چگونه خلاء ایجاد کنیم؟

اگرچه ایجاد خلاء واقعاً یک مفهوم فوق العاده پیچیده است ، موضوع را می توان در یک سوال واحد و یک قاعده واحد ساده کرد:
پنهان شدن در این مفاهیم ساده دامهای بی شماری است که نیاز به تفکر و دقت کافی دارد تا از آنها اجتناب شود ، اما با ماندن در این مفهوم می توان با موفقیت از آنها جلوگیری کرد. بخاطر داشته باشید که ، به معنای عملی ، هیچ کس در ذهن درست او بدون دلیل خلاء ایجاد نمی کند. پیش از ورود به دلایل ، به یک تعریف ساده نیاز داریم. خلاء هر فشار زیر اتمسفر است و برای نگه داشتن آن در محفظه به چیزی نیاز دارد و وسیله ای برای کاهش فشار (پمپ) است.
بنابراین ، آنچه در اینجا صحبت می کنیم حذف مولکول های گاز از یک محفظه است. شکل1 تعداد بی حس کننده مولکولهای درگیر را نشان می دهد. هر فرآیند یا محصولی که به خلا نیاز داشته باشد ، در صورت تولید یا انجام موفقیت آمیز محصول یا فرآیند ، حداکثر مقدار مولکول وجود دارد که در محفظه وجود دارد. بنابراین ، اولین مراحل پاسخ دادن به “چه کاری می خواهید انجام دهید؟” سوال این است که یک محصول / فرآیند و یک فشار هدف را تعریف کنیم.
در این مرحله ، قاعده واحد در این مورد وارد عمل می شود که هر مولفه و روشی که در ایجاد خلا ایجاد می شود
شکل(1)

آناتومی یک پمپاژ:

به طور کلی ، خلاء با شروع هوا با فشار اتمسفر در یک محفظه از نوعی ایجاد می شود. یک پمپ خلاء به این محفظه متصل شده است که مولکول های گاز را به اندازه کافی از محفظه خارج می کند تا به حداکثر تعداد مجاز (فشار) برسد تا فشار هدف ایجاد شده در زیر سوال “چه کاری می خواهم انجام دهم؟” از آنجا که هوا مخلوطی از گازها است ، لازم است بعداً در این بحث ترکیب نسبی گاز در نظر گرفته شود ، بنابراین ترکیب هوای جو در شکل2 نشان داده شده است.

شکل (2)

در فشار اتمسفر ، مولکول های گاز بسیار نزدیک به هم هستند. و چون در حرکت مداوم هستند ، فاصله بین برخورد مولکول تا مولکول بسیار کوتاه است. این فاصله به عنوان مسیر آزاد متوسط ​​شناخته می شود.

با حذف مولکول ها توسط پمپ خلا ، فاصله بین برخوردها بیشتر و بیشتر می شود. شکل 3 میانگین مسیر آزاد را به عنوان تابعی از فشار نشان می دهد. با حذف مولکول ها ، مولکول های دیگر کمتری برای برخورد یک مولکول مشخص با فاصله بیشتر و طولانی تر با کاهش فشار وجود دارد. این مفهوم ، اگرچه کاملاً واضح است ، اما در درک فناوری خلا مهم است زیرا رفتار و جریان مولکول ها تقریباً کل موضوع است. مولکول ها تقریباً کل موضوع است.

شکل(3)

هنگامی که پمپاژ با فشار اتمسفر شروع می شود ، مولکول های گاز در یک حالت جریان جریان به نام جریان ویسکوز قرار دارند. این بدان معناست که برخورد مداوم مولکول به مولکول باعث می شود جمعیت مولکول های موجود در یک حجم مشخص بلافاصله با حذف برخی مولکول ها یکنواخت شود. این رفتار همان چیزی است که اکثر مردم به عنوان اثرات دیفرانسیل فشار تصور می کنند ، زیرا به نظر می رسد نیرویی محرک برای حرکت مولکول ها وجود دارد. با شروع حذف مولکول ها از محفظه ، این امر به وضوح دیده می شود.

با شروع از فشار اتمسفر ، مولکول ها معمولاً با نوعی پمپ جابجایی مثبت مکانیکی برداشته می شوند. این می تواند از پمپ دوار مهر و موم روغن گرفته تا دیافراگم ، پیستون یا پمپ اسکرول بدون روغن باشد. ایده کلی از این نظر است که گاز موجود در محفظه تخلیه شده در جایی که جدا شده به یک حجم ثابت منبسط شده و سپس به مکانیکی فشرده می شود تا جایی که در یک مرحله دیگر یا مستقیماً در جو دفع می شود. قرار گرفتن در معرض و انزوای بعدی مولکول ها در محفظه به حجم ثابت با سرعت بالا ادامه می یابد و مولکول های بیشتر و بیشتری حذف می شوند.

با این حال ، دو اتفاق در حال رخ دادن است.

1) هرچه بیشتر و بیشتر مولکول ها برداشته شوند ، میانگین مسیر آزاد افزایش می یابد و در نتیجه برای رسیدن به تعادل در جمعیت مولکولی کمی بیشتر و طولانی تر می شود تا نیروی محرکه فشار کاهش یابد ، و…

2) با هر چرخه پمپ ، مولکولهای کمتری و کمتر از بین می روند ، زیرا مولکولهای کمتری برای پمپاژ در دسترس هستند.

در طی این فرآیند حذف مولکولی،ترکیب هوا به عنوان مخلوط گاز تقریباً از نظر نسبت های نسبی همانطور که درشکل 2 نشان داده شده است باقی می ماند و کاهش جمعیت کل مولکولی مانند بالا ادامه می یابد تا زمانی که میانگین مسیر آزاد به اندازه کافی طولانی شود که یک مولکول داده شده بیشتر از مولکول دیگر بر دیواره اتاق تأثیر می گذارد. در این مرحله کل رفتار مولکول ها تغییر می کند و روند به طور کامل وارد یک جریان جریان دیگر می شود. از آنجا که رفتار مولکولی براساس تأثیرات مسیر آزاد متوسط ​​است که تابعی از غلظت مولکولی است ، اندازه فیزیکی ظرف (محفظه) شروع به بازی می کند. در این مرحله ، در نظر گرفتن رژیم های جریانی ضروری می شود که با پیشرفت پمپاژ وارد عمل شده و خواهند شد.

رژیم های جریان

همانطور که یک پمپاژ از فشار اتمسفر به خلاء زیاد انجام می شود ، رفتار مولکول های محفظه توسط سه رژیم جریان جداگانه تحت تأثیر قرار گرفته و کنترل می شود. از آنجا که ، همانطور که قبلاً مشاهده کردیم فشار و ابعاد محفظه هر دو وارد عمل می شوند ، شکل 4 مرز پارامترهای مختلف رژیم جریان را نشان می دهد.

جریان ویسکوز

جریان ویسکوز ، همانطور که در بالا بحث شد ، زمانی اتفاق می افتد که میانگین مسیرهای آزاد کوتاه بوده و برخورد مولکول به مولکول ثابت باشد. این انگیزه را برای گسترش یکنواخت جمعیت مولکول فراهم می کند و منجر به شرایط جریان بسیار شبیه یک مایع می شود.

شکل (4)

جریان انتقال:

جریان انتقال شرایط بسیار پیچیده ای است که در یک باند بین جریان چسبناک و مولکولی رخ می دهد. از آنجا که معمولاً به سرعت در یک پمپاژ طبیعی رد می شود ، در اکثر موارد می توان با خیال راحت آن را نادیده گرفت.

جریان مولکولی:

جریان مولکولی زمانی شروع می شود که میانگین مسیر آزاد مولکولهایی که درون محفظه باقی مانده اند طولانی تر از ابعاد داخلی محفظه باشد. این بدان معناست که مولکولهای متحرک از نظر آماری بیش از تأثیر بر یک مولکول دیگر ، بر دیواره محفظه تأثیر می گذارند. این بدان معناست که دیگر هیچ جریانی به معنای معمول ناشی از دیفرانسیل فشار وجود ندارد زیرا مولکول ها کاملاً تصادفی کاملاً از بین می روند و جریان از محفظه ای به پمپ کاملاً بر اساس احتمال تصادفی یک مولکول سرگردان در پمپ است.

اجتناب از اشتباهات:

جلوگیری از اشتباهات مهلک فرآیند در حین پمپاژ از طریق منطقه جریان چسبناک نسبتاً آسان است ، اما با ورود منطقه جریان مولکولی و فشار کمتر و پایین تر ، این سهولت نسبی از بین می رود و فرار می کند. به عنوان مثال ، یک نشت کوچک که از نظر زمان پمپاژ یا توانایی رسیدن به فشار نهایی به راحتی نادیده گرفته می شود ، می تواند با افت فشار ناگهان بیش از حد بزرگ شود.

درنهایت ، با افت فشار هدف در مناطق تحت فشار خلاء یا بالا یا فوق العاده بالا ، می تواند به نشت زیادی تحمل ناپذیر تبدیل شود. همین امر را می توان در مورد مصالح ساختمانی ، مهر و موم ها یا سایر سخت افزارها بیان کرد که در آن ممکن است آلودگی (گاز) ناشی از یک قطعه در یک فشار بسیار زیاد و در فشار بالاتر ناچیز باشد.

وقتی تغییر از جریان گرانروی به مولکولی رخ می دهد ، کل روند تفکر جریان گاز تغییر می کند. رسانایی را در نظر بگیرید که به راحتی می توان مقدار جریان حجمی را که از خط خلاء عبور می کند توصیف کرد.

برای هر یک فرمول وجود دارد:

جریان ویسکوزیته: C = FxPaD4 / L
جریان مولکولی C = FxD3 / L
C = رسانایی بر حسب لیتر در ثانیه.
F = فاکتور در اینچ ، 2950 برای ویسکوز جریان و 78 برای جریان مولکولی
L = طول خط در اینچ
D = قطر خط در اینچ
Pa = فشار متوسط ​​در تور (فقط جریان ویسکوزیته)
اگر خطی به قطر 1 اینچ و طول 36 اینچ را در نظر بگیریم ، C = 31139 لیتر در ثانیه را محاسبه می کنیم. برای جریان ویسکوزیته با فشار متوسط ​​(Pa) 380 torr و C = 2.2 لیتر در ثانیه. برای جریان مولکولی
این اختلاف بزرگ در جریان صرفاً به این واقعیت اشاره دارد که تمام قطعات یا اجزای سازنده سیستم خلاء با کاهش فشار اهمیت و اهمیت بیشتری پیدا می کنند. یک انتخاب یا تصمیم بد می تواند به راحتی همه انتخاب ها و تصمیمات صحیح را نفی کند. این ، البته ، می تواند تمام تفاوت را در رسیدن به عملکرد هدف یا شکست کامل ایجاد کند.

پمپاژ جریان مولی:

اگرچه پمپاژ از طریق منطقه جریان ویسکوزیته معمولاً همان نسبت گازهایی را که در شکل 2 برای هوا آورده شده است ، حفظ می کند ، این به محض ورود منطقه جریان مولکولی شروع به تغییر می کند. همانطور که پمپاژ از طریق منطقه میلیتور بزرگ (1000-1 میلی لیتر) حرکت می کند ، ترکیب کلی فشارهای جزئی گازهای باقیمانده در محفظه تحت تغییرات مهم قرار می گیرد. در انتهای مرتفع این منطقه ، تغییرات کمی مشاهده می شود. اما با نزدیک شدن فشار به 1 میلی لیتر ، گازهای دائمی موجود در هوا ، یعنی اکسیژن ، نیتروژن ، دی اکسید کربن و … در حالی که بخار آب شروع به تسلط می کند ، به طور چشمگیری ناپدید می شوند. در واقع ، فشار كل از حدود 10-4 تا 10-7 torr تقریباً كاملاً بخار آب است.

بخار آب:

گازهای دائمی که در بالا ذکر شد ، همه گازهایی هستند که در داخل حجم محفظه وجود داشته اند ، بنابراین حذف آنها با پمپ مناسب امری کاملاً ساده است. گرچه ناگهان متوجه می شویم که آنها اساساً از بین رفته اند و در عوض بخار آب پیدا می کنیم. این تفاوت در این است که ما اکنون از شرایطی که تحت فشار گاز حجمی است به وضعیتی که تحت تأثیر گاز سطحی یا دیواری است تبدیل شده ایم. بخار آب در تمام مدت زمان وجود داشته است و درصد کمی از ترکیب کلی گاز است ، اما اکنون همان مقدار آب به معنای نسبی مهم شده است.

شکل(5)

منبع تمام این بخار آب از سطوح داخلی محفظه است که در ابتدا در حالی که محفظه تحت فشار اتمسفر قرار گرفته بود غوطه ور شده بود. طبیعت قطبی مولکول آب منجر به اتصال به سطوح و به خود در پیوندهای آب به آب می شود که نسبتاً ضعیف هستند. بنابراین این بدان معنی است که بخار آب باید قبل از پمپاژ ، جذب شود. میزان دفع بخار آب در شکل 5 نشان داده شده است. از آنجا که سرعت دفع به کندی کاهش می یابد ، به راحتی می توانیم ببینیم که کل مقدار بخار آب که باید دفع شود ، پمپاژ را کنترل خواهد کرد. تنها راه عبور از این منطقه تحت کنترل میزان جذب ، انتظار کافی است تا بخار آب همانطور که در شکل 5 نشان داده شده است ، جذب شود یا میزان جذب آن را به صورت مصنوعی از طریق انرژی گرما یا UV افزایش دهد.

ضوابط:

با حرکت پمپاژ به جریان مولکولی ، تفکر ما علاوه بر معیارهای هدایت و جریان گاز ، در چندین مورد نیاز به تغییر دارد. در جریان چسبناک ، معیارهای اصلی حجم محفظه بود ، زیرا در آن مرحله کار برای حذف حجم گاز درون محفظه بود. اما در جریان مولکولی ، حجم گاز درون محفظه بی اهمیت می شود وقتی با سطح محفظه مقایسه می شود که اکنون منبع اصلی گاز پمپاژ شده است. بنابراین ، این امر مستلزم تغییر عمده حالت در “فکر کردن در مورد ایجاد خلاء” است. علاوه بر این ، ما می توانیم ببینیم که چگونه یک منبع پیش پاافتاده از مشکلات پمپاژ می تواند ناگهان به یک منبع کنترل کننده گاز تبدیل شود.

BELOW 10-7 TORR

از آنجا که سرانجام مقدار بخار آب کاهش می یابد ، با ادامه پمپاژ می توان فشار را کاهش داد با این فرض که پمپ توانایی رسیدن به فشارهای کمتری را دارد و سرعت پمپاژ کافی برای انجام این کار وجود دارد. از نظر فشارهای جزئی ترکیبات باقیمانده گاز ، هیدروژن به آرامی به گاز غالب تبدیل می شود. هیدروژن همچنین به سطح وابسته است زیرا از یک مجموعه پیچیده از منابع در سطح اتاق ناشی می شود.

نتیجه گیری:

ایجاد خلاء درون محفظه فرآیندی نسبتاً پیچیده است که اجازه نمی دهد یک فرایند تفکر در کل دامنه فشار مسلط شود. در عوض ، این یک سری فرایندها را طی می کند که می تواند با تقسیم مراحل تفکر به مراحل مختلف بر اساس تجزیه در اینجا بحث شود. اگرچه یک اشتباه واحد می تواند عملکرد مورد انتظار را نفی کند؛ با استفاده از یک تفکر کامل ، از نظر عملکرد مورد انتظار ، تجزیه و تحلیل می تواند از اشتباهاتی که ممکن است رخ دهد جلوگیری کند.

صنایع وکیوم پمپ آسیا