på et fly i bevægelse, motoren og venturien . Vakuuminduktionssmeltning bruger elektromagnetisk induktion i et vakuum.

At opretholde et vakuum i kondensatoren er afgørende for en effektiv drift af dampturbiner . Til dette bruges en dampinjektor eller vandringpumpe . Det typiske vakuum, der opretholdes i kondensatordampvolumenet ved turbineudstødningen (også kaldet turbinekondensatortryk) varierer fra 5 til 15 kPa, afhængigt af kondensatortypen og miljøforhold.

Afgasning

Fordampning og sublimering i et vakuum kaldes afgasning . Alle materialer, faste eller flydende, har en vis damp (afgasning), og afgasning er nødvendig, når vakuumtrykket falder under deres damptryk. Fordampning af materialer i et vakuum har samme effekt som lækage og kan begrænse det vakuum, der kan opnås. Fordampningsprodukter kan kondensere på nærliggende koldere overflader, hvilket kan give problemer, hvis de belægger optiske instrumenter eller reagerer med andre materialer. Dette volder store besvær, når man flyver i rummet, hvor et skjult teleskop eller solcelle kan afspore en dyr operation.

Det mest almindelige undslippende produkt i vakuumsystemer er vand, der absorberes af kammermaterialerne . Dens mængde kan reduceres ved at tørre eller varme kammeret op og fjerne absorberende materialer. Fordampende vand kan kondensere i olien fra roterende vingepumper og reducere deres driftshastighed drastisk, hvis der ikke bruges en gasballastanordning. Højvakuumsystemer skal være rene og fri for organisk materiale for at minimere udgasning.

UHV-systemer udglødes typisk, helst under vakuum, for midlertidigt at øge fordampningen af ​​alle materialer og fordampe dem. Efter at de fleste af de fordampede materialer er blevet fordampet og fjernet, kan systemet afkøles for at reducere fordampning af materialer og minimere resterende afgasning under drift. Nogle systemer afkøles et godt stykke under stuetemperatur med flydende nitrogen for fuldstændig at stoppe resterende gasudvikling og samtidig skabe effekten af ​​kryogen pumpning af systemet.

Pumping og atmosfærisk tryk

Gasser kan slet ikke udstødes, så der kan ikke skabes et vakuum ved sugning. Sugning kan udvide og fortynde vakuumet, hvilket tillader højt tryk at indføre gasser i det, men før sugning kan opstå, skal der skabes et vakuum. Den nemmeste måde at skabe et kunstigt vakuum på er at udvide kammerets volumen. For eksempel udvider diafragmamusklen brysthulen, hvilket fører til en stigning i lungekapaciteten. Denne udvidelse reducerer trykket og skaber et lavt vakuum, som hurtigt fyldes med atmosfærisk trykluft.

For at fortsætte med at tømme kammeret i det uendelige, uden konstant at bruge dets stigning, kan rummet, der støvsuger det, lukkes, udluftes, udvides igen og så videre mange gange. Dette er driftsprincippet for positive fortrængningspumper (gasførende) såsom en manuel vandpumpe. Inde i pumpen udvider en mekanisme et lille forseglet hulrum for at skabe et vakuum. På grund af trykfaldet skubbes noget af væsken fra kammeret (eller brønd, i vores eksempel) ind i pumpens lille hulrum. Derefter lukkes pumpehulrummet hermetisk fra kammeret, åbnes til atmosfæren og komprimeres til en minimumsstørrelse, hvorved væsken skubbes ud.

Ovenstående forklaring er en simpel introduktion til støvsugning og er ikke repræsentativ for hele udvalget af pumper i brug. Mange variationer af fortrængningspumper er blevet udviklet, og mange pumpedesigns er baseret på radikalt forskellige principper. Impulsoverførselspumper, som har en vis lighed med dynamiske pumper, der bruges ved højere tryk, kan give meget bedre vakuumkvalitet end fortrængningspumper. Gaskoblingspumper, der er i stand til at opfange faste eller absorberede gasser, fungerer ofte uden bevægelige dele, uden tætninger og uden vibrationer. Ingen af ​​disse pumper er universelle; hver type har alvorlige anvendelsesbegrænsninger. Alle har svært ved at pumpe gasser med lav masse, især brint, helium og neon.

Det laveste tryk, der kan opnås i et system, afhænger udover pumpernes design også af mange faktorer. Flere pumper kan seriekobles i såkaldte trin for at opnå et højere vakuum. Valget af tætninger, kammergeometri, materialer og pumpeprocedurer vil alle have en effekt. Samlet kaldes alt dette vakuumteknologi. Og nogle gange er det resulterende pres ikke den eneste væsentlige egenskab. Pumpesystemer er karakteriseret ved olieforurening, vibrationer, selektiv pumpning af visse gasser, pumpehastigheder, intermitterende drift, pålidelighed eller modstand mod høje lækage.

I UHV-systemer skal nogle meget "mærkelige" lækageveje og dampkilder tages i betragtning. Vandabsorptionskapaciteten af ​​aluminium og palladium bliver en uacceptabel kilde til fordampning, selv adsorptionskapaciteten af ​​faste metaller såsom rustfrit stål eller titanium skal tages i betragtning. Nogle olier og fedtstoffer vil koge under højvakuum. Det kan være nødvendigt at tage højde for indflydelsen af ​​metallets krystalstruktur på permeabiliteten af ​​kamrenes metalvægge, for eksempel paralleliteten af ​​retningen af ​​metalflangernes korn til endefladen af ​​flangen .

De laveste tryk, der i øjeblikket kan opnås under laboratorieforhold, er omkring 10 -13 Torr (13 pPa). Imidlertid var tryk lavere end 5×10 -17 Torr (6,7 fPa) indirekte målbare i et kryogenisk vakuumsystem. Dette svarer til ≈100 partikler/cm 3 .

Se også

Ansøgninger

Noter

  1. ↑ Chambers, Austin. Moderne  vakuumfysik . — Boca Raton: CRC Press , 2004. — ISBN 0-8493-2438-6 .
  2. ↑ Tadokoro, M. En undersøgelse af den lokale gruppe ved brug af  virial sætning  // Publikationer fra Astronomical Society of Japan : journal. - 1968. - Bd. 20 . — S. 230 . - .
  3. ↑ Rodin A. M., Druzhinin A. V. Vacuum // Physical Encyclopedia  : [i 5 bind] / Kap. udg. A. M. Prokhorov . - M . : Soviet Encyclopedia , 1988. - T. 1: Aharonov - Bohm-effekt - Lange linjer. - S. 235-236. — 707 s. — 100.000 eksemplarer.
  4. ↑ Werner S. Weiglhofer. § 4.1 Det klassiske vakuum som referencemedium // Introduktion til komplekse medier for optik og elektromagnetik  (engelsk) / Werner S. Weiglhofer og Akhlesh Lakhtakia, red. - SPIE Press, 2003. - S. 28, 34. - ISBN 978-0-8194-4947-4 .
  5. ↑ Tom G. MacKay. Electromagnetic Fields in Linear Bianisotropic Mediums // Progress in Optics, bind 51 / Emil Wolf. - Elsevier , 2008. - S. 143. - ISBN 978-0-444-52038-8 .  
  6. ↑ Physical Encyclopedia, v.5. Stroboskopiske apparater - Lysstyrke / Kap. udg. A. M. Prokhorov. Redaktion: A. M. Baldin, A. M. Bonch-Bruevich og andre - M.: Great Russian Encyclopedia, 1994, 1998.-760 s.: ill. ISBN 5-85270-101-7 , s.644
  7. ↑ Tadokoro, M. [1]  =  En undersøgelse af den lokale gruppe ved brug af virial sætning // Publikationer fra Astronomical Society of Japan. - 1968. - Bd. 20 . — S. 230 .
  8. ↑ Strålingstemperatur . elementy.ru Hentet 27. september 2019. Arkiveret fra originalen 7. september 2019.
  9. ↑ Galileo G. Udvalgte værker i to bind. / Udarbejdet af W. I. Frankfurt. - Bind 2. - M .: Nauka, 1964.
  10. ↑ Schotti HG Technica Curiosa. 1664.
  11. ↑ Horror Vacui? - Raffaello Magiotti (1597-1656) - IMSS Arkiveret 24. september 2015 på Wayback Machine .
  12. ↑ Cornelis De Waard. L'experience barometrique. Ses antecedenter og ses forklaringer. Thouars, 1936. S. 181.
  13. ↑ How to Make an Experimental Geissler Tube , Popular Science monthly, februar 1919, Unummereret side, Scannet af Google Books: https://books.google.com/books?id=7igDAAAAMBAJ&pg=PT3 Arkiveret 3. december 2016 på Wayback Machine
  14. ↑ V. P. Borisov (Institutet for naturvidenskabens og teknologiens historie opkaldt efter S. I. Vavilov RAS.) . Opfindelse, der gav plads til opdagelser: 2002 markerede 400-året for fødslen af ​​opfinderen af ​​vakuumpumpen Otto von Guericke Arkivkopi dateret 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, Opfindelsen af ​​vakuumpumpen og sammenbruddet af dogmet "Fear of the Void" Arkivkopi dateret 15. maj 2014 på Wayback Machine // Questions of the History of Natural Science and Technology, nr. 4, 2002
  16. ↑ Landis, Geoffrey Human Exposure to Vacuum (link utilgængeligt) . www.geoffreylandis.com (7. august 2007). Dato for adgang: 25. marts 2006. Arkiveret fra originalen 21. juli 2009. 
  17. ↑ Billings, Charles E. Kapitel 1) Barometric Pressure // Bioastronautics Data Book  / Parker, James F.; West, Vita R.. - Anden. - NASA, 1973. - S. 5.
  18. ↑ Webb P. Rumaktivitetsdragten: En elastisk trikot til ekstravehikulær aktivitet  //  Aerospace Medicine: journal. - 1968. - Bd. 39 , nr. 4 . - s. 376-383 . — PMID 4872696 .
  19. ↑ Cooke JP, RW Bancroft. Nogle kardiovaskulære reaktioner hos bedøvede hunde under gentagne dekompressioner til et næsten vakuum  //  Aerospace Medicine : journal. - 1966. - Bd. 37 , nr. 11 . - S. 1148-1152 . — PMID 5972265 .
  20. ↑ Harding, Richard M. Overlevelse i rummet: Medicinske problemer ved bemandet rumflyvning  . - London: Routledge , 1989. - ISBN 0-415-00253-2 . .
  21. ↑ American Vacuum Society. Ordliste . AVS referencevejledning . Hentet 15. marts 2006. Arkiveret fra originalen 15. juni 2013.
  22. ↑ National Physical Laboratory, Storbritannien. Hvad betyder 'højt vakuum' og 'lavt vakuum'? (Ofte stillede spørgsmål - Tryk) . Hentet 22. april 2012. Arkiveret fra originalen 15. juni 2013.

Litteratur

  Gå til Wikidata-elementet  Ordbøger og encyklopædier