Tyhjiötekniikan painealueet ja niiden ominaisuudet
Tyhjiötekniikassa on yleistä jakaa erittäin laaja käyttöpainealue (joka vaihtelee yli 16 suuruusastetta (>1016 )) erillisiin järjestelmiin. Ne on määritelty seuraavasti:
Karkea alipaine (RV) määritellään tyypillisesti alueeksi 1 000-1 mbar, kun taas keskialipaine (MV) on 1-10-3 mbaer. Korkea alipaine (HV) on 10 -3 - 10 -7 mbar, erittäin korkea alipaine (UHV) on 10 -7 - (10 -11 ) mbar ja äärimmäinen korkea alipaine (XHV tai EHV) <10 -11 mbar
| Suuri tyhjiö | Keskityhjiö | Korkea tyhjiö | Erittäin suuri alipaine | ||
| Paine | p [mbar] | 1013 – 1 | 1 – 10-3 | 10-3 - 10-7 | < 10 -7 |
| Hiukkasmäärätiheys | n [cm -3] | 1019 - 1016 | 1016 - 1013 | 1013 - 109 | < 109 |
| Keskimääräinen vapaa polku | λ [cm] | < 10 -2 | 10-2 - 10 | 10 – 105 | >105 |
| Iskunopeus | $$Z_a[{cm}^{-2}\bullet\ {s}^{-1}]$$ | 1023 - 1020 | 1020 - 1017 | 1017 - 1013 | < 1013 |
| Tilavuuteen liittyvä törmäysnopeus | $$Z_v[{cm}^{-3}\bullet\ {s}^{-1}]$$ | 1029 - 1023 | 1023 - 1017 | 1017 - 109 | < 109 |
| Yksikerrosaika | τ [s] | <10 -5 | 10-5 - 10-2 | 10-2 - 100 | >100 |
| Kaasuvirtauksen tyyppi | Viskoosisuus | Knudsen Flow | Molekyylivirtaus | Molekyylivirtaus | |
| Muita erityispiirteitä | Paineesta riippuvainen kiertoilma | Kaasun lämmönjohtavuuden merkittävä muutos | Tilavuuteen liittyvien törmäysten määrä vähenee merkittävästi | Pinnoilla olevat hiukkaset hallitsevat suurelta osin suhteessa kaasutilassa oleviin hiukkasiin |
Tämä luokitus on ISO 3529-1:2019 -standardin mukainen, mutta käytännön käyttö vaihtelee usein maittain ja käyttöalueittain. Erityisesti kemistit viittaavat joskus 100-1 mbarin spektriin, joka kiinnostaa heitä eniten, ”välityhjiöön”.
Insinöörit eivät usein puhu tyhjiöstä lainkaan, vaan viittaavat sen sijaan ”matalapaineeseen” tai ”alipaineeseen”. Tyhjiöpainejärjestelmät voidaan kuitenkin hyvin erottaa toisistaan kaasujen kineettisen käyttäytymisen ja erityisesti niiden virtaustyyppien erojen ja luokittelun perusteella. Siksi alipaineen tuottamiseen ja mittaamiseen käytettävät tekniikat vaihtelevat merkittävästi.
Ilmakehän lämpötila
Kaikki maapallon tyhjiöjärjestelmät sisältävät ilmaa ennen tyhjentämistä ja ovat lähes aina ilman ympäröimiä käytön aikana. Ilmakehän fysikaalisten ja kemiallisten ominaisuuksien tunteminen on siksi ratkaisevan tärkeää.
Maan ilmakehä koostuu monista kaasuista ja vesihöyrystä maan pinnalla. Ilmakehän aiheuttama paine on määritelmän mukaan suhteessa merenpinnan tasoon. Normaali ilmanpaine on 1013,25 mbar (vastaa aiemmin käytettyä mittayksikköä ”atmosphere”) lämpötilassa 0oC. Taulukossa VIII esitetään vakioilmakehän koostumus suhteellisessa kosteudessa 50 %, mutta lämpötilassa 68 °F tai 20 °C.
| % painosta | Tilavuus-% | Osapaine mbar | |
| N2 | 75,51 | 78,1 | 792 |
| 02 | 23,01 | 20,93 | 212 |
| Ar | 1,29 | 0,93 | 9,47 |
| CO2 | 0,04 | 0,03 | 0,31 |
| Ei | $$1,2\bullet {10}^{-3}$$ | $${1.8}\bullet{{10}^{-3}}$$ | $${1.9}\bullet{{10}^{-2}}$$ |
| Hän | $$7 \bullet{10}^{-5}$$ | $${7}\bullet{{10}^{-5}}$$ | $${5.3}\bullet{{10}^{-3}}$$ |
| CH4 | $${2}\bullet {{10}^{-4}}$$ | $${2}\bullet{{10}^{-4}}$$ | $${2}\bullet{{10}^{-3}}$$ |
| Kr | $${3}\bullet{{10}^{-4}}$$ | $${1.1}\bullet{{10}^{-4}}$$ | $${1.1}\bullet{{10}^{-3}}$$ |
| N2O | $${6}\bullet{{10}^{-5}}$$ | $${5}\bullet{{10}^{-5}}$$ | $${5}\bullet{{10}^{-4}}$$ |
| H2 | $${5}\bullet{{10}^{-6}}$$ | $${5}\bullet{{10}^{-5}}$$ | $${5}\bullet{{10}^{-4}}$$ |
| Xe | $${4}\bullet{{10}^{-5}}$$ | $${8.7}\bullet{{10}^{-6}}$$ | $${9}\bullet{{10}^{-5}}$$ |
| O3 | $${9}\bullet{{10}^{-6}}$$ | $${7}\bullet{{10}^{-6}}$$ | $${7}\bullet{{10}^{-5}}$$ |
| Σ 100 % | Σ 100 % | Σ 1013 | |
| 50 % RH 20 °C:ssa | 1,6 | 1,15 | 11,7 |
| Kelvin | Celsius | Réaumur | Fahrenheit | Rankine | |
| Kiehumispiste H2 O | 373 | 100 | <80 | 212 | 672 |
| Kehon lämpötila 37 °C | 310 | 37 | 30 | 99 | 559 |
| Ympäristön lämpötila-alue | 293 | 20 | 16 | 68 | 527 |
| Jäätymispiste H2 O | 273 | 0 | 0 | 32 | 492 |
| NaCl/H2 O 50:50 | 255 | -18 | -14 | 0 | 460 |
| Jäätymispiste Hg | 34 | -39 | -31 | -39 | 422 |
| CO2 (kuivajää) | 195 | -78 | -63 | -109 | 352 |
| Kiehumispiste LN2 | 77 | -196 | -157 | -321 | 170 |
| Absoluuttinen nollapiste | 0 | -273 | -219 | -460 | 0 |
| Muuntaminen | K Kelvin | °C Celsius | °R Réaumur | °F Fahrenheit | °R Rankine |
| K Kelvin | 1 | K-273 | $$\frac{4}{5}{(K – 273)}$$ | $$\frac{9}{5}{(K – 273)+{32}}$$ | $$\frac{9}{5}K\ =\ 1,8\ K$$ |
| °C Celsius | °C + 273 | 1 | $$\frac{4}{5}\bullet{°C}$$ | $$\frac{9}{5}\bullet{°C}+(32)$$ | $$\frac{9}{5}{(°C+273)}$$ |
| °C Réaumur | $$\frac{5}{4}\bullet{°R+273}$$ | $$\frac{5}{4}\bullet{°R}$$ | 1 | $$\frac{9}{4}\bullet{°R+32}$$ | $$\frac{5}{9}[\frac{5}{4}\bullet{(°R+273)}]$$ |
| °F Fahrenheit | $$\frac{5}{9}{(°F-32)+273}$$ | $$\frac{5}{9}{(°F-32)}$$ | $$\frac{4}{9}{(°F-32)}$$ | 1 | °F + 460 |
| °R Rankine | $$\frac{5}{9}{(°R)}$$ | $$\frac{5}{9}{(°R-273)}$$ | $$\frac{4}{5}[\frac{5}{9}{(°R-273)]}$$ | °R – 460 | 1 |
Erityisesti tyhjiötekniikoiden osalta on huomioitava seuraavat seikat ilman koostumuksen osalta:
a) Tyhjiöjärjestelmää tyhjennettäessä vesihöyryllä on merkittävä vaikutus ilman suhteelliseen kosteuteen.
b) Inertit ilmakehän kaasut, kuten helium, neon, argon ja krypton, edellyttävät erityisiä pumppauskokoonpanoja erityisesti talteenottopumpuille.
c) Huolimatta erittäin alhaisesta heliumpitoisuudesta, joka on vain noin 5 ppm (miljoonasosaa), tämä inertti kaasu on erityisen havaittavissa UHV- ja XHV-järjestelmissä, jotka on tiivistetty fluorielastomeereillä ja/tai jotka sisältävät lasi- tai kvartsikomponentteja. Tämä johtuu heliumin suuresta läpäisevyysvakiosta, joka voi tehokkaasti tunkeutua näihin materiaaleihin jossain määrin, ja tämä koskee jopa itse metallikammiomateriaalia.
Ilmanpaine laskee, kun korkeus maan pinnasta kasvaa (katso kuva 9,3). Korkeajännitettä esiintyy 100 km:n korkeudella, kun taas yli 400 km:n korkeudella esiintyy UHV-olosuhteita. Ilmakehän kaasukoostumus (prosentteina) muuttuu merkittävästi korkeuden kasvaessa. (katso kuva 9,4).
Paineyksiköt ja niiden määritelmät
Paine p (mbar)
Kaasunpaine. (Määrä: paine; symboli: p; mitta: pascal; Pa (tai hPa) pascal tai millibar; lyhenne: mbar.) Paine on voima, joka kohdistuu kohtisuoraan esineen pintaan pinta-alayksikköä kohti.
Myös muita paineyksiköitä käytetään, mukaan lukien Torr ja mmHg. Kaasunpaine, joka voi nostaa elohopeapylvästä 1 mm lämpötilassa 32 °F (0 °C), on 1 Torr = 1 mmHg.
Paineen SI-yksikkö on Pa, jossa 1 Pa = 1 Nm -2.
Vakioilmanpaineelle (0o C)
1,013,25 mbar = 1013,25 hPa = 101,325 Pa = 760 Torr = 760 mmHg.
Painetta p kutsutaan yleisesti jäljempänä
Absoluuttinen paine pabs
Absoluuttinen paine (p abs ) on edellä määritetty paine. Tyhjiötekniikan sovelluksissa ”abs”-indeksi jätetään yleensä pois.
Kokonaispaine pt
Tyhjiön kokonaispaine määritellään Daltonin lain mukaan osittaisten paineiden summana.
Osapaine pi
Osapaine on yksittäisten kaasu- tai höyrylajien aiheuttama paine.
Huomautus: Joissakin käyttötapauksissa ”osapaine” määritellään ei-kondensoituvien kaasujen paineiden summana.
Kyllästyshöyryn paine ps
Kyllästynyt höyrynpaine pson aineen paine, jossa haihtumisnopeus sen pinnalta = uudelleenlauhtumisnopeus. Se vaihtelee suuresti lämpötilan muuttuessa. Huomautus yleisessä käytössä Kyllästettyä höyrynpainetta kutsutaan usein yksinkertaisesti höyrynpaineeksi. Tämä eroaa toisesta termistä, joka liittyy kaasun/höyryn olosuhteisiin nestemäisen typen (LN2 ) lämpötilassa; pd, jota kutsutaan joskus myös höyrynpaineeksi, jossa pd on höyryn osapaine, jonka LN2 pystyy nesteyttämään LN2:n (77K) lämpötilassa;
Vakiopaine pn
Ilmakehän vakiopaineen (0o C) ISO-määritelmä on sellainen, että
1,013,25 mbar = 1013,25 hPa = 101,325 Pa = 760 Torr = 760 mmHg.
Loppupaine odottaa
Loppupaine p end on pienin paine, joka voidaan saavuttaa tyhjiösäiliössä. Sitä kutsutaan myös ääri- tai peruspaineeksi. Loppupaine määräytyy tyhjiöjärjestelmän kaasu- ja höyrykuormien, mukaan lukien kaasunpoisto, prosessikuormat, vuodot, läpäisy ja takaisinvirtaus, summasta verrattuna käytettävien pumppujen tehollisiin pumppausnopeuksiin. Huomaa, että joissakin tapauksissa tätä voivat rajoittaa myös pumpun tehottomuudet, kuten turbomolekyylipumppujen puristussuhteet.
Ympäröivä paine pamb
tai (absoluuttinen) ilmanpaine
Ylipaine pe tai mittaripaine
("ylijäämän" indeksimerkki) pe = p abs - p amb
$$p_e=p_{abs}-p_{amb}$$
Tässä pe:n positiiviset arvot ilmaisevat ylipainetta tai painemittarin painetta; negatiiviset arvot kuvaavat alipainetta.
Käyttöpaine pw
Kaasu ja/tai höyryt poistetaan astiasta tyhjiötyhjennyksen aikana. Kaasumaisessa tilassaan (tai vaiheessaan) kaasumolekyylit eivät tiivisty paikallisessa/käyttölämpötilassa. Höyry on myös kaasumainen aine, jonka lämpötila on sen kriittisen lämpötilan alapuolella. Tämä tarkoittaa, että se voidaan nesteyttää nykyisessä lämpötilassaan lisäämällä painetta. Kyllästetyt höyryt ovat kaasuja, jotka ovat tietyssä lämpötilassa tasapainossa saman aineen nestevaiheen kanssa.
| Yksikkö | N · m -2, Pa 2) | mbar | bar | Kuiva |
| 1N · m -2 (=1 Pa) | 1 | 1 · 10-2 | 1 · 10-5 | 7,5 · 10-3 |
| 1 mbar | 100 | 1 | 1 · 10-3 | 0,75 |
| 1 bar | 1 · 105 | 1 · 103 | 1 | 750 |
| 1 Torr 3) | 133 | 1,33 | 1,33 · 10-3 | 1 |
REFERENSSIT
Alipainesanasto
Tiedätkö, mitä lakisääteisiä yksiköitä tyhjiötekniikassa käytetään? Tutustu sanastoomme ja löydä yksityiskohtainen yleiskatsaus kaikista muuttujista, mittayksiköistä ja symboleista tyhjiötekniikassa.
Tyhjiösymbolit
Täältä saat yleiskuvan alalla yleisesti käytetyistä tyhjiösymboleista. Täältä löydät alipainepumppuja, lisävarusteita, mittareita ja paljon muuta kuvaavia symboleja.
Lähteet ja viitteet
Haluatko laajentaa osaamistasi entisestään?
Tästä osiosta löydät kaiken materiaalin, jota käytetään Edwards Vacuum -wikin kehittämiseen.