تخلية
تقانة التخلية vacuum technology هي الحصول على خلاء في إناء مغلق وذلك بالتخلص من الهواء فيه، وقد بدأ الاهتمام بذلك حين تبينت ضرورة وجود الهواء لانتنطق الصوت. كما جرى تفريغ الهواء من أداة على شكل نصفي كرة قابلين للفصل فصعب فصلهما بعد التخلية بسبب تأثير الضغط الجوي على النصفين من الخارج فقط. تعددت بعد ذلك تطبيقات هذه التقانة لتدخل في تأثير التخلص من مكونات الجوالغازية والغازات على التفاعلات الفيزيائية أوالكيمياوية مثل الامتزاز أوالأكسدة. ودخلت هذه التقانة الصناعة لأول مرة قرابة عام 1900 في تصنيع المصابيح الضوئية الكهربائية لإطالة عمرها ومنع احتراقها، تبع ذلك استعمالها للعزل الحراري عند صناعة الأوعية الحافظة للحرارة vacuum flask لحفظ السوائل في درجة حرارة ثابتة. حيث يخلى فيه الحيّز بين طبقتين زجاجيتين من الهواء، لمنع انتنطق الحرارة بالحمل بين الطبقتين. كما صنعت الصمامات الإلكترونية (الأنبوب الالكتروني) المُخْلاة حتى تمنع إعاقة حركة الإلكترونات عند انتنطقها بين المصعد والمهبط والذي يعد أنبوب التلفاز نموذجاً مكبراً لها. وقد أخذت هذه التقانة دفعاً قوياً مع بداية خمسينات القرن العشرين عندما استخدمت في المسرعات والطاقة النووية، وكذلك عند استعمالها للإقلال من التلوث في الصناعات الإلكترونية الدقيقة. ودخلت أخيراً صناعة الفضاء وتقليد ما يحدث فيه.
استفادت هذه التقانة، كأي تقانة أخرى، من التأثير المتبادل بين التطورات الفهمية وأدوات التقانة سواء من حيث تحسين المُخْليات (مضخات التخلية) وتنوعها أومن حيث مقاييس الخلاء والأجهزة المستعملة للقياس. كما استحدثت وحدات خاصة للتعبير عن جودة الخلاء أهمها التور Torr الذي يساوي الضغط الناتج عن عمود من الزئبق ارتفاعه 1mm مشتقة من التعبير عن الضغط الجوي النظامي بارتفاع عمود من الزئبق قدره 760mm، وما تزال هذه الوحدة مستخدمة مع اعتماد الباسكال، منذ عام 1971 في الجملة الدولية مكانه والذي يساوي 7.5×10-3 torr.
المُخليات (مضخات التخلية)
تعد المضخة الزيتية الدوارة rotary pump أكثر المضخات استعمالاً في هذه التقانة، لكنها لا يمكن حتى تؤدي إلى خلاء أفضل من 5×10-3 torr. وهي تتألف من أسطوانة تدور حول محور غير محورها بحيث يدفع الغاز الداخل من فتحة أولى ليخرج من فتحة ثانية في أثناء دوران نقطة التماس على السطح الداخلي لأسطوانة ثانية (الشكل-1)، تدعم جميع فتحة عادة بصمام وحيد الاتجاه. تصنع المضخات عادة بحجوم وسعات مختلفة وتناقص سرعة إنجاز التخلية عموماً حدثا اقتربنا من الحدود الدنيا، وقد تستعمل مضخات ذات مكبس مماثلة للمضخة اليدوية البسيطة. وتستعمل هذه المضخات في صناعة تغليف الأغذية وفي المثفلات وفي المختبرات الفهمية كمُخلّية أولية.
تأتي المضخة الإنتثارية diffusion pump في الدرجة الثانية من حيث الاستعمال وهي بحاجة في عملها لمضخة دوارة. فهي تعمل على مبدأ انجرار الذرات مع ذرات حارة متوجهة من أعلى المضخة لتتكاثف في أسفلها (الشكل-2) وتعمل هذه المخليات بكفاية ما بين 10-3torr و10-9torr. وهذه أيضاً تصنع بسعات مختلفة.
المضخة التوربينية turbo pump وتعتمد للحصول على خلاءٍ كافٍ اختلاف الضغط وانخفاضه عند مركز دوامة هوائية. ويمكن لهذه المضخة حتى تعمل بدءاً من الضغط الجوي حتى خلاء يقابل قرابة 10-7torr، وهي لا بحاجة إلى مضخة دوارة للقيام بالتخلية، كما أنها أنظف من المضخة الانتثارية فهي لا تستعمل زيتاً يعد بخاره ملوِثاً.
المضخة الادمصاصية sorption pump وتعتمد قدرة امتصاص سطوح بعض المواد للغازات، لذلك فهي تتعلق بكمية المادة الفعالة وإمكانية الاستفادة المتكررة منها، إذ يمكن طرد الغاز المدمص في السطح بالتسخين ومن ثم يمكن استعمال المادة مرة بعد مرة. وتتميز بعدم وجود أجزاء متحركة فيها وبأنه يمكن استعمالها على التتابع لتصل إلى خلاء ما بين 10-2torr و10-3torr.
مضخة التبريد المفرط cryo pump تستفيد هذه المضخة من كون أحد سطوحها في درجة حرارة منخفضة جداً بحيث يتكاثف الغاز عليه ويسيل فيمكن إخراجه من الحيز المُخلّى. وتعمل بصورة جيدة في المجال الواقع بين 10-3torr و10-10torr وتستعمل عادة غاز الهليوم لتبريد السطح حتى درجة حرارة تقارب 15k، لكن يمكن حتى تستعمل الهليوم المائع أحياناً في الدرجة 4.2k وقد تضاف مصائد باردة إلى أنظمة الضخ الأخرى تعمل وفق المبدأ نفسه.
مضخة التصعيد sublimation pump تعمل في المجال بين 10-3torr و10-11torr وتستعمل التيتانيوم في عملية التصعيد وهويتفاعل مع الغازات الفعالة كيمياوياً من دون الغازات الخاملة.
في الكهرومغناطيسية
في ميكانيكا الكم
- لمزيد من التفاصيل عن هذا الموضوع، انظر QED vacuum, QCD vacuum, Vacuum state.
الفضاء الخارجي
التفسير التاريخي
المقياس
الضغط (تورّ) | الضغط (Pa) | |
---|---|---|
ضغط جوي | 760 | 101.3 kPa |
فراغ منخفض | 760 إلى 25 | 100 kPa إلى ثلاثة kPa |
فراغ متوسط | 25 to 1×10−3 | 3 kPa إلى 100 mPa |
فراغ عالي | 1×10−3 إلى 1×10−9 | 100 mPa إلى 100 nPa |
Ultra high vacuum | 1×10−9 إلى 1×10−12 | 100 nPa إلى 100 pPa |
Extremely high vacuum | <1×10−12 | <100 pPa |
الفضاء الخارجي | 1×10−6 إلى <3×10−17 | 100 µPa إلى <3fPa |
فراغ مثالي | 0 | 0 Pa |
تطورت هذه المقاييس في تعقيدها مع تحسن إمكان الحصول على خلاء عالٍ. ويعد مقياس مكليود Mcleod أول المقاييس التي تعتمد على ضغط الغاز المأخوذ من الحجرة المراد قياس الخلاء فيها ثم قياسه واستخلاصه اعتماداً على قانون الغازات العام، لذلك يسمى بالمقياس المطلق، وهويستخدم لمعايرة المقاييس الأخرى. ومن المقاييس غير المباشرة هناك المقاييس المعتمدة على الناقلية الحرارية للغاز المتبقي مما يجعل درجة حرارة سلك مسخن تثبت عند درجة حرارة معينة. وبقياس درجة حرارة هذا السلك بوساطة مزدوجة كهرحرارية يمكن حساب ضغط الغاز. وقد تستنتج درجة حرارة السلك اعتماداً على تغير مقاومته ويدعى مقياس بيراني Pirani وتغطي مثل هذه المقاييس المجال بين 100torr و10-4torr.
أما النوع الثاني من المقاييس غير المباشرة والتي بحاجة إلى معايرة عادة، المقاييس التي تعتمد على تأين (تشرد) الغاز المتبقي نتيجة تصادم الإلكترونات بذرات الغاز ولابد لهذه الإلكترونات من حتى تسرع كي تستطيع التأيين، كما يعتمد احتمال تصادمها على طول المسار الحر، لذلك يوضع مغناطيس لهذا الغرض فيجعل مسار الإلكترونات حلزونياً عوضاً عن حتىقد يكون مستقيماً. يدعى هذا المقياس مقياس Penning ويمكن حتى يقيس خلاء يصل إلى 10-7torr.
يستعمل المقياس السابق الإلكترونات الموجودة بصورة طبيعية في أي غاز فيحتاج الحصول على تيارات مناسبة إلى كمون تسريع يصل إلى 2kv لكن يوجد نوع آخر من المقاييس يعتمد على الإلكترونات الصادرة عن سلك مسخن وهذه تكمن عادة، إضافة إلى ما موجود بصورة طبيعية وتفوقها، لذلك يمكن الوصول إلى تيارات أيونية مناسبة بسهولة أكبر وهي تعمل في عدة مجالات من الخلاء اعتماداً على ذلك، فيمكن حتىقد يكون المجال مثلاً ما بين 10-2torr و10-7torr كما يمكن التحكم بهندسة السلك والمجمع لتصبح قادرة على قياس خلاء يصل إلى 10-11torrكما في مقياس بيرد ـ ألبرت Bayard-Albert.
القياس النسبي لقاء المطلق
قياسات الفراغ بالنسبة إلى 1 ض.ج.
الإستخدامات
مكَّن الحصول على خلاء عال في الفيزياء والكيمياء من دراسة ظواهر جديدة لم تكن لتظهر لولا وجود الخلاء، مثل قياس طاقة الامتزاز على السطوح وترابطها معها، كما حتى تطوير المجهر الإلكتروني اعتمد على جودة الخلاء من خلال إمكانية تسريع الإلكترونات لتصل إلى طاقات عالية، إذ يعتمد الوصول إلى طاقات عالية على عدم تصادم الإلكترون المسرع ولمسافة طويلة مع ذرات أوجسيمات أخرى، وهذا يتحقق في الخلاء العالي. ففي حين يحتوي السنتمتر المكعب من الهواء تحت الضغط الجوي النظامي وفي درجة الحرارة العادية قرابة 2 × 1910 جُزيئة، فإن هذا العدد سينخفض بمقدار مليون مرة أوأكثر حسب جودة الخلاء، ومن ثم فإن احتمال التصادم سيقل بهذا القدر. وما ينطبق على الإلكترونات ينطبق على الذرات المبخّرة في عملية التغشية (التلبيس) تحت الخلاء التي تستعمل في تغشية العدسات والعناصر الضوئية المتنوعة. وتأتي صناعة التغشية بعد صناعة الصمامات والمصابيح من حيث الأهمية التجارية. ويستخدم المبدأ نفسه للإقلال من ضياع حزم الجسيمات في المسرعات الضخمة المستعملة في الفيزياء النووية وفيزياء الجسيمات التي تقلد ما يحدث داخل النجوم سواء من حيث تطورها أومن حيث طاقة أشعتها التي تصلنا إلى الأرض كاشفة لنا ماهية مصدرها وما تعانيه خلال سيرها حتى تصل الأرض. ولم يستطع الإنسان الوصول إلى خلاء يقارب الخلاء بين النجوم إلا حديثاً. فأمكنه تفسير بعض الظواهر الفيزيائية الفلكية. وتستعمل التخلية عند الضخ على سائل ما لتبريد هذا السائل. إذا بخار السائل هوجسيمات ذات طاقة عالية بالمقارنة مع جسيمات السائل نفسه وهي القادرة على هجر السائل لهذا السبب، لذلك عندما نخلي هذه الجسيمات فوق السائل فكأننا نخلصه من جزء الجسيمات الحارة فيبرد. وقد يستمر التبريد حتى يبدأ السائل بالتجمد، وتحدث هذه عند قيم محددة لدرجة الحرارة والضغط لذلك تستخدم عادة في المعايرة. ويكاد لا يخلومختبر من مختبرات الفيزياء أوالكيمياء من مضخة تخلية.
أما في صناعة الإلكترونيات فهي تخدم غرضاً مزدوجاً يتمثل بنظافة الجوالذي تجري فيه الصناعة والتحكم في مكونات هذا الجولإحداث تفاعلات كيمياوية محددة على سطوح الركازة التي تتوضع عليها العناصر الإلكترونية من ترانزيستورات ودارات مدمجة، خاصة عندما وصلت هذه الصناعة إلى مستوى من الدقة بحيث تؤثر في عمل الدارة وجود جسيمات من أبعاد تقل كثيراً عن الميكرومتر. وينطبق مثل هذا على أفران التعدين والصلب وتدخل مسألة التخلص من الجراثيم والهواء بصورة مباشرة في الزراعة عن طريق حفظ الأغذية تحت الخلاء، كما دخلت التخلية مجال التحكم الآلي في حمل الأمور بلطف، كما استخدمت في المكانس الكهربائية اللطيفة.
الماكينات المدارة بالفراغ
|
|
إطلاق الغازات
ضخ وضغط الهواء المحيط
التأثيرات على البشر والحيوانات
أمثلة
الضغط (پا) | الضغط (تور) | المسار الحر المتوسط | جزيء/سم³ | |
---|---|---|---|---|
Standard atmosphere, for comparison | 101.325 kPa | 760 | 66 nm | 2.5×1019 |
Vacuum cleaner | تقريباً 80 kPa | 600 | 70 nm | 1019 |
مضخة فراغية ذات حلقة سائلة | تقريباً 3.2 kPa | 24 | 1.75 μm | 1018 |
freeze drying | 100 toعشرة Pa | 1 to 0.1 | 100 μm to 1 mm | 1016 to 1015 |
rotary vane pump | 100 Pa to 100 mPa | 1 to 10−3 | 100 μm to 10 cm | 1016 to 1013 |
Incandescent light bulb | 10 to 1 Pa | 0.1 to 0.01 | 1 mm to 1 cm | 1015 to 1014 |
Thermos bottle | 1 to 0.01 Pa | 10−2 to 10−4 | 1 cm to 1 m | 1014 to 1012 |
Earth thermosphere | 1 Pa to 100 nPa | 10−2 to 10−9 | 1 cm to 100 km | 1014 to 107 |
Vacuum tube | 10 µPa toعشرة nPa | 10−7 to 10−10 | 1 to 1,000 km | 109 to 106 |
غرفة MBE بمضخة التبريد | 100 nPa to 1 nPa | 10−9 to 10−11 | 100 to 10,000 km | 107 to 105 |
الضغط على سطح القمر | approximately 1 nPa | 10−11 | 10,000 km | 4×105 |
Interplanetary space | 10 | |||
Interstellar space | 1 | |||
Intergalactic space | 10−6 |
انظر أيضاً
- Decay of the vacuum (Pair production)
- Engine vacuum
- False vacuum
- Helium mass spectrometer - technical instrumentation to detect a vacuum leak
- Joining materials
- Pneumatic tube - transport system using vacuum or pressure to move containers in tubes
- Rarefaction - reduction of a medium's density
- Suction - creation of a partial vacuum
- Vacuum angle
- Vacuum cementing - natural process of solidifying homogeneous "dust" in vacuum
- Vacuum deposition - process of depositing atoms and molecules in a sub-atmospheric pressure environment
- Vacuum engineering
- Vacuum flange
الهوامش
- ^ فوزي عوض. "التخلية (تقانة ـ)". الموسوعة العربية.
- ^ Computed using "1976 Standard Atmosphere Properties" calculator, http://www.luizmonteiro.com/StdAtm.aspx , retrieved 2012-01-28
- ^ خطأ استشهاد: وسم
<ref>
غير سليم؛ لا نص تم توفيره للمراجع المسماةchambers
-
^ Öpik, E. J. (May 1962). "The Lunar Atmosphere". Planetary and Space Science. Elsevier. 9 (5): 211–244. Bibcode:1962P&SS....9..211O. doi:10.1016/0032-0633(62)90149-6. ISSN 0032-0633. More than one of
|periodical=
and|journal=
specified (help). - ^ University of New Hampshire Experimental Space Plasma Group. "What is the Interstellar Medium". The Interstellar Medium, an online tutorial. Retrieved 2006-03-15.
مراجع عامة
- Henning Genz (2001). . Da Capo Press. ISBN .
- Luciano Boi (2011). . Johns Hopkins University Press. ISBN .
وصلات خارجية
قاموس الفهم.
- VIDEO on the nature of vacuum by Canadian astrophysicist Doctor P
- The Foundations of Vacuum Coating Technology
- American Vacuum Society
- Journal of Vacuum Science and Technology A
- Journal of Vacuum Science and Technology B
- FAQ on explosive decompression and vacuum exposure.
- Discussion of the effects on humans of exposure to hard vacuum.
- Vacuum Energy in High Energy Physics
- Vacuum, Production of Space
- "Much Ado About Nothing" by Professor John D. Barrow, Gresham College
- Free pdf copy of The Structured Vacuum - thinking about nothing by Johann Rafelski and Berndt Muller (1985) ISBN 3-87144-889-3.