خلأ

حباب شیشه‌ای با پیستون پمپ خلا موجود در آزمایشگاه‌ها برای نمایش پروژه‌های آزمایشی
خلا فضای عاری از ماده است. این واژه در زبان لاتین نیز از «خالی» (vacuus) سرچشمه می‌گیرد. در اشاره و مقایسه نسبی به چنین خلا کاملی، منطقه‌ای با یک فشار گازی بسیار کمتر از فشار اتمسفر نیز یک خلا است. در گفت‌وگوهای علمی فیزیک‌دانان اغلب در مورد نتایج آزمایش که در شرایط ایده‌آل (خلا کامل)؛ در برابر انجام آن در فضای آزاد، رخ می‌دهد، با استفاده از واژه خلا نسبی برای اشاره به خلا ناقص سخن می‌گویند و منظورشان یک خلا واقعی ولی ممکن، مثلا در آزمایشگاه یا در فضاست. از سوی دیگر، در مهندسی و فیزیک عملی، خلا به هر فضایی که در آن فشار کمتر از فشار اتمسفر باشد اشاره دارد.
خلا (vacuum) به محیطی گفته می‌شود که چگالی ذره‌های (اتم‌ها و مولکول‌های) موجود در آن خیلی کمتر از محیط جو است۳. خلا را با توجه به تعداد ذراتی که در واحد حجم دارد، به خلا عادی، خلا متوسط، خلا بالا، خلا خیلی بالا، و خلا بی‌نهایت تقسیم‌بندی کرده‌اند. برای تشخیص نوع خلا، تعداد مولکول‌ها اندازه‌گیری نمی‌شوند، بلکه با اندازه‌گیری فشار گاز می‌توان تعداد مولکول‌ها در واحد حجم را تعیین کرد. خلا به محیطی گفته می‌شود که فشار آن از فشار اتمسفر کمتر باشد و براساس فشاری که دارد به خلا عادی، متوسط و غیره تقسیم‌بندی می‌شود۴،۳.
مشخصات خلاء
بندانگشتی
واژه خلا عموما به ناحیه‌ای از فضا که فشار آن کمتر از ۷۶۰ تور (واحد فشار) باشد، اطلاق می‌شود. تور یکی از واحدهای فشار و تقریبا معادل یک میلیمتر جیوه است.
هدف اصلی فناوری خلا کاهش چگالی ذرات خارجی، شامل اتم‌ها یا مولکول‌ها، یا ذرات دیگر در یک حجم مشخص است. این ذرات خارجی
عبارتند از:
بخار حاصل از چشمه مواد
گازهای موجود در هوای داخل محفظه که عمدتا شامل نیتروژن و اکسیژن، بخار آب (که از راه هوا جذب می‌شود)، هیدروژن، مونوکسیدکربن و دی اکسید کربن می‌باشند.
گازهایی که بواسطه عدم درزبندی درست و در اثر نشتی حاصل از آن از طریق دیواره‌ها وارد سیستم می‌شوند.
گاز حاصل از فشار بخار مواد
گازهای جذب شده در داخل مثلا بدنه استیل که بعد از پولیش کردن بدنه یا پخت محفظه خارج می‌شوند.
لازم است ذکر شود که دفع گاز با دمای داخل محفظه خلا متناسب است و با بالا بردن دمای محفظه، دفع گاز با سرعت بیشتری انجام شده و پس از گذشت زمان مشخص به یک مقدار ماکزیمم رسیده و در ادامه به آهستگی کاهش می‌یابد.
فرایند پخت جهت دفع هر چه بیشتر و زودتر گازها از بدنه تجهیزات انجام می‌شود و بسته به خواص آن در دماهای مختلفی صورت می‌گیرد.
جهت گاززدایی هر چه سریعتر از سطوح تجهیزات می‌توان فرایند پخت را در دماهای بالاتر و فشارهای پایین‌تر انجام داد.
در شرایط خلا می‌توان قانون گاز کامل (ایده‌آل) که بیانگر ارتباط بین فشار(P) دما (T) و حجم محفظه (V) است را مورد استفاده قرار داد: PV=nRT
که در آن P فشار داخلی سیستم، V حجم سیستم، n تعداد مول‌های ذرات سیستم، R ثابت جهانی گازها و T دمای سیستم با یکای کلوین است.
مولکول‌های تشکیل دهنده گاز در مسیرهای مستقیم و به صورت کاتوره‌ای حرکت کرده و با مولکول‌های دیگر یا دیواره‌های ظرفی که درآن قرار دارند برخورد می‌کنند.
برای تشریح خلا، علاوه بر کمیت فشار، از کمیت‌های دیگر نیز استفاده می‌شود. یکی از مهم‌ترین آنها کمیت مسیر پویش آزاد میانگین(MFP) است که بوسیله آن می‌توان ارزیابی بهتری در خصوص تعداد ذرات در واحد حجم مورد نظر ارائه داد و به صورت زیر تعریف می‌شود:
مسیر پویش آزاد میانگین مولکولی، که با حرف نشان داده می‌شود، میانگین فاصله‌ای است که یک مولکول در بین دو برخورد متوالی با مولکول‌های دیگر طی می‌کند.
محفظه خلا
بندانگشتی
به عنوان قسمت اصلی یک سیستم لایه (Chamber) برای نگهداشتن خلا، نیاز به یک محفظه مخصوص موسوم به محفظه خلا نشانی محسوب شده و تجهیزات متعددی را دربرگرفته و خلا بدست آمده را از محیط بیرون جدا می‌کند. محفظه خلا معمولا از موادی مانند استیل زنگ نزن یا شیشه پیرکس ساخته می‌شود.
از مهمترین دلایلی که از استیل زنگ نزن یا شیشه پیرکس جهت ساختن بدنه محفظه خلا استفاده کنند می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
زنگ نمی‌زنند.
به آسانی تمیز می‌شوند.
خاصیت غیرمغناطیسی دارند.
خواص گاززدایی خوبی دارند.
در این بین استیل زنگ نزن به دلیل برخورداری از استحکام زیاد (حتی در دما و خلا خیلی زیاد)، قابلیت جوشکاری و تراشکاری آسان، برای سیستم‌های بزرگ ترجیح داده می‌شود.
پمپ‌ها
برای خروج گازها و بخارهای داخل محفظه و در نتیجه ایجاد خلا، از وسیله‌ای به نام پمپ خلا استفاده می‌شود، اساس کار این پمپ‌ها
معمولا به دو صورت انجام می‌شود:
پمپ‌های تراکمی که اساس کار آنها جدا کردن ذرات از داخل محفظه، متراکم کردن و هدایت آنها به محیط بیرون است. پمپ‌های روتاری (چرخشی) از جمله این پمپ‌ها هستند.
پمپ‌های تله‌ای (Entrapment) که با ایجاد تله به شکل‌های مختلف مانند تله سرما، موجب چگالش ذرات روی بدنه فلزی می‌شوند. کرایو پمپ‌ها (پمپ‌ها سرمایشی) از این دسته‌اند.
در شناسایی پمپ‌های خلا فاکتورهای متعددی وجود دارد که در بین آنها دو فاکتور زیر مهمترند:
آهنگ پمپاژ پمپ
خلا نهایی قابل دسترس توسط پمپ
این ویژگی‌ها معمولا در یک نمودار که به نمودار عملکرد معروف است، نشان داده می‌شود.
فشارسنج
مانند هر کمیت دیگر از قبیل دما، سرعت و مسافت، کمیت فشار نیز می‌بایست قابل کنترل یا به عبارتی دیگر قابل اندازه‌گیری باشد. وسیله‌ای که با آن بتوان مقدار فشار را در داخل محفظه مشخص اندازه‌گیری نمود، فشارسنج نام دارد.
امروزه فشارسنج‌ها بنا به نوع کاربرد دقت مورد نظر و محدوده فشار به شکل‌های مختلف ساخته می‌شوند.