10 Základy Vakuové techniky

Co to je vakuum?

Vakuum (z lat. vacuus, prázdný) znamená prázdný prostor, v němž je tlak plynu podstatně nižší než při normálním atmosférickém tlaku. Různé stupně vakua mají velmi rozmanitá technická využití ve vakuové technice. V ideálním případě označuje vakuum takový fyzikální stav, v němž není přítomná žádná částice, a to jak hmoty (např. elektrony, protony apod.), tak ani záření (např. fotony). Jedná se tedy o část prostoru, která neobsahuje hmotu, může však do ní zasahovat fyzikální pole, např. gravitační. Takové vakuum bývá označováno jako dokonalé. O vakuu neobsahujícím pole se mluví jako o prázdném prostoru. Obor, který se zabývá otázkami vytváření a využívání vakua, nebo přesněji řečeno prostředím, ve kterém je tlak plynů nižší než atmosférický tlak, je Vakuová technika.

Využití vakua

Vakuum jako ochranná atmosféra našlo první masové uplatnění v klasických žárovkách, kde se používá dodnes. V běžném životě se s ním setkáváme ve vysavači, v televizní obrazovce a monitoru počítače nebo v magnetronu mikrovlnné trouby.

Využívá se také při výrobě a balení potravin, nebo jako dokonalá tepelná izolace nejen v termoskách, ale také ve zkapalňovačích a nejrůznějších kryotechnických zařízeních a přístrojích.

Ve strojírenském průmyslu se uplatňuje např. při výrobě nejčistších materiálů ve vakuových pecích s elektrickým ohřevem a v elektronových svářečkách.

Bez vysokého a ultravysokého vakua se neobejdou nejrůznější vědecké přístroje jako jsou spektroskopy, elektronové mikroskopy, přístroje pro zkoumání povrchů a zařízení pro vytváření tenkých vrstev napařováním a naprašováním, a mnohé jiné pokusné a vědecké aparatury.

Zkušenosti s konstrukcí a provozováním vakuových zařízení se uplatňují také v kosmické a letecké technice.

Měření vakua - Vakuometry

Termoelektrické vakuometry – princip: tepelná vodivost plynu se s tlakem zmenšuje, čímž se úměrně snižuje ochlazovací účinek.

V oblasti nízkého vakua se uplatňují vakuometry založené na tepelné vodivosti plynů, které jsou označovány podle jejich vynálezce německého fyzika Marcella Piranino. Moderní Piraniho manometr měří tlaky od 1000 do 10^-3 mbar.

Pro měření tlaků v oblasti vysokého vakua se uplatňuje Penningův vakuometr založený na principu elektrického samostatného výboje i při velmi nízkých tlacích udržovaného magnetickým polem permanentního magnetu. Jeho rozsah je od 10^-3  do 10^-9 mbar.

Schéma zapojení Penningova vakuometru

Ani moderní vakuová technika nedokáže stoprocentně zaručit těsnost vakuového zřízení, proto se žádné vakuové pracoviště nevyhne problému hledání netěsností. K dispozici je dnes mnoho různých metod a přístrojů. Zde se proto zmíníme jen o dnes nejpoužívanějším a nejdokonalejším přístroji, heliovém detektoru netěsností. Je to hmotový spektrometr nastavený na detekci iontů helia. Většinou se využívá tak, že je "vakuově" spojen s testovaným zařízením, které je vyčerpáno, a na podezřelá místa se fouká tenký proud helia. Tato metoda je ze všech dostupných nejcitlivější. Hranice zjistitelné netěsnosti je řádu 10^-12 mbar. Jistou její nevýhodou je to, že nedokáže netěsnost přesně lokalizovat.

Co je to vývěva?

Vývěva je zařízení, které odčerpává vzduch či jiné plyny z uzavřeného prostoru a vytváří tak částečné vakuum. Vývěva = plynové čerpadlo, proto podobně jako u čerpadel existuje řada různých konstrukčních řešení vývěv. Vývěvy můžeme dělit jednak podle fyzikálního principu činnosti, jednak podle míry vakua, které mohou dosáhnout.

Typy vývěv například:

Pístová vývěva funguje jako obyčejná pumpa (např. pumpička na kolo) s pístem a ventily. Je konstrukčně jednoduchá, dovoluje však dosáhnout pouze podtlak.

Hadicová vývěva je tvořena pružnou hadičkou uvnitř válcové plochy. Rotor vývěvy má dva válečky, které z hadičky vytlačují plyn. Používá se jako čerpadlo i vývěva u velmi jednoduchých laboratorních aplikací.

Kapalinová (vodní) vývěva. Trubicí 1 rychle proudí kapalina, trubice 2 vede do odčerpávaného prostoru. Podle Bernoulliho jevu je tlak v místě rychle proudící kapaliny nižší než v místě, kde kapalina proudí pomaleji, takže rozdíl tlaku nasává plyn z trubice 2 a odvádí vývodem trubice 1. Fungování vývěvy napomáhá i to, že částice plynu v trubici 2 v místě A jsou „strhávány“ proudící kapalinou. Současné komerčně vyráběné vývěvy jsou velmi výkonné a běžně s nimi lze dosáhnout snížení tlaku až na 10 Pa.

Princip kapalinové vývěvy

Rotační vývěvy slouží k dosažení jemného vakua a jako první stupně systémů vysokého a ultra-vysokého vakua. Ve válcové komoře se otáčí válec, který se na jedné straně těsně dotýká stěny komory. Ve štěrbině válce jsou dvě přepážky, které od sebe odtlačují pružiny, takže těsně přiléhají ke stěnám komory. Vývěva nasává plyn z pravého hrdla, stlačuje a vypouští levým hrdlem. Celý systém bývá ponořen v oleji. Při dobrém seřízení může dosahovat jemné vakuum až do 10^-4 hPa tlaku.

 Princip rotační vývěvy

Difuzní vývěva nemá žádné pohyblivé části a funguje podobně jako kapalinová vývěva, v oblasti vyššího vakua však působí pouze strhávání molekul plynu rychle proudící kapalinou nebo parou. Dosažitelné vakuum je omezeno tlakem nasycených par čerpací kapaliny. Dříve se používala rtuť nebo parafin, dnes většinou speciální oleje, minerální nebo silikonové.

Sorpční vývěvu tvoří prostě povrch vhodné látky, která na sebe váže zbytkové molekuly plynu. Typickým příkladem jsou getry, kovově lesklé povlaky na vnitřní straně baňky vakuových elektronek, obrazovek atd., které dlouhodobě udržují vysoké vakuum uvnitř baňky. V trvale čerpaných zařízeních sorpční vývěvy využívající sorpční schopnosti aktivního uhlí, nebo (častěji) zeolitu chlazeného kapalným dusíkem. Hodí se pro čerpání v oblasti vyšších tlaků. Pro získání nejnižších tlaků je vhodným sorbentem titan v čerstvě napařené vrstvě na studeném povrchu.

Turbomolekulární vývěvy jsou mnohostupňové lopatkové turbíny, které udělují molekulám plynu kinetickou energii a vyrážejí je tak z čerpaného prostoru.

Kondenzační vývěva - plyny z čerpaného prostoru jsou odstraňovány tím, že kondenzují na chladném povrchu. Kondenzovat mohou ovšem jen ty plyny, které mají bod varu vyšší než je teplota kondenzační plochy. Nejnižší teploty se dá dosáhnout kapalným heliem. Jen heliová cryo-vývěva může proto čerpat všechny plyny. Méně nákladné kondenzační "vývěvy" s kapalným dusíkem se uplatňují častěji, jako tzv. "vymrazovače" k odstranění nežádoucích par některých látek (vody, olejů….).