Micro e nanotecnologia/Microtecnologia/Il vuoto/Le leggi del vuoto: differenze tra le versioni
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=== Composizione del vuoto ===
L’aria escludendo l’acqua ha una composizione per il 78% di [[w:Azoto|Azoto]] (<math>N_2\ </math>), il 21% di [[w:Ossigeno|Ossigeno]] (<math>O_2\ </math>) e l’0.9% di [[w:Argon|Argon]] (Ar). La quantità di acqua dipende dalle condizioni di umidità e temperatura, tipicamente varia tra il 0.6% (aria secca) al 6,5% (aria molto umida e alta temperatura) al variare dell'acqua le altre componenti si riducono percentualmente. Il vuoto non è altro che un gas più o meno rarefatto, ma in genere a causa delle pompe da vuoto utilizzate e delle linee da vuoto ha una composizione molto diversa da quella dell’aria. Se analizziamo la composizione del vuoto, mediante un analizzatore di gas residuo (ad esempio uno [[w:Spettrometro di massa|spettrometro di massa]]), ci si accorge come di norma il gas dominante è l’acqua. Mentre dopo avere evaporato materiali che assorbono i gas residui ([[w:Getter_(tecnologia_del_vuoto)|''getter'']]), quali il Titanio, la composizione appare dominata dall’idrogeno, la causa è la decomposizione dell’acqua da parte del getter. Misurare la pressione o misurare le densità in un gas rarefatto è la stessa cosa, in quanto le due grandezze sono direttamente proporzionali a parità di temperatura.Infatti,
:<math>pV=nRT\ </math>
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Se tale grandezza adimensionale è maggiore di 1 si è in regime molecolare, mentre al contrario se <math>Kn< 0.01\ </math> si è in regime viscoso. Esiste anche un regime di transizione in cui
<math>0
Mentre il comportamento del vuoto nel regime viscoso è molto simile al comportamento dei [[w:fluido|fluidi]] che si osservano nella vita di tutti i giorni (acqua, aria eccetera), infatti è semplicemente un fluido compressibile che segue le leggi della meccanica dei fluidi ben sviluppata e studiata. Al contrario nel regime molecolare il comportamento del vuoto discosta di molto dal comportamento dei fluidi normali, ricorda molto di più il comportamento di punti materiali isolati che rimbalzano in maniera più o meno casuale con le pareti del recipiente in cui sono contenuti. La dinamica dell'urto con le pareti gioca in questo caso un ruolo
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Il recipiente che viene mantenuto sotto vuoto è caratterizzato dal suo volume, pressione e temperatura. Attraverso un condotto il gas viene portato via da una pompa da vuoto.
Per quantizzare la quantità di materia che viene prodotta nel sistema nell'unità di tempo si utilizza il carico (traduzione poco efficace dall'inglese ''load'') rappresentato dal simbolo <math>Q\ </math>. Tale grandezza rappresenta la quantità di materia che deve essere portata via dal condotto nell'unità di tempo
{{equazione|eq=<math>Q=p\dot V</math>}}
Con maggiore rigore la quantità di materia da portare via nell'unità di tempo dovrebbero essere il numero di molecole presenti derivate rispetto al tempo. Quindi dall'[[w:Equazione_di_stato_dei_gas_perfetti|equazione dei gas perfetti]], dovrebbe essere pari alla derivata rispetto al tempo di <math>\frac {pV}T\ </math>. Se però le temperature del sistema da vuoto sono costanti nel tempo come spesso accade, risulta più semplice definire <math>Q\ </math> nella maniera anzidetta.
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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 o degassamento 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.
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 in genere 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 acciaio 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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{{equazione|eq=<math>C_L=136\cdot 10^{4} \frac {D^4}L\left( \frac {p_1+p_2}2 \right)\ l/s\qquad L\gg D</math>|id=7}}
Con <math>p_1\ </math> e <math>p_2\ </math> le pressioni all'estremo in mbar, mentre D ed L sono in cm.
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Il moto delle molecole è prevalentemente lungo il condotto e quindi il controflusso, che è invece presente nel regime molecolare, in questo caso è di fatto trascurabile. In realtà la legge di Poiseuille dipende dalla viscosità del gas 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 molto inferore ad 1 mm, quindi si è
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. Infatti le molecole vengono adsorbite sulla superfice e rilasciate casualmente in una direzione che non dipende dalla traiettoria iniziale. La velocità quadratica media (proporzionale alla temperatura assoluta e inversamente alla massa delle molecole che compongono il gas) gioca un ruolo non trascurabile.
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