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

dove <math>P\ </math> è la pressione, <math>V\ </math> il volume occupato dal gas, <math>n\ </math> il numero di moli del gas, <math>R\ </math> la [[w:Costante_universale_dei_gas|costante universale dei gas perfetti]] che nel sistema internazionale vale <math>8,3145\ \frac{J}{mol K} \ </math> ede infine <math>T\ </math> è la temperatura assoluta.

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.lo 0,9% di [[w:Argon|Argon]] (Ar). La quantità di acqua dipende dalle condizioni di umidità e temperatura, tipicamente varia tra illo 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 Titaniotitanio, 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, potendosi sfruttare l'equazione dei gas rarefatti scritta all'inizio, si ha che:

La distanza media tra urti successivi viene detta anche cammino libero medio ede ha una importanza fondamentale per la caratterizzazione delle proprietà del vuoto.

A causa della scelta del diametro del cilindro una molecola, eguale alle altre, che percorra il cilindro sicuramente incontrerà una un'altra molecola. Ma la molecola da urtare si potrebbe trovare anche prima della fine del percorso, aggiungendo tali considerazioni e facendo una analisi statistica, risulta che il cammino che mediamente dovrà compiere una molecola per scontrarsi con un'altra è <math>\lambda=l/\sqrt(2)\ </math>, quindi sostituendo:

''Esempio: La molecola di azoto ha un diametro di circa 0.,3 nm, a temperatura ambiente , alla pressione di <math>1\ Pa=10^{-2}\ mbar</math> essendoci una densità di molecole di <math>n_N=2.5\cdot 10^{14}\ </math> in un <math>cm^3\ </math> il cammino libero medio vale 1 cm.''

Se le dimensioni del recipiente in cui si fa il vuoto sono molto maggiori del cammino libero medio il vuoto è detto viscoso, in quanto, nella dinamica delle molecole, gli urti delle molecole tra di loro sono il meccanismo dominante, mentre gli urti con le pareti sono poco frequenti. Tale comportamento determina la [[w:Viscosit%C3%A0| viscosità]] del gas, una grandezza macroscopica misurabile (nel caso dell'aria a temperatura ambiente e pressione atmosferica la viscosità vale <math>\eta=1.77\cdot 10^{-5}\ kg/m\ s</math>). Per dare un ordine di grandezza per pressioni superiori a qualche centinaio di Pascalpascal si è in genere in regime viscoso (per recipienti di dimensioni macroscopiche di qualche mm). Infatti a temperatura ambiente, per le molecole presenti nell'aria il cammino libero medio a tali pressione è minore di centinaia di µm.

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),anche se al contrario dei liquidi si tratta di un fluido compressibile che segue le leggi della meccanica dei fluidi ( ben sviluppata e studiata da più di 100 anni). Al contrario nel regime molecolare il comportamento del vuoto si 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 essenziale. Infatti l'urto con le pareti da parte degli atomi o molecole che compongono il gas non è un urto elastico, ma in genere la molecola urta e rimane attaccata alla parete da forza di natura atomica più o meno intensa, quindi viene rilasciata in una direzione che non è correlata con la direzione di arrivo (vedi in seguito il [[Micro_e_nanotecnologia/Microtecnologia/Il_vuoto#Degassamento|degassamento]]).

In un sistema da vuoto vari processi concorrono alla creazione del carico <math>Q\ </math>. Se il sistema si trova ada una pressione prossima a quella atmosferica per portarlo sotto vuoto è proprio il gas aspirato che concorre al carico. In genere fino a pressioni dell'ordine del Pascalpascal questa è la causa principale di carico, cioè il gas contenuto nella camera da vuoto che viene rimosso via via. Al diminuire della pressione vi sono altre cause che aumentano il carico, principalmente il degassamento delle pareti e l'evaporazione dei materiali ada elevata tensione di vapore. Il carico dovuto alla tensione di vapore viene spiegato dal principio dell'equilibrio mobile di [[w:Principio_di_Le_Châtelier|Le Chatelier-Braun]], che stabilisce che variando uno dei parametri che caratterizzano un sistema all'equilibrio, il sistema reagisce nella direzione che si oppone al disturbo. Nel caso trattato del sistema da vuoto, si ha che aspirando con la pompa si provoca diminuzione di pressione nella camera da vuoto, il sistema si oppone al disturbo facendo evaporare i materiali che sono presenti sulle superfici di quest'ultima, e quindi tenta di riportare la pressione al valore precedente il disturbo (causato dalla pompa). Il degassamento che rappresenta un problema molto importante è trattato a parte nel seguito. Tra le concause che concorrono al carico vi sono anche i processi tecnologici che avvengono nella camera da vuoto ad esempio per la crescita di film termico viene fuso un materiale e portato ada una temperatura tale che la sua tensione di vapore sia unaun valore sufficientemente elevato.

Se infine nel sistema da vuoto vi sono perdite verso la pressione esterna, tali perdite rappresentano una ulteriore componente del carico che deve essere aspirato dal sistema per mantenerlo sotto vuoto. La localizzazione di eventuali perdite verso l'esterno è un problema importante negli impianti da vuoto. Esistono degli strumenti opportuni chiamati ''cercafughe'' (in inglese ''leak detectors'') che utilizzano la combinazione della [[w:Spettrometria_di_massa|spettrometria di massa]] e un gas raro nell'atmosfera, ma con elevata [[w:Permeabilità|permeabilità]] quali l'[[w:Elio|Elio]] per trovare le perdite presenti se molte piccole. Perdite grandi si trovano sia mettendo sotto lieve pressione il sistema ede utilizzando acqua saponata (una tecnica simile a quella usata per la riparazione delle camere d'aria) o utilizzando gli strumenti da vuoto che variano la loro risposta con la composizione dei gas, in genere si usano sostanze organiche quali [[w:Acetone|acetone]] e [[w:Alcool_isopropilico|alcol isopropilico]].

In questa sezione vengono descritti vari fenomeni che rappresentano spesso il collo di bottiglia nel raggiungimento di condizioni di alto vuoto ede a maggior ragione la vera ragione per cui è difficile ottenere vuoti più spinti. Il processo di degassamento è un fenomeno particolare che avviene sotto vuoto; è caratterizzato dal rilascio di gas da parte delle superfici che sono stati o [[w:adsorbimento|adsorbiti]] o [[w:absorbimento|absorbiti]]: i due fenomeni che danno origine si chiamano in maniera simile ma non vanno confusi.

L'adsorbimento è un fenomeno solo superficiale può essere fisico, con poca energia di legame (determinato dalle cosidettecosiddette forze di [[w:Forze_di_Van_der_Waals|forze di Van der Waals]]), o chimico con maggiore energia di legame. Ossidi o nitruri sulle superfici rappresentano un tipico esempio di legami chimici. In genere ada ogni temperatura e pressione esiste sulle parti solide della camera da vuoto un equilibrio dinamico tra il processo di adsorbimento dei gas presenti nel sistema (che contribuisce alla diminuzione di pressione del sistema) ede il processo opposto il desorbimento che contribuisce al degassamento e quindi al carico. In genere se portiamo un sistema da vuoto a pressione atmosferica le pareti a livello superficiale adsorbono i gas presenti (in maniera diversa a seconda delle loro proprietà fisico chimiche) e questi vengono rilasciati nel processo successivo di desorbimento quando il sistema viene ripotato sotto vuoto. Bisogna aggiungere che durante i processi tecnologici il materiale trattato viene esposto a diversi processi e viene bombardato da particelle (ad esempio [[w:Argon|Argon]]). In questo caso se il gas è non reattivo, come l'Argon, il legame è sicuramente fisico e il gas adsorbito viene rilasciato completamente in tempi molto brevi, anche di pochi secondi, .

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 superficie, tra le varie molecole ricordiamo l'acqua che in genere ha un legame molto forte con tutte le superfici. Quando un sistema da vuoto viene portato a pressione atmosferica le molecole di gas formano una fase adsorbita su tutte le superfici. Per questa ragione invece di portare il sistema a pressione atmosferica con l'aria, si preferisce usare Azoto secco, privo di acqua, 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 nel loro moto casuale sbattono con altre pareti e possono staccarsi ede attaccarsi più volte rallentando il loro processo di rimozione.

Un altro fenomeno con caratteristiche diverse è l' [[w:absorbimento|absorbimento]], che è la ritenzione fisica nel ''bulk'' dei gas. La frase italiana ''interno del solido in profondità'' si identifica con un'unica parola inglese ''bulk''. L'absorbimento riguarda solo alcuni gas, quelli in cui le molecole che li costituiscono hanno dimensioni molto piccole, come l'Elioelio, l'Idrogenoidrogeno e l'Ossidoossido di carbonio, tali gas possono entrare nella struttura solida e diffondersi all'interno. Il solido si comporta per questi gas come una spugna. La quantità di gas absorbita può raggiungere valori considerevoli, fino a un atomo absorbito per ogni atomo di solido. Un centimetro cubo di acciaio inossidabile, materiale considerato poco absorbente, può contenere un volume di gas paragonabile a quello che occuperebbe il gas stesso a pressione atmosferica. Quando il sistema viene messo in condizioni di vuoto, lentamente questi atomi absorbiti diffondono fino alla superficie e da qui nel sistema da vuoto e rappresentano materiale che deve essere asportato da sistemi di pompaggio. Nel caso di materiali absorbiti la loro rimozione può richiedere tempi molto lunghi, anche di anni!

[[Immagine:Schema_di_una_linea_da_vuoto.png|thumb|250px|Schema di una tubazione tra un sistema da vuoto ede una pompa ]]

condotto ede un altro avviene con tubazioni di diametro differente, in maniera brusca, la conduttanza equivalente risulta inferiore a quella ricavabile dalla formula 5.

Un caso semplice da trattare è quello di un tubo di sezione circolare costante e di lunghezza finita. In tale caso definiamo con D il Diametro del tubo e con L la sua lunghezza. Nel '''regime viscoso''' bisogna distinguere due comportamenti diversi. Nel caso in cui il rapporto tra il carico ede il diametro D sia maggiore di un valore semiempirico:

Con <math>p_1\ </math> e <math>p_2\ </math> le pressioni all'estremo in mbar, mentre D ede L sono in cm. La viscosità dei gas dipende poco dalla massa dei gas in gioco, mentre ha una marcata dipendenza dalla temperatura (cresce con la radice quadrata della temperatura assoluta).

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 ada una camera da vuoto a pressione p.