Vakum Nedir – Nerelerde Kullanılır

Vakum Nedir – Nerelerde Kullanılır
vakum teknolojisi, normal atmosfer basıncının altındaki basınçlarda gerçekleştirilen işlemler ve fiziksel ölçümler. Herhangi bir işlem ya da fiziksel ölçüm, genel olarak aşağıdaki nedenlerin birinden dolayı vakumda gerçekleştirilir: I) Havada bulunan ve işlem sırasında fiziksel ya da kimyasal tepkimeye giren öğelerin ortadan kaldırılması (örn. titan gibi tepkin metaller vakumda eritilir); 2) bir maddede soğurulmuş ya da çözünmüş durumda bulunan bir gazın ya da uçucu bir sıvının giderilmesi (örn. yağlara uygulanan gaz giderme işlemi, besinlerin kurutularak dondurulması) ya da yüze tutunmuş durumdaki gazların yüzden salınmasının sağlanması (örn. mikrodalga lambalarının ve doğrusal hızlandıncıların imalat sırasında temizlenmesi) gibi, normal oda koşullarında var olan bir denge koşulunun bozulmasının sağlanması; 3) bir parçacığın bir başka parçacıkla çarpışıncaya değin alması gereken yolu uzatmak, böylece bir işlem sırasında parçacıkların kaynaktan hedefe çarpışmaya uğramaksızın varmalarını sağlamak (uygulama örnekleri: Vakumda kaplama, parçacık hızlandıncıları, televizyon resim lambası); 4) bir yüzeye birim zamanda çarpan molekül sayısının azaltılması, böylece yüzeyin bulaşma yoluyla kirlenmesi olasılığının düşürülmesi (örn. katışıksız ince film hazırlanması, temiz yüzeyler üzerinde araştırmalar).

Vakumda gerçekleştirilmesi gereken bir işlem için izin verilebilir en yüksek basınç değeri belirlenir. Bu değer birim hacimdeki molekül sayısı (yukarıdaki 1. ve 2. nedenler için), ortalama serbest yol (3. neden için) ya da bir tek katman oluşturmak için gereken süre (4. neden için) olarak verilebilir.

Oda sıcaklığında ve normal atmosfer basıncında 1 cm3 hava yaklaşık olarak 2,5xl019 molekül içerir; bu moleküller saatte yaklaşık 1.600 km hızla ve rasgele doğrultularda hareket eder. Bu moleküllerin kabın duvar-lanyla momentum alışverişi sonucunda, duvarların her cm2 alanı başına uygulanan kuvvet 1 kg dolayındadır. Çeşitli birimler cinsinden ifade edilebilen atmosfer basıncı yakın zamanlara değin 760 mm yüksekliğindeki birim kesitli bir cıva sütunun ağırlığı olarak ifade ediliyordu; bir başka deyişle, 1 standart atmosfer=760 mm Hg olarak belirlenmişti. Farklı birimleri birbirine çevirmedeki zorluklardan kurtulmak için torr olarak adlandırılan yeni bir birim tanımlanmıştır; buna göre 1 standart atmosfer=760 torr’dur (1 torr=l mm Hg). 1971’de kabul edilen Sİ (Uluslararası Birimler Sistemi) birimi ise newton/m2’dir ve bu birim pascal (Pa) olarak adlandınlmıştır. Bu birimler arasında şu bağıntılar vardır: 1 Pa=0,0075 torr; 1 standart atmosfer=101.325 Pa; 1 kg/cm2 = 98066,5 Pa.

Vakum teknolojisinin ilk önemli uygulamasını elektrik ampulü yapımı oluşturdu (1900 dolayları). Bunu, içinde vakum bulunan başka aygıtların (örn. çeşitli elektron lambası türleri) yapımı izledi. Ayrıca bazı işlemlerin vakumda gerçekleştirilmesiyle elde edilen ürünlerin çok yüksek nitelikli olabileceği ya da normal atmosfer koşullarında elde edilmesi olanaksız sonuçların vakumda elde edilebileceği anlaşıldı. Bu tür işlemlere örnek olarak merceklerin kaplanarak ışık geçirimlerinin yükseltilmesi, kan bankalan için kan plazması hazırlanması ve titan gibi tepkin metallerin elde edilmesi anılabilir. 1950’lerde nükleer santralların kurulmaya başlaması, vakum teknolojisi donanımlannın gelişmesi ve yaygınlaşmasına neden oldu. Vakum işlemlerinin yeni uygulamaları da ortaya çıkmaktadır. Örnek olarak uzay koşullannın benzetimi (simü-lasyon) ve mikroelektronik devrelerin yapımı sayılabilir.

Vakum oluşturmak ya da oluşturulan vakumu sürdürmek amacıyla çeşitli pompa(*) türleri kullanılır. En yaygın kullanılan pompa türü sızdırmazlığı yağla sağlanmış dönel pompadır. Bu tür pompada içi boş bir silindir (stator) içinde dönen ikinci bir silindir (rotor) vardır. Rotor, statora göre dışmerkezli olarak yerleştirilmiştir ve sürekli olarak statora teğet durumdadır. Rotor ile stator arasındaki hilal biçimli hacimdeki gaz rotora bağlı iki palet tarafından sürüklenerek çıkış borusundan dışarı atılır. Bu pompayla atmosfer basıncından (y. 100.000 Pa) 2,5 Pa’hk basınçlara kadar vakum elde edilebilir. Art arda çalışan iki pompa ile (iki aşamalı pompa) 0,6 Pa’ya kadar inmek olanaklıdır. Bu pompanın değişik bir türü dönel pistonlu pompa olarak adlandırılır. Dönel pistonlu pompada tek bir palet vardır, içi boş olan bu palet emme supabı görevi yapar.

Daha yüksek vakum elde etmek için ön pompa olarak işlev yapan dönel pompanın ardına mekanik vakum yükseltici olarak anılan ikinci bir pompa bağlanır. Bu tür pompada statorun içinde 8 biçiminde iki rotor vardır; bunlar birbirlerine ve statora değmeksizin, birbirlerine ters yönde döndürülür. Rotorların lobları ile stator duvarı arasında kalan gaz, ön pompaya doğru basılır. Böyle bir düzenekle 0,1 Pa’ya kadar inilebilir.

Buhar yayınımlı pompada bir pompa sıvısından yararlanılır. Pompanın içindeki basınç önce bir başka pompa aracılığıyla 10 Pa’ya kadar düşürülür. Isıtılarak buharlaştırılan pompa sıvısı pompa içine püskürtülür. Oluşan buhar jetleri pompanın soğutulmakta olan duvarlarına çarparak yoğunlaşırken boşaltılacak gazı da birlikte sürükler. Bu tür pompalarla 107, hatta (özel soğutulmuş levhalar kullanılarak) 109 Pa’ya kadar inmek olanaklıdır.

İyon pompasında titan gibi tepkin bir maddeden yapılmış bir katot bulunur. Katot yüksek enerjili iyonlarla dövülünce buharlaşan titan kimyasal bileşime girdiği tepkin gazları sürükler, eylemsiz (tepkimeye girmeyen) gazlar ise iyonlaşıp katot yüzeyine gömülürler. Bu tür pompalarla 109 Pa’ya inilebilir. Titan süblimleşme pompalarında, ısıtılarak buharlaştırılan titan, tepkin gazlan kimyasal bileşim yoluyla tuttuktan sonra, pompa duvarlannda süblimleştirilir. Bu tür pompa eylemsiz gazları boşaltmakta kullanılamaz. Yüze tutunmalı pompa gaz moleküllerini yüzeyinde tutma özelliği gösteren bir malzemeden oluşur. Böyle bir malzemenin yüzey yapısı gözeneklidir ve gözeneklerin boyutu molekül boyutu dolayındadır. Sıvı azot aracılığıyla aşırı soğutulan yüze tutucu madde gaz moleküllerini soğurarak vakum oluşturur, ısıtıldığında ise tuttuğu gazı serbest bırakır. Kriyojenik pompanın (kriyopompa) çalışma ilkesi gaz-lann çok düşük bir sıcaklığa getirilmiş bir yüzey üzerinde yoğunlaştırılmasıdır. Soğutucu olarak genellikle helyum kullanılır. Bu yöntemle 10® Pa’nın altına inmek olanaklıdır.

Alçak basınçları ölçmek için özel basınç ölçme aygıtlan kullanılır. McLead ölçme aygıtının çalışma ilkesi Boyle-Mariotte yasasına^) ve temel olarak gazın hacminin ölçülmesine dayanır. Bu aygıtla 1.000-104 Pa’lık basınçlar ölçülebilir. Isıl iletkenlikten yararlanarak basınç ölçen aygıtlarda akkor duruma getirilmiş bir telden (filaman) ısının soğurulma hızı belirlenir. Bu hız filamanın içinde bulunduğu gazın basıncına bağlıdır. Pirani aygıtı ve ısılçiftli aygıt olarak başlıca iki türlü olan ısıl iletkenlik aygıtlanyla 10.000-0,01 Pa’lık basınçlar ölçülebilir. Bir gazın içinden geçirilen bir elektron demetinin iyon oluşturma hızı, gazın iyonlaşma olasılığının yanı sıra basıncına da bağlıdır. Bu ilkeden yararlanarak basınç ölçen aygıt, soğuk katotlu iyonlaşma aygıtı ya da Pen-ning aygıtı olarak adlandırılır. Bu tür aygıtlarla 10’5 Pa’lık basınçlann ölçülmesi olanaklıdır. Penning aygıtında elektron demeti, alan etkisiyle salım(*) olgusundan yararlanılarak soğuk bir katot yüzeyinden elde edilir. Akkor telli iyonlaşma aygıtı olarak adlandı-nlan basınç ölçme aygıtlan da iyonlaşma hızının ölçülmesi ilkesine dayalı olarak çalışır, ama bu aygıtta İyonlaştırıcı elektron demeti bir akkor telden termoiyonik salım(*) yoluyla elde edilir. Akkor telli iyonlaşma aygıtının geliştirilmiş bir türü olan Bayard-Alpert basınç ölçme aygıtı ile 109 Pa’lık basınçlar ölçülebilir.

Yorum yazın