Tyhjiötekniikka
Tyhjiöt ja niiden käyttö

Tyhjiö on tila, jossa on vähemmän kaasumaisia atomeja ja molekyylejä kuin vastaavassa tilavuudessa tilan ulkopuolella. Tyhjiön paine on siis pienempi kuin ilmanpaine. Tyhjiötekniikassa käytetään paineen yksikköjä pascal (Pa), millibaari (mbar) sekä torri (Torr) eli elohopeamillimetri (mmHg). Yksi pascal on 0,01 millibaaria ja noin 0,0075 torria. Normaali-ilmanpaine on 101 325 Pa eli noin 1013 mbar ja 760 Torr. Laboratoriolaitteilla saavutettavat tyhjiöt jaetaan usein paineen perusteella seuraaviin alueisiin:
| 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- |
| karkeatyhjiö | välityhjiö | suurtyhjiö | hyvä suurtyhjiö | ultratyhjiö | hyvä ultratyhjiö |
| 105–102 Pa | 102–10−1 Pa | 10−1–10−4 Pa | 10−4–10−7 Pa | 10−7–10−10 Pa | 10−10 Pa – |
Ultratyhjiön ja karkeatyhjiön välillä on siis vähintään miljardikertainen paine-ero. Maan päällä ei luonnostaan esiinny kuin karkeatyhjiöitä. Ihminen synnyttää hengittäessään 740 torrin paineen ja imemällä on mahdollista saavuttaa 300 torria (40 kPa). Mustekala voi muodostaa noin 100 torrin paineen. Ilmakehässä suurtyhjiö alkaa ionosfäärissä noin 90 kilometrin korkeudessa. Tuhannen kilometrin korkeudessa paine on suuruusluokkaa 10−8 Pa ja kymmenessätuhannessa kilometrissä 10−11 Pa. Tähtienvälisessä aineessa molekyylit ovat vielä paljon harvemmassa ja paine voi olla alle 10−15 Pa.
Tyhjiöillä on erilaisia fysikaalisia etuja, joita hyödynnetään sovelluksissa: Ilmanpaineen tyhjiöön kohdistamaa voimaa voidaan käyttää esineiden paikallaan pitämiseen ja nostamiseen kuten imukupeissa. Paine-eroa hyödynnetään myös siirtämiseen muun muassa putkipostissa, imusuodatuksessa ja imureissa. Tavanomaiset pölynimurit pystyvät synnyttämään 600 torrin paineen. Lisäksi paine-eroa käytetään muovien muotoiluun.
Yksi hyödyllinen tyhjiöiden ominaisuus on ilman kemiallisesti aktiivisten kaasujen hapen ja vesihöyryn vähäisyys. Hehkulampussa on oltava tyhjiö tai tyhjiöityyn lamppuun on lisättävä jalokaasua, jotta hehkulanka ei palaisi poikki korkeassa lämpötilassa. Metallurgiassa tyhjiöiden avulla estetään reaktiivisten metallien hapettuminen sulattamisessa, valamisessa ja sintrauksessa. Elintarvikkeiden säilymistä parantavissa tyhjiöpakkauksissa käytetään yleensä karkeatyhjiötä. Herkkiä laitteita, kuten transistoreita ja kondensaattoreita, saatetaan koteloida suurtyhjiöalueessa.
Kaasujen poistamiseen tyhjiöitä käytetään elintarvikkeiden, kemikaalien ja muiden aineiden kuivaamisessa sekä liuenneiden kaasujen esimerkiksi öljyistä erottamisessa. Pakastekuivatuksessa tuote jäädytetään, minkä jälkeen veden annetaan sublimoitua tyhjiössä.
Tyhjiöitä käytetään myös energian siirtymisen vähentämiseksi. Termospullossa lämmön siirtyminen on minimoitu. Tyhjiöitä hyödynnetään myös sähköneristeinä. Esimerkiksi fuusioreaktorissa tarvitaan tyhjiötä. Avaruuden simulointia varten on rakennettu jopa tuhannen kuutiometrin tiloja, joihin on synnytetty ultratyhjiö.
Tyhjiöissä kaasutilaiset atomit, molekyylit, ionit ja elektronit törmäilevät toisiinsa harvemmin kuin normaali-ilmanpaineessa. Tätä ominaisuutta hyödynnetään muun muassa elektroniputkissa, hiukkaskiihdyttimissä, massaspektrometreissä, elektronimikroskoopeissa ja elektronisuihkuhitsauslaitteissa. Törmäysten vähäisyyttä käytetään hyväksi myös tyhjiötislauksessa aineiden puhdistamiseen ja tyhjiöhöyrystyksessä esimerkiksi linssien pinnoittamiseen.
Ultratyhjiössä voidaan tuottaa puhtaita pintoja, jotka eivät peity tutkimuksen aikana kaasun molekyyleillä. Näin voidaan tutkia pintojen todellisia kitka- ja adheesio-ominaisuuksia.