Micro e nanotecnologia/Microtecnologia/Il vuoto/Le leggi del vuoto: differenze tra le versioni

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Il processo di degassamento è un fenomeno particolare che avviene sotto vuoto ed è dovuto,entrando nel dettaglio, o ad adsorbimento fisico (con poca energia di legame) di gas sulla superficie del sistema o da legami con maggiore energia di legame quindi di natura più tipica della chimica. Ossidi o nitruri sulle superfici rappresentano un tipico esempio di tali legami. In genere ad ogni temperatura e pressione esiste un equilibrio dinamico tra il processo di adsorbimento dei gas presenti nel sistema (che contribuisce alla diminuzione di pressione del sistema) ed il processo opposto il desorbimento che contribuisce al carico. In genere se portiamo un sistema da vuoto a pressione atmosferica le pareti adsorbono i gas presenti (in maniera diversa a seconda delle loro proprietà chimiche) che vengono rilasciati nel processo successivo di desorbimento.
 
Per quanto riguarda il degassamento possiamo dire che durante i processi tecnologici il materiale trattato viene esposto a diversi processi e viene bombardato da particelle (ad esempio Argon). Se l' energia di legame è molto bassa vuol dire che il legame non è troppo forte e quindi il materiale che stiamo trattando può, dopo un certo tempo t, rilasciare una molecola andando ad alterare il vuoto presente nella camera. Questo appena descritto è il fenomeno di adsorbimento. Un altro fenomeno con caratteristiche diverse è l' assorbimento che riguarda i solidi nel loro insieme, non solo la superficie (in inglese si direbbe il ''bulk''). Questo fenomeno riguarda solo alcuni gas, la cui molecola ha dimensioni molto piccole, come l'Elio, l'Idrogeno e l'Ossido di carbonio,che possono entrare nella struttura solida e diffondere al loro interno. Il solido si comporta come una spugna per questi gas. La quantità di gas assorbita può raggiungere valori considerevoli, fino a un atomo assorbtoassorbito per ogni atomo di solido. Quando il sistema viene messo in condizioni di vuoto lentamente questi atomi assorbiti diffondono indietro e rappresentano materiale che deve essere asportato da sistemi di pompaggio.
 
Molte molecole presenti nell'aria, e in maniera marcata l'acqua, vengono facilmente [[w:adsorbimento|adsorbite]] sulla superficie delle parti presenti nel sistema. Il precessoprocesso contrario all'adsorbimento si chiama desorbimento. Alcune molecole hanno una energia di legame molto piccola (< 0.3 eV) e quindi facilmente vengono rimosse dal sistema da vuoto (a causa anche della agitazione termica). Altre molecole hanno un legame più forte e quindi richiedono tempi molto lunghi per essere rimosse dalla superfice. Quando un sistema da vuoto viene portato a pressione atmosferica le molecole di gas formano una fase assorbita su tutte le superfici. Per questa ragione invece di portare il sistema in aria, viene spesso fatto un rientro del solo azoto, che avendo una energia di legame con l'acciaoacciaio inossidabile di 0.12 eV, permette un rapido degassamento. L'acciaoacciaio inossidabile è in genere il principale componente degli impianti da vuoto. Quando si passa da pressione atmosferica a <math>10^{-2}\ mbar</math>, operazione che richiede pochi minuti il degassamento non rappresenta un problema. Al di sotto di questo vuoto il degassamento diventa il fenomeno principale che rallenta il raggiungimento del vuoto limite. In regime molecolare si ha la complicazione ulteriore che le molecole desorbite da una parete possono attaccarsi ad una altra parete rallentando il processo di rimozione. Il degassamento non è solo prodotto dal desorbimento, ma anche dalla diffusione nel solido di gas leggeri come idrogeno, elio, ossido di carbonio che sono dissolti facilemnetfacilemente nelle'interno dei solidi che costituiscono la camera da vuoto. Un centimetro cubo di acciao inossidabile può contenere un volume di gas paragonabile a quello che occuperebbe il gas stesso a pressione atmosferica.
 
In pratica durante il tempo di raggiungimento del vuoto limite, che è dell'ordine di varie ore, la principale sorgente di gas sono i gas che vengono desorbiti dalle superfici della camera. La quantità di gas desorbito può essere quantizzato mediante la quantità <math>Q_G\ </math> per unità di superficie, dopo poche ore di pompaggio. un avlorevalore di <math>10^{-8}\ </math> fino a <math>10^{-9}\ </math> mbar l/s per <math>cm^2\ </math> è un valore tipico. tale valrevalere può scendere di 2 ordini di grandezza se viene fatto un riscaldamento a <math>200\ ^oC</math> per alcune ore, pratica comune nei sistemi di UHV.
 
=== Conduttanza ===
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segue dalla formula:
{{equazione|eq=<math>Q=C (p_1-p_2)\ </math>|id=4}}
che è simile alla [[w:Legge_di_Ohm|legge di Ohm]], se viene fatta l'equivalenza tra <math>p_1-p_2\ </math> e la differenza di potenziale e tra <math>Q\ </math> eè la corrente.
 
In genere la conduttanza è una proprietà essenzialmente geometrica del condotto in regime viscoso, mentre dipende anche dalla composizione chimica del gas trasportato in regime molecolare.
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il Diametro del tubo (in centimetri) e con L la sua lunghezza (sempre in cm). Nel '''regime viscoso'''
bisogna distinguere due comportamenti diversi. Nel caso in cui il rapporto tra il carico ed il diametro D sia maggiore di un valore semiempirico:
:<math>\frac QD>2500244\ Pamba\ m^{2}sls^{-1} </math>
 
Il gas è in regime turbolento (in quanto il [[w:Numero_di_Reynolds|numero di Reynolds]] è grande). In tale regime non esiste una formula semplice per calcolare la conduttanza, la quale è in ogni caso grande a causa della pressione media elevata. In tale situazione la conduttanza non rappresenta una limitazione reale al trasporto di materia.
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La conduttanza è tanto maggiore quindi quanto maggiore è la pressione media nel condotto. Si noti come la conduttanza non dipenda dal tipo di gas presente, in quanto essendo piccolo il numero di Knudsen gli urti tra molecola e molecola siano prevalenti. La viscosità del gas gioca un ruolo importante.
 
Il moto delle molecole è prevalentemente lungo il condotto e quindi il controflusso, che è presente in regime molecolare, in questo caso è di fatto trascurabile. In realtà la legge di Poiseuille dipende dalla viscosità, che dipende daldel gas presente,e quindi la formula è approssimata.
 
''Esempio: un condotto lungo 1 m=100 cm, di diametro 1 cm, in cui la pressione inferiore (vicino alla pompa) vale 1 mbar mentre l'altro estremo sta a 2 mbar. Il cammino libero medio è inferore ad 1 mm, quindi si è in regime viscoso. La costante di Knudsen vale meno di 0.1. Quindi sostituendo tali valori nell'equazione 7 si ha una conduttanza di 20000 l/s''
 
Nel regime molecolare la traiettoria delle particelle ha un comportamento dettato dagli urti con il condotto e, non sono rari, anche urti che riportano indietro le particelle, specialmente se la lunghezza del condotto è breve. La velocità quadratica media (proporzionale alla temperatura assoluta e inversamente alla massa delle molecole che compongono il gas) gioca un ruolo non trascurabile.
 
Nel '''regime molecolare''', la conduttanza ha un valore indipendente dalla pressione, ma sempre minore che nel regime viscoso. Questo implica che via via che diminuisce il vuoto sia sempre più difficile raggiungere vuoti elevati in quanto le conduttanze limitano la velocità di pompaggio. Una formula semiempirica può essere ricavata dalla [[w:Teoria_cinetica_dei_gas| teoria cinetica dei gas]]:
 
{{equazione|eq=<math>C_L=\frac {D^3}{6L}2\sqrt {\frac {2\pi R T}{32 M}}\frac 1{1+4L3L/4D}\ l/s </math>|id=8}}
 
Dove <math>M\ </math> è la massa delle molecole che compongono il gas in g/mole (cioè l'Idrogeno molecolare ha una massa di 2 g). L è la lunghezza del condotto e D il suo diametro. Si nota che in questo caso la conduttanza dipende sia dalla temepratura che dalle speci gassose presenti.
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[[Immagine:Typical_vacuum_speed_root.png|thumb|300px|Andamento tipico della velocità di pompaggio di una pompa root in funzione della pressione, la velocità è espressa in litri al secondo ]]
 
Le pompe da vuoto sono dei sistemi attivi che riducono il vuoto, nel seguito verranoverranno descritti i vari tipi. Qui ci interessa la legge che governa il loro comportamento da un punto di vista fisico generale. Quindi è importante sapere la quantità di gas in volume asportata nell'unità di tempo dalla pompa stessa quando sulla sua imboccatura sia presente una pressione <math>P\ </math>.
Tale grandezza che ha le dimensioni di un volume nell'unità di tempo viene chiamata velocità di aspirazione della pompa e in genere indicata con <math>S\ </math>. Tale grandezza fisica ha le stesse dimensioni della conduttanza, ma rappresenta fisicamente un qualcosa di diverso, infatti la conduttanza determina la perdita di carico in un condotto ed è quindi un elemento passivo, la velocità di aspirazione è la misura di un processo attivo. <math>S\ </math> è sempre maggiore di 0, dipende da <math>P\ </math> e si definisce come range di utilizzo l'intervallo di pressioni per cui il valore <math>S\ </math> sia significatamente maggiore di 0. Ad esempio nella figura accanto si ha che il range di funzionamento della pompa è tra <math>0.001\ Pa </math> e <math>10^5\ Pa </math>, in tale intervallo di pressioni la velocità di pompaggio si mantiene ben al di sopra dello 0.
 
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ma anche:
 
<math>Q=S^*p^*=C(p-p^*)\ </math>
 
dalla prima:
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=== Sistema da vuoto complessivo===
La fotografia di quello che succede ad un sistema da vuoto di volume <math>V\ </math>in cui il carico totale entrante sia <math>Q_T\ </math>, la pressione istantanea <math>P\ </math>, ed una pompa da vuoto che abbia una velocità effettiva di aspirazione <math>S\ </math> (tenendo conto della impedenza della linea che la collega) tra il tempo t e t+dt, la pressione diminuisce di dP a causa dellaadella aspirazione della pompa che viene frenata dall' ingresso di gas. daDa un punto di vista matematico la conservazione della materia si esprime come:
 
<math>-VdP=SPdt-Q_Tdt\ </math>