Kiyani 2

‫تكنيك خل‬ ‫بخش اول‬

‫معرفي خل‬

‫معرفي خل‬ ‫خل چيست •‬ ‫‪:‬‬ ‫تعريف رسمي آن به صورت ”فشاركم“ است •‬ ‫‪.‬‬ ‫از آنجاييكه ”كم“يك كلمه نسبي است واين فشار مربوط به فشار •‬ ‫اتمسفري است‬ ‫‪.‬‬ ‫•‬ ‫پس فشار برابر است با‪:‬نيرو بر واحد سطح‬ ‫•‬ ‫& نيوتن بر متر مربع‬ ‫پوند بر مجذور اينچ‬ ‫•‬ ‫•‬

‫معرفي خل‬ ‫فشار اعمال شده برروي گاز در ظرف سر بسته صلب •‬ ‫باعث مي شود كه ملكول هاي گاز به شدت به ديواره‬ ‫برخورد مي كنند‬ ‫‪.‬‬ ‫گاز‪:‬حالتي از ماده است كه ملكول هاي آن مي توانند_ •‬ ‫آزادانه در هر جهتي حركت كنند وبراي پر كردن ظرف‬ ‫پخش مي شود‬ ‫‪.‬‬ ‫فشار تركيبي از ‪2‬عامل است •‬ ‫‪:‬‬ ‫) چه مقدار گاز در ظرف وجود دارد(چگالي ملكولها_ •‬ ‫انرژي جنبشي ملكولهاي گاز_ •‬ ‫‪.‬‬

‫معرفي خل‬ ‫‪ :‬بنابر اين خل(فشار كم)توسط موارد زير ايجاد شود •‬ ‫(‪• 1‬‬ ‫كاهش تعداد ملكولهاي گاز در ظرف يا پيستون‬ ‫(‪• 2‬‬ ‫كاهش انرژي جنبشي يا دماي ملكولهاي گاز‬

‫معرفي خل‬ ‫فشار اتمسفري‪ :‬زمين توسط اتمسفري كه اساسا“از گاز •‬ ‫نيتروژن واكسيژن تشكيل شده احاطه شده است‬ ‫‪.‬‬ ‫نيروي وارده از اتمسفر ‪7/14‬پوند بر مجذور اينچ بر سطح •‬ ‫زمين است(در سطح دريا در دماي صفر درجه و‪45‬درجه‬ ‫عرض جغرافيايي‬ ‫)‬ ‫سوال ‪:‬چرا وقتي از سطح زمين بال مي رويم فشار اتمسفر •‬ ‫كمتر مي شود؟‬ ‫•‬

‫معرفي خل‬ ‫نيروي ‪ 7/14‬پوند بر اثروزن ملكولهادر ستوني از هواي‬ ‫بالي سطحي از زمين به مساحت ‪ 1‬اينچ مربع كه در •‬ ‫‪ .‬گوشه اي از سطح زمين گسترش يافته است مي باشد‬ ‫•‬

‫معرفي خل‬ ‫عرض جغرافيايي وفشار اتمسفري طبق فرمول زير به هم مربوط •‬ ‫مي شوند‬ ‫‪:‬‬ ‫‪− A 17000‬‬

‫‪P = 14.7 ×10‬‬

‫‪P‬‬

‫)‪ )PSIA‬و‬ ‫برحسب پوند بر مجذوراينچ‬ ‫بطوريكه‬ ‫‪ A‬عرض جغرافيايي بالي سطح زمين بر حسب متر است‬ ‫‪.‬‬

‫•‬

‫‪Atmospheric Pressure vs. Altitude‬‬

‫‪10000‬‬

‫‪8000‬‬

‫‪6000‬‬

‫‪4000‬‬

‫‪2000‬‬

‫‪Altitude in meters above sea level‬‬

‫‪0‬‬

‫‪PSIA‬‬

‫‪16.0‬‬ ‫‪14.0‬‬ ‫‪12.0‬‬ ‫‪10.0‬‬ ‫‪8.0‬‬ ‫‪6.0‬‬ ‫‪4.0‬‬ ‫‪2.0‬‬ ‫‪0.0‬‬

‫معرفي خل‬ ‫فشار اتمسفري در مكاني به ارتفاع ‪866‬متر بالي سطح •‬ ‫‪psia.‬‬ ‫است‬ ‫حدود ‪1/13‬‬ ‫زمين در‬ ‫‪.‬‬ ‫•‬ ‫در بالي قله اورست (‪8850‬متر)فشار در حدود ‪4 /3‬‬ ‫‪ psia.‬كمتر از ثلث فشار در سطح درياست‬ ‫‪.‬‬

‫معرفي خل‬ ‫فشار خالص ‪:‬مچاله شدن يك كانتينر بر اثر ميعان بخار‬

‫•‬

‫فشار خالص‬ ‫ملكولهاي گاز به طور پيوسته با برخوردبه ديواره ظرف_ •‬ ‫به آن نيرو وارد مي كند‬ ‫‪.‬‬ ‫اگر در ظرف باز باشد‪)1 :‬نيروي داخلي با نيروي_ •‬ ‫خارجي برابر است‬ ‫‪.‬‬ ‫‪ .‬هيچ نوع فشاري بر ديواره هاي ظرف وجود ندارد(‪• 2‬‬ ‫اگر در ظرف بسته باشدتعدادي از ملكولهاي داخل ظرف_ •‬ ‫به سمت بيرون پمپاژ مي شود كه در آنجا هيچ نيرويي كه‬ ‫‪ .‬بتواند به ديواره هاي ظرف فشار وارد كند وجود ندارد‬ ‫اگر نيرويي بزرگتر از قدرت مكانيكي ظرف وجود _ •‬ ‫نداشته باشددر آنجا انفجار رخ خواهد داد‬ ‫‪.‬‬

‫معرفي خل‬ ‫•‬ ‫•‬ ‫•‬ ‫•‬

‫يك خل ايده آل چگونه است‬ ‫‪:‬‬ ‫‪.‬مكاني كه از هيچ تشكيل شده باشد _‬ ‫فشار صفر ‪psia‬‬ ‫_‬ ‫_‬ ‫آيا هيچ وجود دارد؟با يقين مي توان گفت ‪:‬خير‬ ‫‪ .‬عمق فضا تقريبا نزديك به (‪ ) < 10-20 •psia‬است‬ ‫‪.‬چه دليلي دارد كه در جهان اقعي چيزي وجود ندارد_‬ ‫‪ .‬در خل واقعي هيچ فشاري پايينتر از فشار اتمسفري نيست_‬

‫تاريخچه كوتاهي در مورد خل‬ ‫آقاي توريچلي در سال •‬ ‫‪1643‬يك پمپ مكش براي‬ ‫‪ .‬حركت آب از چاه كشف كرد‬ ‫اولين بارومتر نه چندان •‬ ‫پيشرفته راكشف كرد‬ ‫‪.‬‬ ‫يكاي فشار بعداز او تور نام •‬ ‫گرفت‬ ‫‪.‬‬

‫تاريخچه كوتاهي در مورد خل‬ ‫اوتوون گاريك در سال ‪:1663‬‬ ‫‪.‬‬

‫•‬

‫پمپ پيستون خلرا كشف كرد(‪• 1‬‬

‫دو نيمكره در كنار هم قرار گرفته بودند_ •‬ ‫هواي بين آنها به طور كامل پمپ شده اندكه‬ ‫دو دسته اسب هم نتوانستند اين دو قطعه‬ ‫نيمكره را از هم جدا كنند‬ ‫‪.‬‬

‫تاريخچه كوتاهي در مورد خل‬ ‫اديسون در سال ‪1879‬از خل در اولين لمپ الكترونيكي استفاده_ •‬ ‫كرد‬ ‫‪.‬‬ ‫در اوايل ‪1900‬اختراع پمپ هاي خل ادامه يافت وخلسنج هايي_ •‬ ‫براي كمك به لوله هاي تكنولوژي خل جديدايجاد شد‬ ‫‪.‬‬ ‫در سال ‪1950‬كشف پمپ ديفوژن وپمپ يوني وخلسنج هاي_ •‬ ‫بالومافوق بال‬ ‫(‬ ‫‪(< 10-6‬‬ ‫يوني در رابراي خلهاي ‪torr‬‬ ‫باز كرد •‬ ‫‪.‬‬ ‫‪ .‬در سال ‪1970‬پمپ توربوملكولر وپمپ برودتي كشف شد_ •‬

‫براي چه به خل نياز داريم؟‬

‫براي حركت يك ذره در خط مستقيم در مسافت زياد‬

‫براي چه به خل نياز داريم؟‬ ‫خل بال‬

‫اتمسفر‬

‫سطح تميز‬

‫آلودگي‬ ‫معمولتوسط آب‬

‫براي ايجاد يك سطح تميز‬

‫چرا از خل استفاده مي كنيم؟‬

‫⇐‬

‫•‬ ‫كم شدن پتانسيل ملكولهاي آلوده‬ ‫نظافت وپاكيزگي‪ :‬فشار كم‬ ‫_ •‬ ‫گسترش زماني تشكيل شدن اكسيد خالص‬ ‫_ •‬ ‫كاهش يا حذف تركيبات ناخالص‬ ‫توليد پلسما‪:‬پلسما براحتي به وجود مي آيد ودر محيط در فشار كم •‬ ‫نگهداري مي شود‬ ‫‪.‬‬ ‫براي سياه قلم وته نشست شدن ورونشاني يون كاربرد دارد_ •‬ ‫‪.‬‬ ‫تداخل كمتر ملكولها‪:‬كاهش پويش آزاد ميانگين براي يونهايي كه در پديده •‬ ‫پراندن يون استفاده شده است‬ ‫‪.‬‬ ‫•‬ ‫كاهش اصطكاك‪:‬كاهش پراكندگي موردنياز براي فرايند‬ ‫•‬ ‫عايق گرمايي‪:‬يعني ظرف فلسك‬

‫چرا از خل استفاده مي كنيم؟‬ ‫ارتقادادن عمل تبخير‪:‬موادي توانايي تبخير شدن رادارند كه •‬ ‫در دماي پايين وفشار كم باشند‬ ‫‪.‬‬ ‫مزيت هاي مكانيكي‪:‬استفاده از تفاوت فشار براي نگهداشتن •‬ ‫بخش هايي در مكان ويا جابجا كردن آنها از يك جا به جاي‬ ‫ديگر‬ ‫‪.‬‬

‫)استفاده براي خل( غير نيمه رساناها‬ ‫براي خشك كردن مواد غذايي وتوليدات وابسته به(‪• 1‬‬ ‫دارويي‬ ‫(‪• 2‬‬ ‫رونشاني عدسي نوري‬ ‫(‪• 4‬‬ ‫لوله هاي خلولوله هاي پرتوي كاتدي‬ ‫(‪• 5‬‬ ‫جاروبرقي‬ ‫مزيت هاي مكانيكي(‪• 6‬‬ ‫‪:‬‬

‫)استفاده براي خل(نيمه رساناها‬ ‫كاهش ناخالصي‬ ‫كاهش توليد پلسما‬ ‫افزايش پويش آزاد ميانگين‬

‫_ •‬ ‫_ •‬ ‫_‬

‫اندازه گيري فشار‬

‫بارومتر‬ ‫جيوه‬ ‫‪:‬جيوه ‪58/13‬مرتبه سنگين تر از آب‬ ‫ستون ‪58/13‬كوچكتر است‬

‫‪.‬‬

‫‪10.321‬‬ ‫‪mm‬‬

‫‪10321 mm/13.58=760 mm‬‬ ‫‪29,9‬‬ ‫‪in‬‬

‫‪760‬‬ ‫‪mm‬‬

‫جيوه‬

‫)‪(= 760 Torr‬‬

‫آب‬

‫اندازه گيري فشار‬ ‫بارومتر‬

‫•‬

‫توريچلي يك لوله شيشه اي •‬ ‫راكه پر از جيوه بود به طور‬ ‫وارونه درون تشت پر از جيوه‬ ‫‪:‬گذاشت مشاهده كردكه‬ ‫سطح جيوه در لوله بالوپايين_ •‬ ‫مي رفت به دليل تغييرات فشار‬ ‫در محيط اطراف‬

‫اندازه گيري فشار‬ ‫در سطح دريا فشار اتمسفري ستون ‪67‬سانتيمتري جيوه_‬ ‫را نگه خواهد داشت •‬ ‫‪.‬‬ ‫‪• _1 torr = 1 mm Hg = 1/760 atmospheric‬‬ ‫‪pressure‬‬

‫ اتمسفر‬1‫فشار استاندارد‬ •

45‫در سطح دريا ودر دماي صفر درجه وعرض جغرافيايي‬ • :CGS • P=dyne/cm2=bar P=ρgh=13.6×98×76=1012928bar≈10 6bar ≈ 1013 mbar : MKS P=N/m2 =pascal P=13600 ×9.8 ×.76=101292.8 ≈105 pascal 100 pascal=1 mbar=.76 Torr

‫فشارهاي مساوي‬ ‫= )فشار استاندارد (اتمسفر‬ ‫(‪ )psig‬رنج فشار‬ ‫(‪ )psia‬پوندبرمجذور اينچ‬ ‫اينچ جيوه‬ ‫ميليمتر جيوه‬ ‫تور‬ ‫ميلي توريا ميكرون‬ ‫پاسكال‬ ‫بار‬ ‫ميلي بار‬

‫‪0‬‬ ‫‪14.7‬‬ ‫‪29.9‬‬ ‫‪760‬‬ ‫‪760‬‬ ‫‪760,000‬‬ ‫‪101,325‬‬ ‫‪1.013‬‬ ‫‪1013‬‬

‫اتمسفر مخلوطي از چندين گاز است‬: • ‫فشار جزيي گازها با حجم آنها متناسب است‬

‫فشار جزيي‬

‫در صد حجمي‬ ‫گاز‬

‫نماد شيميايي‬

Nitrogen Oxygen Argon Carbon Dioxide Neon Helium Krypton Hydrogen Xenon Water

N2 O2 A CO2 Ne He Kr H2 X H2 O

78 21 0.93 0.03 0.0018 0.0005 0.0001 0.00005 0.0000087 Variable

.

‫تور‬

‫پاسكال‬

593 158 7.1 0.25 1.4 x 10-2 4.0 x 10-3 8.7 x 10-4 4.0 x 10-4 6.6 x 10-5 5 to 50

79,000 21,000 940 33 1.8 5.3 x 10-1 1.1 x 10-1 5.1 x 10-2 8.7 x 10-3 665 to 6650

‫فشار بخار آب در دماهاي مختلف‬ ‫(‪P )mbar‬‬ ‫‪1013‬‬

‫(‪T )O C‬‬ ‫جوش‬

‫‪32‬‬ ‫‪6.4‬‬

‫‪100‬‬ ‫‪25‬‬

‫انجماد‬

‫‪0.13‬‬

‫‪0‬‬ ‫‪-40‬‬

‫‪6.6 x 10 -4‬‬

‫يخ خشك‬

‫‪-78.5‬‬

‫‪10 -24‬‬

‫نيتروژن مايع‬

‫‪-196‬‬

‫اندازه گيري فشار‬ ‫‪:‬ديگر واحد هاي فشار •‬ ‫اينچ آب وپاسكال وبار واتمسفروپوند بر مجذور اينچ _ •‬ ‫‪.‬موارد استفاده پاسكال وبار در اروپا است _ •‬ ‫در آمريكا وما در اين كلس از تور استفاده مي شود كه از نشانه_ •‬ ‫گذاري علمي استفاده مي شود مثل ‪•5 x 10-6 torr. :‬‬ ‫بخش مهم ‪:‬فشار اتمسفري‬ ‫•‬ ‫‪– 1 atm. = 760 torr = 760 mm Hg = 406.8 in. H2O = 14.7‬‬ ‫‪pounds/in2 = 1.013 bar = 101,325 Pa‬‬

‫اندازه گيري فشار‬ ‫‪:‬توجه‬ ‫‪.‬خل بال به فشار كم منتج مي شود‬ ‫‪ .‬وبه طور معكوس خل پايين به فشار بال منتج مي شود‬ ‫البته به طور نسبي)‬ ‫)‬

‫•‬ ‫•‬ ‫•‬ ‫•‬

‫اندازه گيري خل‬ • ‫(بستگي به منبع دارد‬:‫گستره كاركرد خل‬

). Atm

Ultra-High Vacuum 10-14

10-12

10-10

High Vacuum

10-8

10-6

10-4

Medium Vacuum

10-2

100

Rough Vacuum 102 103

Pressure )Torr( 103

105

107

109

1011

1013

1015

1017

1019

Density in molecules per cubic cm )at 25 OC( 109

107

105

103

101

10-1

10-3

( 25‫مسافت آزاد ميانگين برحسب متر‬OC(

10-5

10-7

‫اندازه گيري فشار‬ ‫با توجه به شكل قبل سوالتي پيش مي آيد •‬ ‫‪:‬‬ ‫آيا خطر آلودگي به طور قابل توجه وقتي از خل پايين به •‬ ‫خل بال حركت مي كنيم افزايش مي يابد؟‬ ‫•‬ ‫كدام گستره خل براي بارومتر مفيد خواهد بود؟‬

‫محدوده هاي خل‬ ‫‪:‬خلپايين‬ ‫پايين اتمسفر به سمت‪1‬تور_‬ ‫كاربرد هاي غير صنعتي _‬ ‫‪:‬خلمتوسط‬ ‫‪_ 1 torr to 1 x 10-3 torr‬‬ ‫پلسما‬

‫_‬

‫محدوده هاي خل‬ ‫‪:‬خلبال‬ ‫_ ‪1 x 10-3 to 1 x 10-8 torr‬‬ ‫رونشاني يوني وخشك كن (تبخير كننده_‬ ‫)‬ ‫‪:‬خل مافوق بال‬ ‫كمتر از_‪1 x 10-8 torr‬‬ ‫_‬ ‫‪.‬ابزار تحقيقاتي وباريكه ملكولي‬

‫•‬ ‫•‬ ‫•‬ ‫•‬ ‫•‬ ‫•‬

‫مجموعه اصطلحات اضافي در مورد خل‬ ‫)‬

‫‪:‬چگالي ملكولي •‬ ‫تعداد ذرات بر واحد حجم گاز(ذره بر متر مكعب_ •‬

‫چگالي ملكولي كه ما رابه خل واقعي نزديك مي كند چقدر است؟ _ •‬ ‫‪:‬پويش آزاد ميانگين •‬ ‫فاصله متوسطي كه يك ملكول گاز در طي مسير مستقيم خود بدون •‬ ‫برخورد با ساير ملكولها يا ديواره ظرف طي مي كند‬ ‫‪.‬‬ ‫پويش آزاد ميانگيني كه ما را به خل واقعي نزديك مي كند چقدر_ •‬ ‫است ؟‬

‫اصطلحات خل‬ ‫)‪:‬فشار اصلي(نهايي •‬ ‫‪.‬كمترين فشاري كه يك سيستم خل مي تواند بدست آورد_ •‬ ‫هيچ گازي در سيستم به طور پيوسته نيست_ •‬ ‫‪.‬‬ ‫اين فشار در ابتداي فرايند به كار برده مي شود براي_ •‬ ‫‪.‬برطرف كردن ناخالصي ها‬ ‫_ •‬ ‫پس فشار اصلي سيستم بايستي در چه حدي باشد؟‬ ‫)‪:‬فشار فرايند(عملكرد •‬ ‫‪.‬فشار در يك سيستم با حركت گازها در آن نوسان مي كند_ •‬ ‫آيا فشار فرايند بزرگتر يا كوچكتر از فشار اصلي است؟ _ •‬

‫پايان بخش اول‬ ‫با تشكر از آقاي دكترميرجليلي‬ ‫مهناز كياني‬

‫‪8414943‬‬

‫•‬ ‫•‬ ‫•‬ ‫•‬