تکنیک خلاء

ریشه لغوی

هر چند که کلمه لاتینی Vacum) خلا) به معنی خالی بودن (تهی ‌بودن) از ماده است. اما موضوع تکنیک خلا چیزی به کلی غیر از مقوله فضای بدون ماده است. در پایین‌تر‌ین وصول امروزه ، هنوز صدها ذره در هر سانتیمتر مکعب از گاز وجود دارد.

نگاه اجمالی

خلا در روی کره زمین در پاره‌ای از اعمال زندگی حیوانی به خلا پایین بر می‌خوریم. اما خلا بالا ، در روی کره زمین بصورت طبیعی ، شناخته (و یا مشاهده) نشده است. پاره‌ای از اعمال طبیعی از لحاظ کاربرد طبیعی خلا صورتی بسیار زنده دارند. نظیر عمل تنفس ، انسان حین دم تا حدود ۷۴۰ تور هوا را به داخل ریه خود می‌کشد و در حین بازدم قادر است فشار داخل ریه را تا ۳۰۰ تور پایین بیاورد. اکتاپوس می‌تواند فشار را در بازدم تا حدود ۱۰۰ تور پایین بیاورد. البته بعضی اعمال طبیعی خلا‌سازی دارای ساز و کاری توأم با پیچیدگی است.

تاریخچه

سرآغاز تکنیک خلا به سال ۱۶۴۳ می‌رسد. سالی که در آن توریچلی موفق به ایجاد خلا در بالای ستون جیوه واقع در لوله شیشه‌ای دراز سر بسته‌ای شد که پس از پر کردن آن با جیوه از دهانه بازش روی تشتکی از جیوه بطور وارونه قرار می‌گرفت. دوره پیش آهنگ تکنیک خلا تا اختراع لامپ الکتریکی ادامه یافت. در این دوره در مورد مبانی قانونهای گاز پیشرفتهای نظری و تجربی مهمی حاصل شد. (قانونهایبویل ـ ماریوت ، شارل ـ گیلوساک ، برنولی ، آووگادرو ، ماکسول ، بولتزمن و غیره(.

اولین پیشرفت در کاربرد عملی خلا استفاده از آثار مکانیکی حاصل از اختلاف فشار بین خلا و اتمسفر بود. تجربه کلاسیکی گریک (در سال ۱۶۵۴) نشان داد که برای سوا کردن دو نیم کره تو خالی بهم چسبیده به شعاع ۱۱۹ سانتیمتر که هوای درون آنها تخلیه شده بود. نیاز به نیروی کشش ۱۶ نیوتن لازم است که دو اسب در دو جهت مخالف هم بر نیمکره‌ها وارد می‌کند. کاربرد این دانش برای افزایش راندمان ترامواها در دوبلین فقط چند سالی دوام یافت.

سیر تحولی و رشد

کار سیستمهای انتقال هوای فشرده یا خلا که در سالهای ۱۸۶۰ ـ ۱۸۵۰ در لندن و پاریس آغاز شده با کمی نو سازی تا کنون ادامه دارد. ساخت لامپ الکتریکی رشته‌ای (ادیسون ۱۸۷۹) نیز یکی از نتایج کار خلا سازی بود که توسط توپلر و اشیرتکل چند سالی پیش اختراع شده بود. خلاسنج ساخت مک لئود (در سال ۱۸۷۴) برای اولین بار امکان اندازه‌گیری فشارهای پایین را فراهم آورد. بدون پایین آوردن چگالی مولکولی (خارج ساختن اجزای فعال اتمسفر از درون محفظه لامپ) کار لامپ الکتریکی امکان پذیر نبود. مبنای کار لوله پرتوی کاتودیک ، افزایش مسیر آزاد میانگین مولکولها در درون لوله بود. اولین کاربرد عایق حرارتی حاصل از خلا ساخت فلاسک دو جداره بود (در سال ۱۸۹۳(.

اختراع دیودها (۱۹۰۲) و تریودها (در سال ۱۹۰۷) که در خلا کار می‌کنند و استفاده از رشته تنگستن (در سال ۱۹۰۹) سرآغاز توسعه لامپهای الکترونیکی و تکمیل لامپ الکتریکی بود. همه این پیشرفتها که یکی به مبنای دیگری صورت می‌گرفت نیاز به تخلیه بیشتر و خلاسنجی بهتر و دقیقتر را روز افزون می‌ساخت. پمپ‌های دیفوزیون (Langmuir.Gaede) در سالهای ۱۹۱۵ و ۱۹۱۶ ساخته شدند. قبل از آن تاریخ ، در سال ۱۹۰۶ پیرانی خلاسنج (gauge) خود را ساخت و سپس در سال ۱۹۱۶ با ساخته شدن خلاسنج یونشی با کاتد گرم به اندازه گیری خلاهای بالا فراهم شد.

توسعه تکنولوژی خلا تا جنگ جهانی دوم ادامه یافت، در سالهای ۳۶ ـ ۱۹۳۵ به سه بند تازه دسترسی یافت. پمپهای گازی بالاست (gas Ballast) ، پمپ دیفوزیون روغنی و خلاسنج یونشی با کاتد سرد پتینگ (Prnning) این سه قلم همراه با خلاسنج پیرانی ، از آن زمان تا کنون جزو اجزای جدایی ناپذیر اعلای سیستمهای خلا گشته است. از سال ۱۹۴۰ به بعد تکنولوژی خلا پیشرفت بسیار بزرگی در زمینه دستگاههای پژوهشی فیزیک هسته‌ای (سیکلوترون و جداسازی ایزوتوپ و غیره) ، فلز کاری خلا ، اندودن و خشک کردن تحت سرمای خلا داشته است.

تا سال ۱۹۵۰ گستره معرفی خلا به۱۰-۷ ـ ۱۰-۶ تور می‌رسید. شاید هم در آن سالها رسیدن به فشارهای پایین تر امکان پذیر بوده است، ولی با اندازه گیری آن فشار امکاناتی در دسترس نبود. خلاسنج بایارد ـ آلبرت (Bayard – Alpert gauge) در ۱۹۵۰ راه اندازه‌گیری فشارهای پایین‌تر را گشود، فشارهایی که بعدها نام خلا فرا بالا به خود گرفتند. ساخت پمپهای یونی در سالهای بعد ۱۹۵۳ ، رسیدن به فشارهای بسیار پایین را امکان پذیر ساخت. در دهه اخیر پژوهشهای فضایی و کوشش در راه حل مسائل خاص این زمینه ، جهش کمی بزرگی را برای تکنولوژی خلا فراهم آورده است.

مفهوم خلا

کلمه خلا به هر فضایی که فشار آن کمتر از فشار اتمسفر است، اطلاق می‌شود. خلا کامل یا مطلق (فضای تهی از ماده) که در آن ، فضا به کلی عاری از ماده باشد، حالتی است دست نیافتنی. فشار اتمسفر ۷۶۰mmHg و چگالی عددی آن برابر n = 2.5x1019mol/Cm3 است.

واحدی از فشار که عمدتا مورد استفاده ما خواهد بود، عبارت تور (Torr) است که به نام توریچلی ساخته شده و با تقریب خوبی ، برابر ۱torr = 1mmHg است.

واحد رایج دیگری به نام میکروبار است که برابر است با: ۱Din/Cm3

واحد فشار در دستگاه SI عبارت است از N/m2 یا Pa پاسکال.

واحدهای بسیار دیگری برای فشار وجود دارد که پاره‌ای از آنها در تکنیک خلا بکار می‌روند.

انواع خلا

خلا طبیعی: خلأی است بدون دخالت انسان در طبیعت و از جمله کره زمین و طبقات جو آن موجود است.

خلا مصنوعی: خلأی است که بدست انسان فراهم می‌آید و اصل موضوع تکنیک خلا همین مورد است.

خلا در فضا

می‌دانیم که فشار هوا در سطح دریا برابر ۷۶۰ تور است و با صعود از سطح دریا به ارتفاعات بالا ، به تدریج کاهش می‌یابد. تا در ارتفاع ۱۰۰۰ کیلومتری (تروپوسفر و استراتوسفر) این کاهش کاملا منظم بوده و آهنگ افت آن برابر یک مرتبه مقداری از هر ۱۵ کیلومتر است. با این افت منظم فشار مقدار آن در ارتفاع حدود ۹۰ کیلومتری بوجود می‌آید. در یونسفر (۴۰۰ ـ ۱۰۰ کیلومتر) تعداد زیادی اتم یونیده موجود است و فشار در آن ناحیه به ازای هر ۲۰۰ ـ ۱۰۰ کیلومتر از ارتفاع به مقدار ۱۰ بار کاهش می‌یابد. و بالاخره در ارتفاع ۱۰۰۰ کیلومتری به ۱۰-۱۰ تور می‌رسد. در بالاتر از ارتفاع ۴۰۰ کیلومتری شرایط خلا فرا بالا موجود است. در بالاتر از این ارتفاع ، آهنگ کاهش فشار باز هم کندتر می‌شود و نهایتا ارتفاع ۱۰۰۰۰ کیلومتری به حدود ۱۰۱۳ تور می‌رسد.

کاربردهای خلا در علوم و فنون

کاربردهای بسیار گوناگون خلا را می‌توان حالت فیزیکی کاربرد و یا بر حسب زمینه آن طبقه بندی کرد. روشن است که هر یک از موارد کاربردی از یک یا چند وضعیت و حالت فیزیکی بهره می‌گیرند. وضعیتهایی که ناشی از رقیق کردن گازها ، در ظرف تخلیه مورد کاربرد ، پی در پی بوجود می‌آیند. در پاره‌ای از موارد کاربردی ، فرآورده‌ها یا قابلیتهایی حاصل می‌شوند که بطور دائم در کل عمر آن ماندگارند. (مانند لامپها ، لوله‌های الکترونیکی و لوله‌های تخلیه الکتریکی ماشینهای شتاب دهنده و …) ، حال آنکه در پاره‌ای دیگر از کاربردهای تکنیکی ، حالت خلا فقط برای مدلی معین به عنوان واسطه‌ای در فرآیند تولید و به کار می‌رود. و محصول نهایی در شرایط اتمسفر مورد استفاده قرار می‌گیرد. (نظیر افزودن از خلا Vacum Caoting ـ خشکاندن در خلا و بارو کردن در خلا.(

مباحث مرتبط با عنوان

بارو کردن در خلا

تخلیه الکتریکی

تکنولوژی خلا

تکنولوژی رقیق کردن گازها

تئوری جنبشی گازها

پمپ‌ دیفوزیون

پمپ دیفوزیون روغنی

پمپ‌ گازی بالاست

پمپ یونی

خشکاندن در خلا

خلا