چگونه خلا ایجاد کنیم؟ — به زبان ساده

در فیزیک، به فضایی بدون ماده، خلا گفته می‌شود. به بیان دیگر، به محیطی با فشار بسیار کوچک، به گونه‌ای که تعداد مولکول‌ها یا ذرات موجود در محیط تاثیری بر رفتار آن محیط نداشته باشند، خلا می‌گوییم. دست‌یابی به خلا در صنعت و در آزمایشگاه‌های پژوهشی بسیار مهم است. به عنوان مثال، برای ساخت و سنتز مواد شیمیایی با استوکیومتری بسیار دقیق، به محیطی با خلا بالا نیاز داریم. از این‌رو، باید بدانیم چگونه خلا ایجاد کنیم. در حالت کلی، با استفاده از پمپ‌های خلا می‌توانیم فشار محیط را به مقداری مشخص کاهش دهیم. توجه به این نکته مهم است که روش‌های مختلفی برای اجاد خلا نداریم، بلکه انواع پمپ‌ها مختلف برای ایجاد خلا داریم.

پمپ‌های خلا انواع مختلفی دارند که با توجه به نوع پمپ می‌توانیم خلا بالا، خلا متوسط یا خلا پایین ایجاد کنیم. در این مطلب از مجله فرادرس، ابتدا خلا را تعریف، سپس در مورد انواع جریان گازها در فناوری خلا صحبت می‌کنیم. در ادامه، با پمپ خلا و انواع آن آشنا می‌شویم و پمپ خلا بسیار ساده‌ای را با استفاده از وسایلی ساده در خانه می‌سازیم.

چگونه خلا ایجاد کنیم؟

ظرفی شیشه‌ای با حجمی مشخص را در نظر بگیرید. این ظرف از هوا با تعداد زیادی مولکول تشکیل شده است. با خارج کردن مولکول‌های هوا از این ظرف می‌توانیم خلا ایجاد کنیم. در نگاه نخست، شاید انجام این کار بسیار ساده به نظر برسد، اما برای ایجاد خلا باید به مشخصه‌های فیزیکی مانند ویسکوزیته گاز (هوا)، نوع شارش (درجه آشوب)، هدایت حرارتی گاز و نفوذ‌پذیری آن توجه داشته باشیم. در عمل، در صنعت و در آزمایشگاه‌های تحقیقاتی برای ایجاد خلا از انواع پمپ‌ها استفاده می‌شود. پمپ‌های خلا با استفاده از روش‌های مختلف می‌توانند در محفظه‌ای مشخص خلا کم تا خلا زیاد ایجاد کنند.

فیلم آموزش تکنیک خلاء (رایگان) در فرادرس

کلیک کنید

قبل از آن‌که بدانیم چگونه خلا ایجاد کنیم و با روش‌های ایجاد خلا آشنا شویم، ابتدا کمی در مورد مفهوم خلا و انواع خلا صحبت می‌کنیم. در ادامه، با انواع پمپ‌های خلا و چگونگی ساخت پمپ خلا ساده در خانه آشنا می‌شویم.

خلا چیست؟

در حالت کلی، به فضایی بدون ماده، فضای خالی گفته می‌شود. به عنوان مثال، اگر آبِ داخل لیوان یا ظرفی را خالی کنیم، لیوان یا ظرف خالی و بدون آب می‌شوند. اما در حالت بنیادی و از دیدگاه فیزیک، لیوان یا ظرف واقعا خالی نیستند. در حقیقت، داخل لیوان و ظرف از هوا پر و هوا نیز از تعداد بسیار زیادی اتم و مولکول تشکیل شده است. برای انجام برخی آزمایش‌ها در فیزیک و شیمی بهتر است مولکول‌ها و اتم‌ها را تا جایی که ممکن است از محیط آزمایش خارج کنیم. دلیل این موضوع آن است که وجود تعداد بسیار زیاد مولکول و اتم به هنگام آزمایشی مانند سنتز و ساخت مواد نانو ممکن است منجر به ایجاد آلودگی سطحی و تغییر استوکیومتری ماده سنتز شده شود. با خارج کردن مولکول‌ها و اتم‌های سازنده هوا از محیطی مشخص می‌توانیم در آن محیط، خلا ایجاد کنیم.

رسیدن به خلا مطلق تقریبا غیرممکن است، اما با استفاده از فناوری‌های پیشرفته می‌توانیم به آن نزدیک شویم. در بهترین حالت، پژوهشگران موفق شده‌اند با استفاده از فناوری‌های بسیار پیشرفته، محیط خلائی شامل یک میلیارد ذره در هر مترمکعب بسازند. اگر بخواهیم خلائی با تعداد مولکول بسیار کمتر بسازیم باید از اتمسفر زمین خارج شویم و به فضا سفر کنیم. تعداد مولکول‌ها در فضای بین‌ستاره‌ای بسیار کم است. تعداد مولکول‌ها در این فضا به حدود ۱۰ میلیون مولکول در هر مترمکعب می‌رسد. فضای بین کهکشان‌ها را تقریبا می‌توانیم به عنوان خلا مطلق در نظر بگیریم. در این فضا، تعداد مولکول‌ها به طور میانگین به یک مولکول در هر مترمکعب کاهش می‌یابد.

برخی پدیده‌ها که در حالت عادی برقرار هستند، دیگر در خلا مطلق برقرار نخواهند بود. به عنوان مثال، اگر بخواهیم در محیط خلا گیتار بنوازیم، هیچ صدایی نمی‌توانیم ایجاد کنیم. زیرا مولکولی برای انتقال ارتعاش ایجاد شده توسط سیم‌های گیتار وجود ندارند و این ارتعاش نمی‌تواند به گوش ما برسد. به بیان دیگر، امواج صوتی نمی‌توانند در خلا و در محیطی عاری از ماده به گوش ما برسند. اتمسفر در اطراف زمین، نیرویی به سمت پایین بر هر چیزی که روی زمین وجود دارد، وارد می‌کند. به عنوان مثال،‌ سیبی را روی زمین در نظر بگیرید. نیروی وارد شده از سوی اتمسفر بر این سیب برابر وزن دو فیل بالغ بر مترمربع است. به این نیروی وارد شده بر هر مترمربع، فشار اتمسفر گفته می‌شود.

چرا فشار اتمسفر را احساس نمی‌کنیم؟ زیرا بدن ما و بیشتر اجسام، فشاری داخلی ایجاد می‌کنند. جهت این فشار به سمت خارج از جسم است و فشار وارد شده از طرف اتمسفر را خنثی می‌کند. بطری پلاستیکی را در نظر بگیرید که با استفاده از پمپ خلا، هوای درون آن را خارج می‌کنیم. بطری، پس از خارج شدن هوای داخل آن، دیگر نمی‌تواند فشار وارد شده از سمت هوای بیرون (فشار اتمسفر) را تحمل کند، بنابراین کاملا فشرده می‌شود. نکته مهم دیگری که در مورد محیط خلا وجود دارد آن است که این محیط هیچ دمایی ندارد. این موضوع با توجه به تعریف دما، عجیب به نظر نمی‌رسد. به حرکت و ارتعاش اتم‌ها، دما می‌گوییم. هرچه اتم‌ها و مولکول‌های تشکیل‌دهنده جسمی با سرعت بیشتری حرکت کنند، دمای آن جسم بالاتر است.

اما در فضای تهی و خالی از ماده، هیچ مولکولِ مرتعشی وجود ندارد. بنابراین، دما مفهوم خود را از دست می‌دهد. گرما در خلا، تنها می‌تواند از طریق امواج الکترومغناطیسی منتقل شود. امواج الکترومغناطیسی، تنها امواجی هستند که می‌توانند در خلا از نقطه‌ای به نقطه دیگر حرکت کنند. در ادامه، به خلا در مقیاس اتمی نگاه می‌کنیم. مواد از اتم‌ها و اتم‌ها از هسته‌ تشکیل شده‌اند. الکترون‌ها به دور هسته اتم حرکت می‌کنند. هسته اتم در حدود صد مرتبه کوچک‌تر از اتم است. اما در حدود ۹۹/۹ جرم اتم را تشکیل می‌دهد. بنابراین، بیشتر فضای اتم از خلا تشکیل شده است. به طور مشابه، تمام مواد قابل‌رویت در کیهان نیز از فضای تهی یا خلا تشکیل شده‌اند.

بار دیگر بر این نکته تاکید می‌کنیم که حتی تهی‌ترین قسمت فضا نیز نمی‌تواند خلا مطلق در نظر گرفته شود. بر طبق فیزیک کوانتوم، حالت خلا حالتی است که به صورت پیوسته توسط تعداد زیادی ذرات مجازی پر می‌شود. این ذرات مجازی دبه طور دائم به وجود می‌آیند و از بین می‌روند. به این حالت، نوسانات خلا گفته می‌شود. ذرات مجازی مدت زمان بسیار کوتاهی می‌توانند وجود داشته باشند، بنابراین مشاهده آن‌ها غیرممکن است. بر طبق قوانین فیزیک کوانتوم، این ذرات می‌توانند از هیچ به وجود بیایند. از آنجا که ذرات مجازی نمی‌توانند مشاهده شوند، رفتارهای عجیبی می‌توانند از خود نشان دهند. این رفتارها برخلاف قوانینِ معمول در فیزیک است.

واحد فشار چیست؟

همان‌طور که در بخش قبل از این مطلب از مجله فرادرس اشاره کردیم، محیطی خالی از ماده، خلا می‌گوییم. به نیروی وارد شده از سمت مولکول‌های هوا بر واحد سطح، فشار اتمسفر گفته می‌شود. خلا به معنای محیطی خالی از ماده (حتی مولکول‌های هوا) است. از آنجا که هیچ هوایی در محیط خلا وجود ندارد، فشار هوا در این محیط برابر صفر خواهد بود. واحد‌های اصلی فشار و تبدیل واحد‌ها به یکدیگر در جدول زیر نوشته شده است.

محدوده خلا چیست؟

فشار در سیستم‌های خلا به پنج گروه اصلی تقسیم می‌شود:

1. خلا کم: تغییرات فشار در سیستمی با خلا کم، بین فشار اتمسفر تا یک میلی‌بار است.
2. خلا متوسط: تغییرات فشار در سیستمی با خلا متوسط، بین یک میلی‌بار تا $$10 ^ { - 3 }$$ میلی‌بار است.
3. خلا بالا: تغییرات فشار در سیستمی با خلا بالا، بین $$10 ^ { - 3 }$$ میلی‌بار تا $$10 ^ { - 7 }$$ میلی‌بار است.
4. خلا بسیار بالا: تغییرات فشار در سیستمی با خلا بسیار بالا، بین $$10 ^ { - 7 }$$ میلی‌بار تا $$10 ^ { - 12 }$$ میلی‌بار است.
5. خلا فوق‌العاده بالا: فشار در سیستمی با خلا فوق‌العاده بالا، بزرگ‌تر از $$10 ^ { - 12 }$$ میلی‌بار است.

توجه به این نکته مهم است که تقسیم‌بندی فوق تا حدودی اختیاری است و سیستم‌های مختلف بنا به نوع عملکرد می‌توانند تقسیم‌بندی متفاوتی داشته باشند.

انواع جریان در فناوری خلا چیست؟

تا اینجا با تعریف خلا و انواع آن آشنا شدیم. برای آن‌که بدانیم چگونه خلا ایجاد کنیم باید با انواع جریان در فناوری خلا آشنا باشیم تا بتوانیم پمپ مناسب را انتخاب کنیم.

فیلم آموزش فیزیک پایه 3 – جامع و کاربردی در فرادرس

کلیک کنید

سه نوع جریان در فناوری خلا داریم:

• جریان پیوسته یا ویسکوز: در این نوع جریان، مولکول‌ها در فاصله بسیار نزدیکی نسبت به یکدیگر قرار دارند. از این‌رو، برهم‌کنش بین آن‌ها بسیار زیاد است. این نوع جریان در خلا کم رخ می‌دهد. سه نوع جریان ویسکوز داریم:
  • جریان آشفته: این جریان به دلیل حرکت چرخشی مولکول‌ها رخ می‌دهد.
  • «جریان پویزی» (Poiseuille flow): در این جریان، لایه‌ها روی یکدیگر می‌لغزند. این حالت اغلب در خلا رخ می‌دهد.
  • «خفگی جریان» (Chocked flow): این نوع جریان به هنگام تخلیه محفظه‌های خلا یا در محل‌های نشت ایجاد می‌شود.
• جریان مولکولی: جریان مولکولی در محدوده خلا بالا و بسیار بالا رخ می‌دهد. در این حالت، مولکول‌ها بدون برخورد با مولکول‌های دیگر می‌توانند آزادانه و به راحتی به اطراف حرکت کنند. به بیان دیگر، هنگامی که مسافت آزاد میانگین بسیار بزرگ‌تر از قطر لوله باشد، جریان مولکولی، جریان غالب خواهد بود. این نوع جریان در خلا بالا و خلا فوق‌العاده بالا مشاهده می‌شود.
• «جریان نادسن» (Knudsen Flow): جریان نادسن، محدوده‌ای انتقالی بین جریان ویسکوز و جریان مولکولی و در خلا متوسط برقرار است. در این حالت، مسافت آزاد میانگین تقریبا برابر قطر لوله خواهد بود.

مولکول‌های گاز در جریان ویسکوز در جهت ماکروسکوپی جریان گاز حرکت می‌کنند. در این حالت، تراکم ذرات تشکیل‌دهنده گاز بسیار بالا و برخورد ذرات با یکدیگر بسیار بیشتر از برخورد آن‌ها به دیواره‌های لوله یا محفظه است. در مقابل، در جریان مولکولی، ذرات تشکیل‌دهنده گاز بیشتر با دیواره‌ها برخورد می‌کنند تا با ذرات دیگر. در محیطی با خلا کم، ذرات تشکیل‌دهنده گاز به طور پیوسته با یکدیگر برخورد می‌کنند، در حالی‌که در خلا فوق‌العاده بالا، ذرات بیشتر با دیواره ظرف در تماس هستند.

پمپ خلا از مهم‌ترین روش‌ های ایجاد خلا است. پمپ‌ها انواع متفاوتی دارند. در قسمت بعد ابتدا در مورد انواع پمپ‌های خلا و برخی روابط حاکم بر آن‌ها برای ایجاد خلا صحبت می‌کنیم. سپس، چگونگی ایجاد خلا با استفاده از پمپ‌ها را در حالت کلی بیان می‌کنیم. در ادامه، با انجام آزمایشی ساده، به پرسشِ چگونه خلا ایجاد کنیم به صورت عملی پاسخ می‌دهیم.

پمپ خلا و انواع آن

نخستین پاسخی که برای پرسش چگونه خلا ایجاد کنیم به ذهن می‌رسد، استفاده از انواع پمپ‌ها است. پمپ‌های خلا براساس عملکرد آن‌ها به دو دسته کلی تقسیم می‌‌شوند:

1. پمپ‌های انتقال گاز
2. پمپ‌های جذب یا جمع‌آوری گاز

فیلم آموزش نرم افزار پی دی ام اس – اصول طراحی پایپینگ پمپ با PDMS در فرادرس

کلیک کنید

پمپ‌های انتقال گاز، بدون محدودیت می‌توانند استفاده شوند، اما پمپ‌های جذب گاز، ظرفیت جذب محدودی دارند و در فاصله‌های زمانی خاصی که به فرایند ایجاد خلا بستگی دارد، باید احیا شوند. پمپ‌های انتقال گاز نیز به دو دسته کلی پمپ‌های جابجایی گاز و پمپ‌های جنبشی تقسیم می‌شوند. پمپ‌های جابجایی گاز می‌توانند در دسته پمپ‌های جابجایی مثبت گاز قرار بگیرند. این پمپ‌ها، گاز را از محفظه‌ای بسته خارج می‌کنند و به محیط بیرون منتقل می‌کنند. در مقابل، پمپ‌های جنبشی با شتاب دادن به مولکول‌های گاز در جهت مکش، به دو روش مکانیکی یا جریان بخار هدایت شده، مولکول‌های گاز را از محفظه خارج خواهند کرد.

پمپ‌های جذب یا جمع‌آوری، از طریق متراکم کردن گاز در دمایی مناسب یا از طریق جذب، گاز را روی زیرلایه‌ای فعال جذب می‌کنند. جذب شیمیایی توسط پمپ‌های جذب‌کننده انجام می‌شود که به طور مداوم و از طریق تبخیر، تصعید یا «پاشش» (Sputtering) سطوح جذب کننده خالص را تولید می‌کنند. پمپ‌های انتقال گاز و پمپ‌های جذب گاز نیز به انوع مختلفی تقسیم‌ می‌شوند. تقسیم‌بندی پمپ‌های انتقال گاز به صورت خلاصه در جدول زیر نشان داده شده است.

همچنین، پمپ‌های جذب یا جمع‌آوری گاز نیز با انواع زیر تقسیم می‌شوند:

• پمپ‌های جذب‌کننده
• پمپ‌های جذب‌کننده انبوه
• پمپ‌های تبخیری تصعیدی
• پمپ جذب‌کننده یونی
• «پمپ‌های کرایوژنیک» (Cyro Pumps)
• پمپ‌های کندانسور

نرخ یا سرعت مکش پمپ با استفاده از رابطه زیر به‌دست می‌آید:

$$S_0 = \frac{\text{d} V }{\text{d} t}$$

نرخ مکش یا «دبی حجمی متوسط» (Mean Volume Flow) جریان گازی است که از مقطع ورودی پمپ خلا عبور می کند. این مقدار به طور معمول با واحد مترمکعب بر ثانیه ($$\frac { m ^ 3 } { s }$$) یا لیتر بر ثانیه ($$\frac { Litre } { s }$$) بیان می شود. دبی حجمی متوسط پمپ‌های خلا یکی از پارامترهای مهم و تعیین‌کننده مشخصات فنی پمپ است. این کمیت، نشان‌دهنده توانایی پمپ در مقدار گاز خروجی از محفظه است. در نمودارها، دبی حجمی متوسط یا نرخ مکش روی محور عمودی و فشار داخلی محفظه روی محور افقی نشان داده می‌شوند. همچنین، به مقدار گازی که پمپ می‌تواند در فشار داده شده از محفظه خارج کند، توان پمپ می‌گوییم.