Vakuum i pridružena instrumentacija

  • View
    45

  • Download
    0

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Vakuum i pridružena instrumentacija. Uvod. - PowerPoint PPT Presentation

Text of Vakuum i pridružena instrumentacija

Holografija

Vakuum i pridruena instrumentacijaObino imamo intuitivnu predodbu o vakuumu kao prostoru u kojem je tlak plina bitno umanjen u odnosu prema atmosferskom. Tlak je kvantitativni pokazatelj vakuuma. Tlak iz podruja predvakuuma usporediv je s jedinicom za tlak, paskal (1Pa=1N/m2), tj. kree se do 1 Pa. Podruje srednjeg vakuuma zahvaa do 10-2 Pa. Visoki vakuum prua se do 10-5 Pa, a od otprilike 10-6 Pa prema jo manjim vrijednostima tlaka podruje je ultravisokog vakuuma. Razliita kvaliteta vakuuma povezana je s injenicom da u razliitim podrujima tlakova isisavanje obavljamo razliitim fizikalnim postupcima, a i mjerimo tlakove razliitim metodama. Ne postoji univerzalna pumpa dobro prilagoena za postizanje cijelog dijapazona tlakova.UvodVakuumske su metode i mjerenja danas praktiki nezaobilazni i u znanosti i u tehnici i tehnologiji. U mikrosvijetu praktiki nema pokusa koji se moe postii bez upotrebe vakuuma. No, proizvodi najnaprednijih tehnologija sve ee se stvaraju u vakuumskim uvjetima ili ak tokom njihovog dnevnog funkcioniranja moramo upotrebljavati vakuumske uvjete. Jasno je stoga da je moderni laboratorij teko zamisliti bez odgovarajuih vakuumskih ureaja.UvodPostizanje vakuumaTlak kvantitativni pokazatelj vakuumaKlasifikacijaPred vakuumski sustavi (niski vakuum) je reda veliine 1PaOd 1 Pa do 10-2 Pa - srednji vakuumOd 10-2 do 10-5 Pa - visoki vakumOd 10-6 Pa i manje - podruje ultravisokog vakuumaNaelo rada vidi se na slici 7.1. U cilindrinu upljinu ekscentrino se polae valjak koji rotira oko osi paralelne cilindrinoj upljini. Krilca tog rotora potisnuta su elastinim perima do plata cilindra, a dobro zaptivanje i podmazivanje krilaca osigurava se uljem. Oito se volumen plina u kontaktu s kanalom za otpumpavanje rotacijom najprije poveava, a zatim se kontakt s tim kanalom prekine i volumen izoliranog plina umanji i izbaci u kanal za izbacivanje.Ulje, vraeno u pumpu posebnim kanalom, sadri otopljenog zraka. Taj mehanizam, ali i tlak uljnih para, odreuje fizikalnu granicu za pumpanje, tj. za postizanje vakuuma mehanikom rotacijskom pumpom.

Mehanika rotacijska pumpaSlika 7.1. Mehanika rotacijska pumpa. Krilca ekscentrino poloenog rotora dobro prianjaju uz stijenku. Volumen koji omeuje krilce (gornja povrina desnog krilca) najprije se rotacijom poveava. Zatim nadolazee drugo krilce presijeca vezu promjenljivog volumena s okolinom. Potom poinje kompresija, a zatim i isisavanje plina.Mehanika rotacijska pumpa

Difuzijska pumpa. Efekt isisavanja dobiva se kada mlaz ivinih para ili para silikonskog ulja, formiran mlaznicama, sudarajui se predaje impulse molekulama u prostoru kojim mlaz prolazi (slika 7.2). Mlaz udara pod kutom u hlaenu stijenku i na njoj se para znatno kondenzira. Nekondenzirane molekule, sauvanjem komponente impulsa paralelno stijenki, prelaze izvan isisanog podruja (P1 na slici) i odlaze u drugo (P2) podruje.Difuzijska pumpaSlika 7.2. Difuzijska pumpa. Pare posebne tekuine za pumpanje isputaju se nakon isparavanja kroz posebno konstruirane mlaznice. To protjecanje zajedno s hlaenom stijenkom osigurava iscrpljivanje iz podruja P1 u P2Difuzijska pumpa

Tako se gradijent pritiska formira izmeu podruja tlakova P1 u P2.

Dok r, V i L karakteriziraju mlaz (gustoa, brzina i dimenzija), D je difuzijska konstanta za plin koji se isisava. Poput rotacijskih i difuzijske pumpe mogu se kombinirati u vie stupnjeva. Stupica s tekuim duikom, smjetena ponekad pri vrhu difuzijske pumpe, svojim krioefektom moe poboljati rad sistema.Difuzijska pumpa

Kljuni su dio turbomolekularne pumpe metalna krilca razmjetena po obodu kruga pod kutom u odnosu prema ravnini kruga (7.3.a).Na desnoj skici (7.3.b) je ilustracija rada krilaca. Ona se vrte brzinom mnogo veom od brzine molekula. Zamislimo da sjedei na obodu kruga vidimo sljedeu situaciju: Molekule nalijeu na krilce smjerom oznaenim posebnom strelicom i s jedne i s druge strane. Oito je kut slobodnog prolaska za prijelaz lijevo desno vei od onog desno-lijevo. Stoga se formira razlika tlakova izmeu razliitih strana. U pumpi oito nema ulja ni uljnih para. Iako je komercijalno skuplja, a operira u podruju primjene difuzijskih pumpi, upotrebljavamo je kada u sistemu nisu poeljne razliite pare.Turbomolekularne pumpeSlika 7.3. Turbomolekularna pumpa.a) Na obodu valjka ija je visina znatno manja od promjera nalaze se koso poloona krilca.b) Okomita projekcija dijela plata valjka. Zamislimo da smo u sustavu koji s valjkom rotira. Na krilca nalijeu molekule iz okoline. Kut ponuen za prijelaz slijeva nadesno vei je od onoga za prijelaz zdesna nalijevo. Stoga e tlak s lijeve strane biti nii.Turbomolekularna pumpa

Molekule plina se ioniziraju elektronima. Elektrinim poljem se ioni transportiraju. Ponekad se dodaje magnetsko polje kako bi se putanja ionizirajuih elektrona produljila spiralnim gibanjem u magnetskom polju (uz efekte ionizacije nastoje se molekule isisavanog plina ukopati u stjenku).Ionsku pumpaSublimacijske pumpe (getter, titanium) upotrebljavaju se za dobivanje ultravisokog vakuuma. Prije treba postii visok vakuum. Na primjer, titanski izvor zagrijan do temperature sublimacije deponira kemijski aktivan film na okolne povrine. Film vee molekule plina. Time se postie smanjenje tlaka. Upotrebom sublimacijskih pumpa tlak se moe smanjiti za nekoliko redova veliine.Sublimacijske pumpeHlaenjem materijala do niskih temperatura smanjuje se tlak zasienih para. Tako je omoguena kondenzacija pare na mnogo niim tlakovima i efekt pumpanja. Takoer se i za nekondenzirane plinove hlaenjem reducira njihov tlak. Kriogenske pumpePonovimo:Postizanje vakuuma ureajiMehanika rotacijska pumpaDifuzijska pumpaTurbomolekularne pumpeIonska pumpaKriogenske pumpeSublimacijske pumpe

PonovimoOpe karakteristikeRazliite kvalitete vakuuma postiemo razliitim ureajima ustrojenim prema razliitim fizikalnim principimaPostizanje vrlo visokih vakuuma --u koracima, primjenom razliitih fizikalnih principa i ureaja

Poznat nam je efekt razmatanja i namatanja papirne cijevi kad je napuhujemo ili isputamo zrak. Analognim zahvatom na konstrukciju metalne spiralne cijevi postie se slian efekt.Bourdonova cijev

Slika 7.4. Bourdonova cijev. Spiralna konstrukcija cijevi osigurava da se cijev odmata ili namata ovisno o tome je li u njoj tlak povean ili umanjen.Unutar metalnog plata je arna nit. Oko nje je mreica reetke. Naponi su podeeni tako da mreica izvlai elektrone iz katode. Napokon, napon plata je postavljen tako da elektroni ne doseu plat, ali ioniziraju u meuprostoru plin. Pozitivni ioni plina pridonose struji ponitavajui se na plastu. Njihov broj je

i proporcionalan je broju ionizirajuih elektrona, broju neutralnih molekula ugraenih u tlaku P, a ukupna konstanta proporcionalnosti u izrazu jest K.Triodna cijev

Slika 7.5. Iz arne niti katode izlijeu elektroni. Pozitivni potencijal mreice osigurava akceleraciju elektronima tako da ioniziraju okolni plin. Plat anode je na naponu koji spreava elektrone da struje ka anodi; na nju dospijevaju samo pozitivni ioni struje, i+. Ta je struja proporcionalna broju molekula prisutnog okolnog plina (tlaku plina).Triodna cijev

Proporcionalnost broja pozitivnih iona i+ i tlaka P odrava se sve do vrijednosti tlaka 1O-6 Pa. Pri tom tlaku tamna struja, koja potjee od mekog X-zraenju nastalog u podruju ionizacije plina i apsorbiranog na platu, poinje maskirati eventualno dalje smanjenje tlaka.Ovdje je geometrija triodnog vakuummetra onvertirana; katoda vie nije plat irokih dimenzija, ve tanka ica. Time je utjecaj tamnih struja viestruko reduciran i instrument moe mjeriti vakuumske tlakove i do 1O-10 Pa.Bavard-Alpertov vakuumetar.

Slika 7.6. Bavard-Alpertov vakuumetar. U odnosu na triodu geometrija je invertirana. Katoda je izvan mreice, a ioni se prikupljaju tankom metalnom niti unutar reetke.Ponovimo: Mjerenje vakuumaBourdonova cijevTriodna cijevBayard-Alpertov vakuummetarPovrine u vakuumu isplinjavaju. Polo je mehanika pumpa izbacila glavninu plina, dinamiki je tlak rezultat brzine isisavanja v i brzine isplinjavanja v:

Veliini v' doprinose razliiti mehanizmi:a) tlak para materijalab) oslobaanje plinova adsorbiranih na povrinic) difuzija plina kroz materijal.Vakuumski materijali

Pravilnim izborom materijala umanjuje se problem naveden kao doprinos u vezi s tlakom pare materijala (a). Doprinos brzini isplinjavanja uslijed apsorbiranih plinova (b) mogue je izbjei posebnim postupcima. Na primjer, metale moemo iarivanjem u vakuumskim peima osloboditi slojeva adsorbiranog plina. Slino se adsorpcija neugodnih vodenih para moe smanjiti uputanjem posebnih plinova u vakuumski sistem. Problem zbog difuzije plinova kroz materijal (c) zaobilazimo izbjegavajui porozne materijale. U difuzijskoj migraciji posebno su aktivni vodik i helij.Vakuumski materijaliMaterijali usklaeni s kvalitetom vakuumasrednji vakuumvisoki i ultravisoki vakuumosnovni dijeloviAluminij, vuena mjednehrajui elikprozirne komponentestakloPyrex (Corning code 7740)aluminijsko staklo(Corning code 1720)brtveguma, neoprenmetal na metalSlika 7.7. Povezivanje vakuumskih komponenata.Izmeu dviju metalnih prirubnica postavlja se tanka torusna brtva od elastinog materijala. Jedna prirubnica obino ima utor u koji se brtva ugura.Nain povezivanja dijelova aparature s vakuumom

Slika 7.8. Metalno brtvljenje. Umjesto elastine brtve upotrebljava se meki metal (npr. pozlaeni bakar) i tvori odlino brtvljenje. Pri vertikalnom pritezanju otri rubovi prirubnica usijecaju se u brtvu i prijee protok plina u horizontalnom smjeru.Brtvljenje

Maseni spektrometar je ureaj koji razdvaja molekule prema njihovim masam i utvruje intenzitet pojedine komponente. Atomi ili molekule koje elimo analizirati ioniziraju se u izvoru, akceleriraju zatim do nekoliko kiloelekronvolta (keV) elektrostatikim potencijalom i napokon otklanjaju i fokusiraju transverzalnim elektrinim i magnetskim poljem. Kada bi svi atomi nakon