De første undersøgelser af vakuum kan tilskrives Torricellis tid , hvor man, efter at han havde skabt manometeret , begyndte undersøgelser af det såkaldte Torricelli-hulrum, der opstår i et kviksølvmanometer over overfladen af kviksølv . I lang tid var der uenigheder om graden af sjældenhed på dette område. Det er nu tydeligt, at trykket i dette område var omkring 10 −3 mm Hg . (mættet damptryk af kviksølv ved stuetemperatur), som ifølge moderne klassifikationer hører til lavvakuumområdet. Men selv om en sådan udpumpningsmetode gør det muligt at skabe et ret godt vakuum, tilstrækkeligt til at udføre nogle eksperimenter , er det dog ikke muligt at pumpe betydelige mængder ud ved denne metode. Derudover kræver mange eksperimenter et højt (10 −6 ) eller ultrahøjt (10 −9 ) vakuum.
For at opnå et så højt vakuum bruges specielle pumper (derudover skal der bruges opvarmede systemer med specielle teflon- eller metalpakninger for at skabe et ultrahøjt vakuum). Kombineret pumpning bruges til at opnå højt og ultrahøjt vakuum. Forvakuumpumpning udføres for eksempel af en mekanisk pumpe, eller, hvis højvakuumpumpen er en orbitron, skabes forvakuumet af en kryosorptionspumpe, som gør det muligt at opnå et vakuum, der er tilstrækkeligt til at starte højvakuumpumper .
Der anvendes to typer højvakuumpumper: magnetisk udledning og diffusion.
Princippet for drift af magnetiske udledningspumper er baseret på flere effekter. Den første er getter-egenskaberne af en frisk aflejret titaniumfilm , som fanger resterende gasmolekyler, som bruges i orbittron- pumper , hvor titanium sprøjtes termisk; eller at udsætte ioniserede gasmolekyler for et elektromagnetisk felt, der sprøjter titanium for at skabe en frisk aflejret titaniumfilm.
Diffusionspumpen ligner i princippet en støvsuger, der bruges til hvidvask: strømmen af arbejdsgasmolekyler fører molekylerne af resterende gasser med sig.
For at skabe et ultrahøjt vakuum bruges kryosorptionspumper som et middel til prævakuum, hvilket skaber et vakuum, der er tilstrækkeligt til at affyre orbitroner. Princippet for deres drift er baseret på afhængigheden af materialets absorptionsegenskaber på temperaturen. Til udpumpning afkøles getteren (getteren) med flydende nitrogen, mens dens getteregenskaber forbedres og den aktivt absorberer gas, hvilket skaber et vakuum.
Ultrahøjt vakuum kan opnås i rummet ved at tage trykket af en kraftig cylinder med efterfølgende hermetisk lukning af denne cylinder. Brugen af specielle filtre, der ikke tillader mikropartikler af kosmisk stof at komme ind i denne ballon, gør det muligt at opnå et rent ultrahøjt vakuum, metoderne til at opnå, som under jordiske forhold endnu ikke er blevet opfundet.
Diffusionspumper var blandt de første typer pumper, der blev brugt til at skabe et vakuum, som mekaniske pumper ikke kunne opnå. Før skabelsen af termisk stabile syntetiske olier med lavt damptryk var arbejdsvæsken kviksølv, hvilket forårsagede vanskeligheder på grund af kviksølvs aktive interaktion med metaller, især ved høje temperaturer. Også kviksølv er giftigt. Efter skabelsen af syntetiske olier blev kviksølv opgivet, men der opstod problemer med den termiske nedbrydning af olien og forurening af vakuumsystemer med den. Seriemodeller af diffusionspumper gør det muligt at opnå et vakuum på 10 −4 ... 10 −5 mm Hg. Kunst. Ved brug af en frysefælde kan der opnås en størrelsesorden lavere tryk. Fordelene ved diffusionspumper er høj pumpehastighed, evnen til at bruge uden afkøling med flydende nitrogen, start ved højt tryk, muligheden for eksponering for atmosfæren af en stoppet pumpe, fraværet af memory-effekten og pumpeselektivitet. På grund af olieforurening af vakuumsystemet anvendes diffusionspumper dog sjældent som middel til forpumpning. Behovet for støttepumpning kræver overvågning af systemet, når det lukkes ned. En vigtig ulempe er den hurtige fejl i ioniseringsmanometriske lamper på grund af olieforurening af systemet.
heterogene pumper. Pumper type NORD - giver dig mulighed for at få et tryk på 10 −7 mm Hg. Kunst. uden olieforurening, hvis indtrængen af oliedamp fra forlinjepumpen minimeres ved brug af forskellige fælder, herunder frysefælder. Men pumper af denne type pumper ikke oliebrønde, som kan komme ind i systemet, når det pumpes ud af en for-vakuumpumpe, kører langsommere end diffusionspumper, kræver en masse dyrt titanium og meget kraftige, dyre magneter, som kræver pleje, men giver dig mulighed for at få et højt vakuum uden olieforurening. Sammenlignet med systemer, der evakueres af diffusionspumper, holder ioniseringsmålerlamper, der bruges i heterionpumper til at kontrollere vakuumet, meget længere.
Pumper af Orbitron-typen kan kaldes defekte NORD'er. De giver dig mulighed for at få et højere vakuum - i opvarmede systemer kan du nå 10 −9 mm Hg. Kunst. I ORBITRONS anvendes kun én mekanisme til binding af restgasser, baseret på getter-egenskaberne af en frisk aflejret titaniumfilm. De er bedre til at pumpe olie, da de normalt bruger kryosorptionspumper til at skabe et forvakuum, og der er mindre olieforurening af systemet end ved brug af mekaniske forvakuumpumper. Orbitroner har en højere pumpehastighed sammenlignet med NORDs. Ulemperne omfatter højt forbrug af titanium og lavt opstartstryk, hvilket nødvendiggør brugen af kryosorptionspumper, der kræver flydende nitrogen.
Kryoadsorptionspumper bruges som et middel til forpumpning for at affyre orbironer. De største ulemper er behovet for at bruge flydende nitrogen og behovet for at komme sig ved langvarig vakuumopvarmning. Fordelene er lavt resttryk for en forline pumpe og helt oliefri pumpning.
De angivne trykværdier er vejledende, normalt bestemmes vakuumet inden for en størrelsesorden.
For at kontrollere et højt vakuum er trykmålingsmetoder fra området med normale og moderat høje tryk ikke anvendelige. De sædvanlige metoder til kontrol er baseret på måling af kraft, og i tilfælde af selv lavt vakuum vil man skulle forholde sig til måling af små kræfter eller deres forskelle, dog for tryk op til 10 −3 mm Hg. Kunst. dette er stadig muligt med brug af specialdesignede kviksølvmanometre. Væskemanometre kan ikke måle tryk, der er mindre end arbejdsvæskens damptryk og kan være en kilde til forurening.
For at styre forvakuumet anvendes termoelement manometriske lamper. Princippet om deres drift er baseret på afhængigheden af varmeoverførsel på tryk. Deres grundlæggende design er ret simpelt: et termoelement styrer temperaturen opvarmet fra en jævnstrømskilde (normalt mindre end 150 mA). Da varmetilførslen er konstant, bestemmes ledningens temperatur af den trykafhængige varmeoverførsel. Lamper af denne type tillader kontrol af forlinietrykket og bestemmer trykket, ved hvilket højvakuumpumper kan startes. Fordele: muligheden for at blive udsat for atmosfæren, selv når den er tændt. Forurening af vakuumet med olie ødelægger en smule lamper af denne type. Deres anvendelse er dog ikke mulig til højvakuumkontrol.
For at styre det høje vakuum, hvori deponeringen udføres, anvendes ioniseringstyper af manometriske lamper, hvor ioniseringsstrømmen afhænger af graden af vakuum. På grund af opvarmning udsender katoden elektroner; på grund af spændingen mellem katoden og anoden accelereres elektronerne og ioniserer restgassernes molekyler. Ifølge den udviklede strøm kan man bedømme vakuumet. Ulemperne ved disse lamper inkluderer fejl, ikke kun fra olieforurening eller eksponering af en fungerende lampe til atmosfæren, men også behovet for at tænde i det forreste vakuum.
Aflæsningerne af begge typer lamper afhænger af mange forhold, der er svære at tage hensyn til og dårligt reproducerbare, men til mange eksperimenter giver de tilstrækkelig nøjagtighed.
For at styre vakuumet i tilfælde af brug af heteroioniske pumper kan du bruge deres ionstrøm, som er relateret til graden af vakuum. Med acceptabel nøjagtighed i området for deres drift (men ikke i startområdet), kan strømmen betragtes som omvendt proportional med trykket i pumpen. Konstanten, der er til stede i udtrykket for afhængigheden af strøm af tryk, bestemmes ved hjælp af aflæsningerne af ioniseringsmanometriske lamper. Ulempen ved denne styringsmetode er, at trykket i pumpen måles - det kan afvige væsentligt fra trykket i det pumpede system. Men med denne kontrolmetode kan sliddet på ioniseringslamper reduceres betydeligt.
Resttrykket i systemet bestemmes af:
I højvakuumområdet bestemmes resttrykket hovedsageligt af den anvendte pumpetype, men i ultrahøjvakuumområdet bliver desorptionen af de strukturelle elementer i systemet af gasser absorberet under eksponering for atmosfæren vigtig.
Forvarmning (afgasning) er nødvendig for at opnå ultrahøjt vakuum. Da opvarmning udføres til de maksimalt mulige temperaturer, resulterer dette i:
Hvis det første spørgsmål med succes løses ved at vælge materialer med små eller lignende termiske ekspansionskoefficienter, så er ustabiliteten af polymerpakninger en faktor, der begrænser opvarmningstemperaturen. Ved høje temperaturer begynder pakningerne at nedbrydes og i stedet for at afgasse får vi forurening. En af de almindeligt anvendte og mest stabile polymerer op til temperaturer på omkring 300 grader er Teflon (PTFE, tetrafluorethylen), men den er i stand til at flyde, når der påføres tryk. At arbejde med et vakuum over 10 -9 mm Hg. Kunst. mere almindeligt anvendte metalpakninger, men når de bruges, er der vanskeligheder med at åbne og forsegle systemet. Men for at skabe et "rekord" vakuum ( 10-11 mm Hg), er brugen af sådanne pakninger den eneste mulige.