ראשי > כללי > ואקום: למה, כמה ואיך. רשימה על כלום

ואקום: למה, כמה ואיך. רשימה על כלום

מה זה ולמה זה טוב?

בפשטות, ואקום הוא אין חומר. אם נאמר על נפח מסוים שיש בו ואקום (מושלם) הכוונה היא שיש בו כלום, כלומר אין בו דבר, אין בו מולקולות של חומר.

כאשר אומרים למשל שגבינה צהובה ארוזה בואקום, יש בפנים כמובן גבינה, אך מלבד לגבינה שניתן לחשוב עליה במקרה זה כחלק מהדופן אין שם מולקולות. ואם נדייק אז יש בפנים מעט מאוד מולקולות. לכן בדרך כלל ואקום שאינו תיאורטי הוא ואקום חלקי. כל נפח המכיל מולקולות (למשל אויר) בצפיפות נמוכה מזאת שמסביבנו הוא בואקום.

ואקום הוא כלי שימושי גם בחיי היום-יום וגם במחקר מדעי. לדוגמא, נורות חוט-להט מכילות ואקום על מנת להגן על חוט הלהט, והדופן של תרמוס נמצא בואקום כדי למנוע מעבר חום. חום מועבר דרך תנודות של חלקיקים ולכן ואקום, שבו יש מעט מאוד חלקיקים, הוא מוליך חום גרוע. תכונת בידוד החום משמשת גם את מעבדות המחקר שעוסקות במדידות בטמפרטורות נמוכות. דוגמא נוספת לשימוש בואקום היא בתהליכים שבהם יש ירי חלקיקים, למשל במיקרוסקופ אלקטרוני או בתהליכי ייצור מסוימים בתעשיית המוליכים למחצה. וישנן עוד דוגמאות רבות.

תרמוס

תמונה 1: הדפנות של תרמוס נמצאות בואקום להשגת בידוד. המקור לתמונות: ויקיפדיה, לשם הועלו על ידי המשתמשים Denae Bedard, Acdx.

איך מודדים את זה?

חוזק הואקום נקבע על ידי צפיפות החלקיקים שנותרה בנפח שנשאב, והיחידות הם של לחץ, כאשר ואקום הוא לחץ הנמוך מלחץ אטמוספרי. יחידת הלחץ שבה משתמשים בדרך כלל למדידת ואקום היא 'torr'. היחידה מוגדרת על ידי אחת משיטות המדידה הפשוטות ביותר של לחץ שהיא עמוד כספית.

כפי שניתן לראות באיור 2, מדובר בצינור שקוף בצורת U שפתח אחד שלו נמצא בלחץ ידוע, נניח לחץ אטמוספרי כלומר פתוח לאוויר, והפתח השני חשוף ללחץ אותו אנחנו רוצים למדוד. עקב הפרש הלחצים ייווצר כוח על הנוזל שיגרום להבדלי גובה בין שני העמודים. גודלו של הפרש הגבהים נתון על ידי הפרש הלחצים מחולק בצפיפות הנוזל ובתאוצת הכובד. הכספית מתאימה למדידה כי היא לא תתנדף אל תוך הואקום, ובגלל הצפיפות הגבוהה שלה נוכל למדוד בטווח רחב של הפרשי לחץ. תזוזה של עמוד הכספית במילימטר אחד שקולה ל-1torr.

269px-Utube

איור 2: מנומטר כספית. הפרש הגבהים של הנוזל פרופורציוני להפרש הלחצים. המקור לאיור: ויקיפדיה, לשם הועלתה על ידי המשתמש Ruben Castelnuovo.

אם ערכו של לחץ אטמוספרי הוא 760torr אז ואקום הנוצר למשל משואב אבק מסווג כואקום חלש וערכו בערך 25torr. ואקום בחוזק זה לא יאפשר לכם לפתוח מיכל שאוב. אבל זאת רק ההתחלה.  ואקום בינוני מוגדר עד 10-3torr, ואקום גבוה עד 10-9torr, וואקום אולטרה-גבוה עד 10-12torr.

ישנן מספר שיטות למדוד ואקום, למשל לשים דיאפרגמה גמישה בין שני תאים בלחץ שונה. הכיפוף שנוצר בדיאפרגמה עקב הפרש הלחצים מכויל ומתורגם למדידת לחץ. אך כדי למדוד ואקום בינוני וחזק יש צורך בטכניקות מתוחכמות יותר המודדות לחץ בעקיפין דרך מדידת גדלים מסוימים האופייניים לואקום כמו מוליכות חום ותכונות אחרות (אפשר לקרא כאן).

איך משיגים את זה?

כדי להשיג ואקום במיכל יש לשאוב את חלקיקי הגז החוצה. לשם מטרה זאת פותחו במשך השנים מספר רב של משאבות מסוגים שונים. אני אתמקד רק במספר קטן של משאבות שבהן נתקלתי במעבדות מחקר במהלך עבודתי. כמו כן, נראה כי השגת ואקום גבוה הוא תהליך הדרגתי.

קל להשיג ואקום חלש בעזרת שואב אבק, משאבת של אופניים או משאבת מים (ראו איור 3). הרעיון מאחורי משאבת המים ישמש אותי בהמשך ולכן אתמקד בו. בשלב ראשון מחברים מיכל אטום (גוף המשאבה) לנפח שאותו רוצים לשאוב. כעת מגדילים את הנפח על ידי ידית מכאנית ובכך מקטינים את הלחץ במיכל, כלומר מייצרים ואקום. עקב כך נוצר הפרש לחצים בין המיכל לנפח הנשאב וחומר יזרום לתוך המיכל. מנתקים את המיכל מהנפח ופותחים אותו לאוויר לריקון החומר. מחברים שוב את המיכל לנפח וחוזר חלילה. בעזרת המנגנון המכאני כל הפעולות האלה קורות ברצף בעקבות תפעול הידית של המשאבה.

L-Pumpe2

איור 3: משאבת מים ידנית. המקור לאיור: ויקיפדיה.

משאבת המים הפשוטה שייכת למשפחת משאבות בשם positive displacement pump, והרעיון הבסיסי דומה בכולן אך המימוש המכאני שונה. כדי להשיג ואקום בחוזק בינוני יש להשתמש במשאבה חזקה יותר, למשל משאבת רוטציה (rotary vane pump, ראו איור 4). המשאבה מורכבת מחלל (אפור) שבתוכו רוטור (כחול) ועליו שני התקנים קפיציים (אדום) שנשארים צמודים תמיד לדופן וכך מייצרים את שני החללים הדרושים לשאיבה. תוך סיבוב הרוטור החלל השמאלי שמחובר לנפח הנשאב מתרחב ויונק חומר פנימה. בינתיים החלל הימני מחובר ליציאה ומפנה חומר. תוך חצי סיבוב החללים מתחלפים ביניהם והחומר שנשאב משמאל מפונה מימין, ושוב יש יניקה משמאל.

612px-Rotary_vane_pump

איור 4: חתך סכמטי של משאבת רוטציה. המקור לאיור: ויקיפדיה, לשם הועלה על ידי המשתמש Rainer Bielefeld.

כל זה טוב ויפה, אך בשביל לקבל ואקום גבוה זה לא מספיק. השלב הבא הוא משאבת טורבו (Turbomolecular pump). משאבה זאת מורכבת מסדרה של להבים המסתובבים במהירות גבוהה וחובטים פנימה כל חלקיק המגיע בדיפוזיה (ראו תמונה 5). הלהבים מסודרים בזוויות ומרחקים משתנים כך שהחלקיקים נדחסים לצפיפות גבוהה יותר כדי שנוכל לפנות אותם בעזרת משאבה חלשה יותר כגון רוטציה. למעשה, מהסיבה הזאת לא ניתן להפעיל משאבת טורבו ללא משאבת רוטציה. סיבה נוספת היא שצריך לפנות את החלקיקים מחלל המשאבה לפני הפעלת הטורבו כדי למנוע התחממות ונזק ללהבים.

Cut_through_turbomolecular_pump

תמונה 5: חתך לתוך משאבת טורבו. המקור לתמונה: ויקיפדיה, לשם הועלתה על ידי המשתמש liquidat.

אנחנו כמעט בסוף. כדי להשיג ואקום אולטרה-גבוה, יש להתחכם עוד קצת. את החלקיקים הבודדים שנותרו משייטים בחלל לא ננסה לפנות החוצה אלא דווקא להדביק פנימה בעזרת חומר שהכנסנו מראש. לאחר שמגיעים לואקום גבוה מחממים את החומר, המכונה Getter, לטמפרטורה גבוהה שגורמת לנידוף של חלקיקים שלו לחלל. כאשר החלקיקים פוגשים בדפנות הם נדבקים אליהן ומייצרים ציפוי פנימי. מולקולה בנפח שפוגעת בציפוי נדבקת אליו עקב אינטרקציה כימית עם ה-Getter ואינה משפיעה על הלחץ.

מודעות פרסומת
:קטגוריותכללי תגיות: , ,
  1. אליק
    24/05/2013 ב- 5:20 pm

    תודה

  2. 24/05/2013 ב- 7:04 pm

    🙂

  3. 25/05/2013 ב- 2:03 am

    יש תופעה מעניינת של לחץ שלילי בעצי סוקויה ובגבישים מתרחבים.

  4. 25/05/2013 ב- 2:38 am

    intellectualizer, אם לא תקשר איך נלמד? 😉

  1. 07/06/2013 ב- 3:43 pm

להשאיר תגובה

הזינו את פרטיכם בטופס, או לחצו על אחד מהאייקונים כדי להשתמש בחשבון קיים:

הלוגו של WordPress.com

אתה מגיב באמצעות חשבון WordPress.com שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת Twitter

אתה מגיב באמצעות חשבון Twitter שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת Facebook

אתה מגיב באמצעות חשבון Facebook שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת גוגל פלוס

אתה מגיב באמצעות חשבון Google+ שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

מתחבר ל-%s

%d בלוגרים אהבו את זה: