Bilimsel ultra yüksek vakum nasıl elde edilir
Süpürme söz konusu olduğunda, herkese yabancı değil. Basit günlük enayi kancalarından karmaşık ve büyük ölçekli bilimsel ekipmanlara; hacamat kadar küçük ve geniş kozmik alan kadar büyük, bir boşluktan ayrılamaz. Bugün size bilimsel olarak nasıl bir vakum elde edeceğinizi anlatacağız.
Tanım açısından, standart atmosfer basıncının (105Pa) altındaki gaz durumuna vakum diyoruz. Kendi gücümüzle bir boşluk elde edebilir miyiz?
Her gün vakum alın
İşte basit bir yol. Bir bardak alıp ağzı nemlendirebiliriz. Sonra yorganı ağzınıza koyun ve sert bir nefes alın, bardağın ağzınıza emilebileceğini göreceksiniz. Bu sırada bardağın içi sert bir vakum ortamına ulaşmıştır. Bu vakum ne kadar büyük? Aslında büyük değil.
Akciğerlerimizin genişlemesiyle nefes alıyoruz, elimizden geldiğince sert nefes aldığımızda, akciğerler atmosfer basıncının% 4'ü olan 4kPa'ya kadar basınç farkı sağlayabilir. Bu nedenle, atmosferik basıncın% 96'sı kadar bir vakum elde etmek için zor nefes alabiliriz.
Ancak uzun süre bu deneyi yapmamanızı öneririm, uzun süre denedim ve sonra ağzım böyle oldu.
Ayrıca, yerel tıkanıklığa neden olmak için tanktaki vakumu kullanan hacamat gibi hayatta vakum elde etmenin birçok yolu vardır. Ayrıca vakumlu saklama torbaları, tuvalet pompaları, vakum kancaları vb. Ancak bu yöntemler, bilimsel araştırmalar için yeterli olmaktan çok uzak olan çok kaba bir vakum elde edebilir.
Birçok bilimsel deneyde, hava molekülü biraz "nefret" tir. Her yerde ve yaygındır, çeşitli yerlerde yapılan deneylerin sonuçlarına müdahale eder. Bu nedenle, yüksek vakum çoğu bilimsel ekipman için bir ön koşuldur.
Bilim bir boşluk alır
Bilimsel araştırmada, bilimsel olarak bir boşluk nasıl elde edilir?
Bilimsel ekipmanlarda genellikle geçeriz Vakum pompası Yüksek vakum elde etmek için. En basit vakum pompası mekanik bir pompadır, prensip küçük bir silindirinkiyle aynıdır. Sadece rotoru döndürür, havayı emme portundan emer ve ardından çıkıştan boşaltır. Mekanik pompanın ulaşabileceği vakum derecesi, atmosfer basıncının yüz binde biri olan yaklaşık 1 Pa'dır.
Tabii ki, bu vakum derecesi, birçok fiziksel deneyin gerekliliğinden uzaktır. Şu anda başka bir "pompa" liderini davet etmeliyiz, Moleküler pompa . Moleküler pompalar, hava moleküllerine boşluktan çıkarılacak ek bir yön hızı sağlamak için birbirleriyle işbirliği yapmak için yüksek hızlı dönen hareketli bıçaklar ve sabit sabit bıçaklar kullanır. Yaygın bir deneysel moleküler pompanın tam hızı, saniyede 1500 devir olan 1500 Hz'ye ulaşabilir. Bir aero motorun dönüş hızının 500Hz'den daha yüksek olmayacağı bilinmelidir ki bu da moleküler pompanın pompalama kapasitesinin çok güçlü olduğunu göstermektedir.
Bu nedenle, moleküler pompaların kullanılması, yaklaşık 10-6Pa'lık bir vakum, yani bir atmosfer basıncının yüz milyarda biri kadar bir vakum elde edebilir.
Bununla birlikte, moleküler pompanın yüksek hızı onu çok "kırılgan" hale getirir. Bir toz parçacığı veya hatta gazın kendisi çalışan fana çok büyük zarar verebilir. Bu nedenle, moleküler pompa yalnızca belirli bir vakum derecesine sahip bir boşluğu pompalamak için kullanılabilir ve gazın bıçaklara zarar vermesini önlemek için hava çıkışı iyi bir vakum derecesine sahip olmalıdır. Aldığımız yöntem, genellikle kullanılan moleküler pompaya bir ön pompa bağlamaktır. Mekanik pompa . Moleküler pompa, yalnızca boşluktaki vakum derecesi mekanik bir pompa ile 10 Pa'nın altına pompalandığında çalıştırılabilir. Ve moleküler pompa başlangıç durumunda olduğu sürece, ön kademe mekanik pompa sürekli olarak çalışmayı sürdürmelidir. Başlatma ve kapatma prosedürlere kesinlikle uymalıdır, aksi takdirde "makinenin hasar görmesine ve pompanın ölümüne" neden olabilir.
Artık vakum derecesini 10-6Pa'ya düşürdüğümüze göre, vakum derecesinin düşmeye devam etmediğini görüyoruz. Ancak bu, moleküler pompa sınırına ulaşmadı. Boşluğun iç duvarı çok fazla hava molekülünü adsorbe ettiği için vakum derecesi düşmeye devam edemez.Bu vakum derecesi altında, moleküler pompanın pompalama hızı ile dengelenen sürekli olarak sönmeye başlar. Dolayısıyla iç duvarda emilen gazı azaltmak için tüm ekipmanı ısıtacağız. Yüksek sıcaklıklarda, iç duvar daha hızlı iner ve emilen gaz mümkün olduğu kadar uzaklaştırılabilir.
Birkaç gün pişirip sıcaklığı düşürdükten sonra, vakum derecesinin 10-7Pa mertebesine ulaştığını göreceğiz. Bu son mu? Hayır, boşluğu artırmaya devam etmek için hala yollarımız var.
Bu sırada boşluk içindeki hava zaten çok incedir ve mekanik yollarla vakum derecesini arttırmak zordur. Burada diğer iki ağabey hakkında net olmanız gerekiyor: Adsorpsiyon pompası ile İyon pompası . Hem mekanik pompalar hem de moleküler pompalar, boşluğun içindeki havayı dışarıya pompalayarak vakum sağlar. Adsorpsiyon pompası ve iyon pompası bunlardan farklıdır, bu pompaların her ikisi de gaz adsorpsiyonu ile boşluktaki serbest hava moleküllerini azaltır. Prensip olarak, hava boşluktan dışarı çıkmadı, ancak kısıtlandı. Bu nedenle, bu iki pompanın emiş kapasitesinin doymasını önlemek için genellikle moleküler pompaları çalıştırmadan önce yüksek vakuma ulaşmak için kullanıyoruz.
Adsorpsiyon pompasının prensibi nispeten basittir Aktif karbon veya aktif metal genellikle boşluktaki hava moleküllerini adsorbe etmek için kullanılır. İyon pompası havayı yüksek voltajlı deşarj yoluyla iyonize eder ve daha sonra iyonize hava, elektrik ve manyetik alanların hareketi yoluyla metalik titanyumdan yapılmış katot plakasına adsorbe edilir. Bu ikisinin yardımıyla, atmosfer basıncının trilyonda biri olan 10-9Pa'lık bir boşluğa ulaşabiliriz. Bu, çoğu bilimsel deneyin gereksinimlerini karşılamak için yeterli olan ultra yüksek vakum kategorisine ulaşmıştır.
Bununla birlikte, bu kadar yüksek bir vakumla bile, bir litre uzayda hala 300 milyon hava molekülü vardır ve bu evrendeki boşluk bundan çok uzaktır. Bu nedenle, insan ultra yüksek vakum teknolojisinin daha önünde uzun bir yolu var.
Tüm resimler internetten.
Fizik Enstitüsü öğretmenlerinden ve öğrencilerinden orijinal katkılar
Yazar: Li Hang
İncelemeci: Qian Tian
Enstitüdeki öğretmenler ve öğrenciler, "Fizik Enstitüsünün Çevrimiçi Ofis Platformu" aracılığıyla makale gönderebilirler! Yöntem şu şekildedir: "ofis platformu" "çalışma salonu" "Genel Ofis İşleri" "Bilim Makalesi Gönderme" şeklinde oturum açın.
Düzenleme: fengyao
Görüntülemek için başlığa tıklayın
1. Fizik yasaları size şunu söylüyor: İtiraf çok büyük bir kayıp olabilir ve ayrıldıktan sonra kan kazanmanız gerekir
2. Şok! Dün diktiğiniz süpürge NASA'yı gerçekten endişelendirdi
3. Alkol ve 84 dezenfektan birlikte kullanılabilir mi?
4. Tek kullanımlık tıbbi maskeler nasıl yapılır? Nasıl dezenfekte edilir?
5. Matematik eğlencelidir Bu dev takım, matematik ve fen alanlarında bir grup doktorla birlikte sahayı taradı.
6. "Sıcaklık ölçme tabancası" sıcaklığınızı nasıl ölçer?
7. 0 derece su ile 100 derece su karıştırılarak 50 derece su elde edilebilir mi?
8. İnsanlar neden öpüşmeyi sever?
9. Virüs nereden geliyor?
10. İlk görüşte aşk güvenilir midir?
