ok1vin

O čem se v této sekci dočtete + základy vakuové techniky

Posledních pár let se zajímám o vakuovou techniku a technologie s ní spojené. Možnosti, které nabízí, jsou obrovské a zajímavé. Spousta průmyslových procesů, na kterých stojí moderní svět, by bez vakua nefungovala. Proto bych v této sekci „Vakuová technika“ rád sepisoval moje experimenty spojené s vakuem. Dále v tomto článku bych rád napsal něco obecnějšího týkajícího se základů. Pokud tu jste pro experimenty, zkuste ostatní články!

Atmosféra Země, ve které všichni žijeme, je úžasnou polévkou plynů, které dýcháme a které nás zároveň chrání před nebezpečími z vesmíru. Bohužel všechny tyto plyny také zamezují spoustě fascinujících fyzikálních a chemických jevů. Těchto jevů jsme si začali všímat, až když naši předci přišli na způsoby, jak se atmosféry zbavit v kovových nebo skleněných nádobách, a když se vydali do vesmíru. Jevy jako samovolné svařování kovů, sublimace tekutin, termionická emise elektronů, absence zvuku a zhoršený přenos tepla jsou jenom špička ledovce. Záhy nato jsme objevili napařování materiálů, což vedlo k praktickým metodám výroby extrémně tenkých vrstev, které přinesly obrovské pokroky v optice a nakonec nám daly moderní mikro- a nanoelektroniku.

Jak se zbavit vzduchu?

Vakuové vývěvy se dělí podle tlaku, při kterém mají čerpat plyn. Při atmosférickém tlaku se vzduch chová spojitě jako tekutina – lidově řečeno prostě dobře „teče“. Je to díky tomu, že koncentrace molekul kyslíku a dusíku je tak velká, že do sebe neustále narážejí. Když například na dně nádoby začneme odčerpávat plyn, molekuly v horní části nádoby začnou srážkami „tlačit“ většinu plynu k místu, kde odčerpáváme. Prackticky řečeno, pro snižování tlaku od atmosférického tlaku (~100 000 Pascalů = ~1000 mbar = ~750 torr) snižujeme tlak k (~0,1 Pascalům = 0,001 mbar = 0,00075 torr = 0,75 millitorr) používáme mechanické vakuové vývěvy, nazývané také hrubé vakuové vývěvy. (anglicky: roughing vacuum pump). Využívají mechanicky pohyblivých částí (písty, šrouby, lamely) a ventily. Ty zajistí nasátí nízkotlakého plynu z vakuové komory, jeho následné stlačení a vypuštění do atmosféry.

Při nižších tlacích se již molekuly nesrážejí tak často a jsou schopny uleťět desítky centimetrů i metry, bez jakékoliv interakce. I dokonalá mechanická vakuová vývěva nedokáže dostatečně rychle snížovat tlak dále. Tento stav si lze představit jako velkou sportovní halu, kde létá 20 pinpongových míčků, které se odráží od zdí a občas se srazí. A my se jich snažíme zbavit tím, že otevřeme malé dveře a čekáme než se nějaký do nich trefí. Tento problém řeší molekulární vakuové vývěvy. Existuje jich několik druhů a jsou určené na získání hlubokého vakua, tlaky o hodně nižší než 0,1 Pascalu, avšak nemohou sami o sobě fungovat, potřebují hrubé vakuum, tím pádem mechanickou vakuovou vývěvu. Základní princip je založen na předání co nejvíce kinetické energie jednotlivým molekulám a poslat je směrem k mechanické vývěve.

Můžeme také molekuly znehybnit. Když vytvoříme ve vakuové komoře povrch, který má extrémně nízkou teplotu (typicky se používá tekutý dusík), tak se na něm jednotlivé molekuly budou zachycovat a kondenzovat. Tímto znehybněním odstraňujeme molekuly ze systému, a tím pádem snižujeme tlak. To je princip kryogenních vývěv.

Můžeme také využít chemických reakcí kyslíku a dusíku s různými kovy. Kyslík tvoří oxidy velice jednoduše s mnoha kovy. Když tedy ve vakuu zahřejeme měď, tak se po nárazu molekuly kyslíku vyt voří oxid mědi, čímž jsme opět snížili tlak. Dusík tvoří s některými kovy nitridy, například hořčík tvoří nitrid hořečnatý. Nejlepší kov pro tuto chemickou „imobilizaci“ je titan, protože tvoří jak oxidy, tak nitridy. Tento chemický princip využívají tzv. getrové vakuové vývěvy. Getrové vývěvy ovšem opět potřebují mít alespoň hrubé vaukum, aby efektivně fungovaly. Často se používají jako "terciální" vakuové vývěvy k dosažení ještě hlubšího vakua, než s molekulárními vývěvami. Kombinací všech těchto vývěv jsou vědci schopní dosáhnout lepšího vakua než v mezihvězdném prostoru!

Poslední princip, který můžeme využít ke snižování tlaku a o kterém autor ví, je ionizace molekul a jejich urychlení elektrickými a magnetickými poli. Tohoto principu využívají tzv. iontové vakuové vývěvy a využívají se podobně jako getrové vývěvy tj. jako terciální vývěvy. Tento iontový čerpací princip byl prý objeven, když se poprvé začaly používat iontové vakuové měřiče tlaku. Vždy, když se zapnuly, tak se začal snižovat tlak.

Pěkný přehled konkrétních typů vývěv je na wikipedii.