فیزیک خلا (Vacuum Physics)

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.  

بقیه در ادامه مطلب

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.