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

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L'equazione manifesta la proporzionalità tra pressione e densità a parità di temperatura.
 
=== Il cammino libero medio===
La distanza media tra urti successivi viene detta anche cammino libero medio ed ha una importanza fondamentale per la caratterizzazione delle proprietà del vuoto.
Per introdurre il concetto consideriamo un caso semplificato un gas con una densità numerica <math>n_N\ </math> (numero di molecole per unità di volume) ed in cui siano contenute molecole identiche di diametro <math>d\ </math>.
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essenziale.
 
=== Impianto da vuoto===
 
[[Immagine:Schema_di_un_sistema_da_vuoto.png|thumb|300px|Schema di un impianto da vuoto]]
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=== Degassamento===
Vale la pena porre attenzione su questo fenomeno che rappresenta spesso il collo di bottiglia nel raggiungimento di condizioni di alto vuoto e a maggior ragione per vuoti più spinti.
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 riportando il sistema sotto vuoto.
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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 assorbito 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 processo 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 a pressione atmosferica con l'aria, si preferisce usare Azoto secco, che avendo una energia di legame con l'acciaio inossidabile di 0.12 eV, permette un rapido degassamento. L'acciaio 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 facilmente nell'interno dei solidi che costituiscono la camera da vuoto. Un centimetro cubo di acciaoacciaio 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 valore tra <math>10^{-8}\ </math> e <math>10^{-9}\ </math> mbar l/s per <math>cm^2\ </math> è un valore tipico. Tale quantità 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.
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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.
 
===Velocità effettiva di pompaggio di una pompa da vuoto ===
Immaginiamo di avere una pompa con velocità di aspirazione <math>S^*\ </math> e pressione alla bocca di <math>p^*\ </math>. Attraverso un condotto di conduttanza C viene connesso ad una camera da vuoto a pressione p.
 
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Da tale equazione appare evidente che il valore della conduttanza vada dimensionato in maniera opportuna a seconda della velocità di aspirazione della pompa stessa.
 
=== 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 della aspirazione della pompa che viene frenata dall'ingresso di gas. Da un punto di vista matematico la conservazione della materia si esprime come: