Tyhjiötekniikka

thumb|Avaruustutkimuksessa käytettävä suuri tyhjiökammio. Tyhjiötekniikka (myös: tyhjötekniikka, vakuumitekniikka) tarkoittaa niitä menetelmiä, joilla muodostetaan, ylläpidetään ja tutkitaan tyhjiöitä. Tyhjiölaitteistossa pienennetään ilmatiiviin kammion painetta tyhjiöpumpulla tai -pumpuilla. Tyhjiön muodostumista seurataan painemittarien avulla. Tyhjiöitä hyödynnetään laajasti teollisuudessa ja tieteellisessä tutkimuksessa.

Tyhjiöt ja niiden käyttö

Tyhjiö on tila, jossa on vähemmän kaasumaisia atomeja ja molekyylejä kuin vastaavassa tilavuudessa tilan ulkopuolella. Tyhjiön paine on siis pienempi kuin ilmanpaine. Tyhjiötekniikassa käytetään paineen yksikköjä pascal (Pa), millibaari (mbar) sekä torri (Torr) eli elohopeamillimetri (mmHg). Yksi pascal on 0,01 millibaaria ja noin 0,0075 torria. Normaali-ilmanpaine on 101 325 Pa eli noin 1013 mbar ja 760 Torr. Laboratoriolaitteilla saavutettavat tyhjiöt jaetaan usein paineen perusteella seuraaviin alueisiinKalevi Valli 1986, s. 20. Teoksessa Tyhjiötekniikka.:

karkeatyhjiö välityhjiö suurtyhjiö hyvä suurtyhjiö ultratyhjiö hyvä ultratyhjiö105–102 Pa 102–10−1 Pa 10−1–10−4 Pa 10−4–10−7 Pa 10−7–10−10 Pa 10−10 Pa –

Ultratyhjiön ja karkeatyhjiön välillä on siis vähintään miljardikertainen paine-ero. Maan päällä ei luonnostaan esiinny kuin karkeatyhjiöitä. Ihminen synnyttää hengittäessään 740 torrin paineen ja imemällä on mahdollista saavuttaa 300 torria (40 kPa). Mustekala voi muodostaa noin 100 torrin paineen. Ilmakehässä suurtyhjiö alkaa ionosfäärissä noin 90 kilometrin korkeudessa. Tuhannen kilometrin korkeudessa paine on suuruusluokkaa 10−8 Pa ja kymmenessätuhannessa kilometrissä 10−11 Pa.Roth 1983, s. 5. Tähtienvälisessä aineessa molekyylit ovat vielä paljon harvemmassa ja paine voi olla alle 10−15 Pa.

thumb|Hehkulampussa tyhjiötä tarvitaan hehkulangan suojaamiseksi hapettumiselta. Tyhjiöillä on erilaisia fysikaalisia etuja, joita hyödynnetään sovelluksissaRoth 1983, s. 6–10.: Ilmanpaineen tyhjiöön kohdistamaa voimaa voidaan käyttää esineiden paikallaan pitämiseen ja nostamiseen kuten imukupeissa. Paine-eroa hyödynnetään myös siirtämiseen muun muassa putkipostissa, imusuodatuksessa ja imureissa. Tavanomaiset pölynimurit pystyvät synnyttämään 600 torrin paineen. Lisäksi paine-eroa käytetään muovien muotoiluun.

Yksi hyödyllinen tyhjiöiden ominaisuus on ilman kemiallisesti aktiivisten kaasujen hapen ja vesihöyryn vähäisyys. Hehkulampussa on oltava tyhjiö tai tyhjiöityyn lamppuun on lisättävä jalokaasua, jotta hehkulanka ei palaisi poikki korkeassa lämpötilassa. Metallurgiassa tyhjiöiden avulla estetään reaktiivisten metallien hapettuminen sulattamisessa, valamisessa ja sintrauksessa. Elintarvikkeiden säilymistä parantavissa tyhjiöpakkauksissa käytetään yleensä karkeatyhjiötä. Herkkiä laitteita, kuten transistoreita ja kondensaattoreita, saatetaan koteloida suurtyhjiöalueessa.

Kaasujen poistamiseen tyhjiöitä käytetään elintarvikkeiden, kemikaalien ja muiden aineiden kuivaamisessa sekä liuenneiden kaasujen esimerkiksi öljyistä erottamisessa. Pakastekuivatuksessa tuote jäädytetään, minkä jälkeen veden annetaan sublimoitua tyhjiössä.

Tyhjiöitä käytetään myös energian siirtymisen vähentämiseksi. Termospullossa lämmön siirtyminen on minimoitu. Tyhjiöitä hyödynnetään myös sähköneristeinä. Esimerkiksi fuusioreaktorissa tarvitaan tyhjiötä. Avaruuden simulointia varten on rakennettu jopa tuhannen kuutiometrin tiloja, joihin on synnytetty ultratyhjiö.

Tyhjiöissä kaasutilaiset atomit, molekyylit, ionit ja elektronit törmäilevät toisiinsa harvemmin kuin normaali-ilmanpaineessa. Tätä ominaisuutta hyödynnetään muun muassa elektroniputkissa, hiukkaskiihdyttimissä, massaspektrometreissä, elektronimikroskoopeissa ja elektronisuihkuhitsauslaitteissa. Törmäysten vähäisyyttä käytetään hyväksi myös tyhjiötislauksessa aineiden puhdistamiseen ja tyhjiöhöyrystyksessä esimerkiksi linssien pinnoittamiseen.

Ultratyhjiössä voidaan tuottaa puhtaita pintoja, jotka eivät peity tutkimuksen aikana kaasun molekyyleillä. Näin voidaan tutkia pintojen todellisia kitka- ja adheesio-ominaisuuksia.

Tyhjiön kaasut

Kun tyhjiölaitteistoa pumpataan aloittaen ilmanpaineesta, paineen pieneneminen hidastuu selvästi, kun kaasua on pumpattu laitteiston tilavuuden verran. Tyhjiökammiota ei voi koskaan pumpata täysin tyhjäksi, sillä laitteiston seinämistä vapautuu kaasuja, laitteistossa voi olla vuotoja ja pumpusta voi virrata kaasuja takaisin. Kaasuja vapautuu myös, kun tyhjiötä käytetään siihen tehtävään, jota varten se on synnytetty. Tasapainossa pumppausnopeus on yhtä suuri kuin kaasujen vapautumisnopeus laitteistossa. Tyhjiössä on aina myös sähkömagneettista säteilyä.

Kaasuja vapautuu desorptiossa eli pintaan kiinnittyneiden molekyylien irtoamisprosessissa. Erityisen merkittävää desorptio on polaarisella vesimolekyylillä. Irtoamista voidaan nopeuttaa paahtamalla eli lämmittämällä laitteistoa. Jotta desorptio olisi vähäistä, tyhjiölaitteistossa on käytettävä oikeanlaisia materiaaleja. Esimerkiksi ruostunut rauta adsorboi eli pidättää pinnalleen huomattavasti enemmän kaasuja kuin ruostumaton teräs. Aineet, joilla on korkea höyrynpaine, sublimoituvat herkästi tyhjiössä. Tällaisia aineita ovat esimerkiksi öljyt, sormenjäljet ja sinkki. Kaasut voivat myös vapautua diffuusiolla metalleista. Lisäksi on mahdollista kaasujen permeaatio eli seinämien ja tiivisteiden läpäisy. Vuotoja voivat aiheuttaa rikkinäiset tiivisteet sekä huokoiset metallit ja hitsaussaumat. Pumpuista pääsee tyhjiökammioon sekä pumpattavia kaasuja että diffuusiopumppujen ja mekaanisten pumppujen öljyjen molekyylejä. Tämä paluuvirtaus pysyy yleensä melko muuttumattomana.

Tyhjiökammion kaasun koostumus muuttuu paineen mukaan. Kammiota tyhjennettäessä laitteistossa on aluksi tavallista ilmaa. Sadan pascalin paineesta alaspäin vesi on hallitseva molekyyli. Hyvin pienissä paineissa vedyn, hiilimonoksidin ja hiilidioksidin osuudet ovat suuria. Lopulliseen koostumukseen vaikuttaa pumpun paluuvirtaus, pumpun kyky pumpata joitakin kaasuja paremmin kuin toisia, vuodot sekä kaasujen vapautuminen ja syntyminen laitteistossa.

Pienissä paineissa molekyylien väliset vuorovaikutukset ovat vähäisiä, joten kaasun paine tai molekyylien lukumäärä voidaan laskea ideaalikaasun tilanyhtälön avulla (pV = nRT tai pV = NkT). Yhtälöä käyttämällä voidaan kaasun määrä ilmaista joko paineen tai molekyylitiheyden avulla.

Kaasuvirtaus

Kaasujen virtaukseen vaikuttaa pumpun tehokkuus, putkiston koko ja muoto, virtaustyyppi ja kaasun ominaisuudet, kuten molekyylimassa ja lämpötila.

Kaasuvirtausta kuvataan Knudsenin luvulla NK. Knudsenin luku lasketaan jakamalla keskimääräinen vapaa matka (matka, jonka molekyyli keskimäärin kulkee ennen törmäystä toiseen kaasutilaiseen molekyyliin) systeemin suuruudella, esimerkiksi putken halkaisijalla. Kun NK < 0,01, virtaus on viskoosista ja kaasumolekyylit törmäilevät toisiinsa paljon useammin kuin laitteiston seinämiin. Tässä tilassa molekyylit virtaavat pienempää painetta kohti yhtenäisenä ryhmänä ja lämpö pystyy kulkemaan johtumalla. Kun 0,01 < NK < 1, virtausta sanotaan välimuotoiseksi. Kun NK > 1, kaasu on niin harvaa, että molekyylit törmäilevät enimmäkseen laitteiston seinämiin. Tällöin puhutaan molekyylivirtauksesta. Molekyylivirtauksen tilassa molekyylit liikkuvat sattumanvaraisesti toisistaan riippumatta pienemmän molekyylitiheyden suuntaan ja lämmön siirtyminen säteilyn välityksellä korostuu. Karkeatyhjiöalueella virtaus on pääasiassa viskoosista ja suurtyhjiöalueella kaasu on molekyylitilassa. Ultratyhjiössä molekyyli voi liikkua satoja kilometrejä, ennen kuin se törmää toiseen kaasutilaiseen molekyyliin.

Pumppausnopeuden lauseke on S = dV/dt, missä dV on kaasutilavuus, jonka pumppu pystyy poistamaan ajassa dt. Pumppausteho eli tyhjiöpumpun läpäisy on Q = p · S, missä p on paine. Molekyylivirtauksessa kaasuvirran voimakkuus on suoraan verrannollinen virtauskanavan sisääntulo- ja poistumisaukon paine-eroon: Q = C·(p1 − p2). Verrannollisuuskerrointa C sanotaan kaasunjohtavuudeksi eli konduktanssiksi. Virtauskanavana voi olla esimerkiksi tyhjiökammio, yhdysputki tai aukko. Kaasunjohtavuuden käänteisarvoa 1/C kutsutaan virtauskanavan vastukseksi.

Viskoosisessa ja välimuotoisessa kaasuvirtauksessa pumppausteho ei tavallisesti ole suoraan verrannollinen paine-eroon, mutta konduktanssi määritellään kuitenkin samalla yhtälöllä. Molekyylivirtauksessa kaasunjohtavuus riippuu virtauskanavan muodosta ja kaasun ominaisuuksista. Putkien konduktanssi on tavallisesti sitä suurempi, mitä lyhyempi putki on ja mitä suurempi sen sisähalkaisija on. Viskoosisessa ja välimuotoisessa virtauksessa konduktanssiin vaikuttavat lisäksi paine-erot virtauskanavan eri osien välillä. Konduktanssi määrää suurimman mahdollisen pumppausnopeuden: pumppausnopeus missä tahansa pisteessä on aina pienempi kuin konduktanssi pisteen ja pumpun välillä. Pumppausnopeutta voi siis kasvattaa paitsi hankkimalla tehokkaampia pumppuja myös suurentamalla konduktanssia esimerkiksi lyhentämällä putkia.

Kun komponentteja kytketään peräkkäin, kokonaiskonduktanssin käänteisarvo on yksittäisten konduktanssien käänteisarvojen summa: 1/C = Σ 1/Ci. Rinnakkain kytkettyjen komponenttien kokonaiskonduktanssi on yksittäisten konduktanssien summa: C = Σ Ci. Yhtälöt ovat samanlaiset kuin sähköopin sarjaan- ja rinnankytkennässä.

Tyhjiöpumput

Pumppu on tyhjiölaitteiston tärkein osa. Sen tehtävänä on poistaa tyhjiökammiosta atomeja ja molekyylejä. Tyhjiöpumput voidaan jaotella kahteen ryhmään sen mukaan, miten ne poistavat kaasuja laitteistosta: Kaasunsiirtopumput puristavat kaasuja suurempiin paineisiin tyhjiölaitteiston ulkopuolelle. Nämä pumput voidaan jakaa mekaanisiin pumppuihin, joissa pumppuun tulevat kaasut puristetaan tyhjiöstä ja siirretään ulos, sekä ajoainepumppuihin, joissa nopeat suihkut ohjaavat kaasumolekyylejä pois tyhjiökammiosta. Sieppauspumput taas pidättävät kaasut itseensä tyhjiötilan sisäpuolella.

Halutun paineen muodostavaa pumppua kutsutaan pääpumpuksi. Jos pääpumppu ei pysty toimimaan yhteydessä ilmanpaineeseen, siihen yhdistetään taustapumppu. Pumppua, joka tyhjentää kammiota alussa ilmanpaineesta pienempiin paineisiin, kutsutaan esipumpuksi tai karkeapumpuksi. Esipumppaus tehdään pääpumpun läpi tai ohi joko taustapumpulla tai erillisellä pumpulla. Suurtyhjiöalueelle pääsemiseksi on käytettävä vähintään kahta erilaista pumppua, koska mikään pumpputyyppi ei pysty saavuttamaan suurtyhjiötä suoraan ilmanpaineesta lähtemällä.

Mekaaniset pumput Mekaaniset pumput puristavat kaasun ulos tyhjiölaitteistosta. Niitä käytetään tavallisesti tausta- ja esipumppaukseen karkea- ja välityhjiöalueella.

thumb|Kiertosiipipumpun rakenne. Kiertosiipipumppu on yleinen mekaaninen pumppu. Siinä on pyörivä siipi, joka on hyvin lähellä pumpun seinämää ja puristaa pumppuun tulevaa kaasua ulos pumpusta. Siipi pyörii yleensä noin 1 500 kierrosta minuutissa. Lisäksi pumpussa on öljyä, joka tiivistää pumpussa olevat raot siten, että tyhjiön muodostuminen on mahdollista.

Kiertosiipipumpulla saavutettavaa painetta rajoittavat öljyn höyrynpaine, kaasun virtaus poistoaukosta imuaukkoon sekä öljyyn tiivistyvät kaasut, erityisesti vesi. Tiivistymistä voidaan ehkäistä ohjaamalla ilmahuuhteluventtiilin kautta pumppuun puristusvaiheessa kuivaa kaasua, yleensä huoneilmaa. Tällöin höyry ei ehdi saavuttaa kylläisen höyryn painetta, ennen kuin poistoventtiili avautuu. Ylimääräisen kaasun puristaminen kuitenkin lisää pumpun tehonkulutusta ja kasvattaa loppupainetta. Epäpuhtaudet heikentävät pumppuöljyn voitelu- ja tiivistysominaisuuksia, minkä vuoksi öljy on vaihdettava aika ajoin.

Kiertosiipipumpulla päästään parhaimmillaan 0,1 pascalin paineeseen. Pumppausnopeus on tavallisesti alueella 1–500 m3/h. Kaksi kiertosiipipumppua voidaan kytkeä yhteen kaksiasteiseksi pumpuksi siten, että toinen pumppu toimii toisen pumpun taustapumppuna. Kaksiasteisella pumpulla voidaan päästä 0,01 pascalin paineeseen.