Vakum Teknolojisi * Prof. Dr. Ergun GÜLTEKİN İstanbul Üniversitesi Fen Fakültesi Giriş Bilimsel amaçla veya teknolojide gerekli alanlarda kullanılmak üzere, kapalı bir hacim içindeki gaz moleküllerinin veya buharın ortamdan boşaltılması bir vakum işlemidir. Hava veya herhangi bir gazı kapalı bir yere pompalayarak o ortamın basıncını artırmak mümkündür. Vakum yaparken bu işlemin tam tersi ortamın gazı dışarı çekilerek basıncı azaltılmaktadır. Bilimsel çalışmalar da böyle basıncı azaltılmış ortamlarda yapılır Uluslararası tanıma göre Vakum: Basıncı Atmosferik Basıncın altında olan gazların doldurduğu kapalı bir ortam olarak tarif edilmiştir. Bir deney sistemi içinde bulunan yabancı gazlar ve buhar deneyin gerçekleşmesini engeller. Bu nedenle deneyin yapılacağı ortamın çok temiz olması ve yabancı maddelerden (gazlar ve buhar) arındırılması şarttır. Böyle bir ortamın sağlanabilmesi vakum pompaları kullanılarak gerçekleştirilebilir. Şekil 1. Bu şekilde elde edilen ortam yapay bir vakum ortamıdır. (Uzay ise doğal bir vakum ortamıdır). Ortamın yabancı gazlardan temizlenmesi doğrudan ortalama serbest yol olarak adlandırılan fiziksel bir büyüklüğü etkiler. Vakum Ölçer Vana Vakum Ortamı Atmosfer Vakum pompası Şekil.1 Basit bir vakum sisteminin prensip şeması Ortalama Serbest Yol Bir gaz ortamında moleküllerin hareket ederken çarpışma yapmadan gittiği yol ortalama serbest yol olarak tanımlanır ve λ ile gösterilir. Ortalama serbest yol deneylerde çok önemli bir kavramdır. Ortamın vakum yapılması doğrudan bu fiziksel değeri etkilemektedir. Kapalı bir hacim içerisindeki molekül yoğunluğu ne kadar fazla ise moleküller arası çarpışma o kadar yoğun olmaktadır. Amaç, bu gereksiz çarpışmaları ortadan kaldırmaktır. Ortalama serbest yol kinetik teoriyi kullanılarak bulunabilir. Kinetik teoriden ortalama serbest yol 1 olarak verilmiştir. Burada σ molekül çapı, n yoğunluktur. 2 2 n
Denklemden görüldüğü gibi ortalama serbest yol ortamdaki molekül yoğunluğu ile ters orantılıdır. Ortamda deneyle ilgisi olmayan molekül sayısı arttıkça ortalama serbest yol azalır, deneyin gerçekleşmesini sağlayacak tanecikler çok fazla çarpışma yaparak enerjilerini kaybeder. Sonuçta deney başarısız olur. Ortalama serbest yol ne kadar büyük olursa deney şartları o kadar iyi olur. Tablo 1 de bazı vakum değerlerindeki ortalama serbest yollar verilmiştir. Yapılan deneyin şartlarına uygun vakum değerleri bu tablodan seçilebilir.. Pressure (torr) veya mm Hg 760 Atmosfer Basıncı Molekül Yoğunluğu (mol.cm -3 ) Tablo 1 Birim alanda yapılan Çarpışma (cm -2.sec -1 ) Ortalama Serbest yol (cm) 2.5x10 19 3.2x10 23 6.5x10-6 1 3.3x10 16 4.3x10 20 5x10-3 10-3 3.3x10 13 4.3x10 17 5x10 0 10-6 3.3x10 10 4.3x10 14 5x10 3 10-9 3.3x10 7 4.3x10 11 5x10 6 10-12 3.3x10 4 4.3x10 8 5x10 9 Vakum Birimleri Atmosfer basıncında kapalı bir hacmin içine hava gönderilirse ortamın basıncı artar. Bu basınç birim olarak 1 atmosfer veya katlarıdır. Aynı şekilde bu ortamın havası boşaltıldığında ortamın basıncı 1 atmosferin altına düşer. Bu nedenle basınç ve vakum birimleri aynı büyüklüklerle tarif edilmektedir Tablo 2. Bir kapalı hacimde gaz basıncı Pascal ( Pa ) birimi ile tarif edilir ve Pa= N/m 2 ( N= Newton, m= metre) ifadesiyle verilir. Vakum çalışmalarında birim olarak Torr veya Pascal kullanılır. Basınç birimi olarak bar kullanılır. Tablo 2 Pa bar atm Torr = mmhg Pa 1 10-5 987x10-8 750x10-5 bar 10 5 1 987x10-3 750 atm 1013x10 2 1.013 1 760 Torr = mmhg 133.3 133x10 5 132x10-5 1
Vakum Sisteminin kurulması Deney yapılacak ortamın havasını boşaltmak için mekanik vakum pompası kullanırken ileri derecede vakum ortamı elde etmek amacıyla birkaç pompadan meydana gelen pompalar kombinasyonu da kullanılabilir. Yukarıdaki hesaplama yöntemlerinden yararlanarak uygun hız ve hacme sahip gerekli pompalar seçildikten sonra bağlantı elemanları, vakum ölçerler, vanalar, borular kullanılarak sistem kurulur, Şekil.2. Hazırlık sırasında vakum elemanlarının çok iyi temizlenmesi ve eldiven giyilerek eldeki doğal deri yağlarının malzemeleri yağlamasına engel olmak gerekir. Şekil 2 Deney kabına bağlı bir vakum sistemi. X I -X L -X F : Vana, G 1 -G 2 : ölçme başlıkları. Gaz kanunları Vakum yapabilmek için ortamdaki gas veya buharın boşaltılması olduğu için öncelikle gazların dinamiğini bilmek gerekir. Gazların p basıncı ve V hacmi arasındaki bağıntı ideal gaz denklemi ile verilir. PV=NkT (1) şeklinde verilir. Denklemdeki N birim hacimdeki toplam gaz moleküllerinin sayısı; T mutlak sıcaklık; k Boltzmann sabitidir, değeri 1.38.10-22 torr.l.k -1 dir. Gaz Akışı (Throughput) ve Hızı Vakum sistemlerinde, birim zamanda boşaltılan gaz akışının belirlenmesi önemli bir büyüklüktür. Gaz akışının ölçülmesiyle aynı zamanda gaz moleküllerinin boşaltılmasından ileri gelen birim zamandaki kütle kaybı hakkında da bilgi sahibi olabiliriz. Denklem (1) de sabit sıcaklıkta bir sistemdeki gaz miktarının sistemin hacmi ve basıncı ile orantılı olduğunu vermektedir. Birim zamandaki akış miktarı, PV nin birim zamandaki değişiminden yararlanılarak bulunur. Buradan akış miktarı Throughput (flow rate) aşağıdaki gibi tanımlanır. d q ( PV ) (2)
Buradaki negatif işaret gaz akışının pozitif olmasını sağlamak için konmuştur. Çünkü, basınç veya gaz moleküllerinin sayısı zamanla azalacağı için birim zamandaki değişimi negatif olacaktır. Şimdi (2) denklemini yeniden düzenlersek, dp dv q V P (3) olur. Eğer üzerinde çalışılan sistem sabit hacimli ise hacimde bir değişme dp olmayacaktır..birim zamandaki gaz akışı, q V olacaktır ve throughput basıncın düşüş miktarının bir bölümü olacaktır. Bu sistemin anlık basıncı P olsun, bu durumda dv gaz akışı q P ile verilir; throughput q birim hacimden akan gaz miktarı olarak belirlenir. dv terimi S (Hız) olarak tanımlanır ve kısaca q = SP (4) ile verilir. Bu kavram vakum pompalarının seçimi için önemlidir. Burada pompanın hızı birim zamanda sistemden çıkarılan gazın hacmi ile birlikte tarif edilmiştir. Burada gaz akışı (throughput) = q birimi torr l sec -1 Hız = S birimi..l sec -1 veya l min -1 Bu değerlerden yararlanarak kullanılacak pompa için uygun hız ve hacime sahip pompa seçimi yapılır Vakum ortamı bulunduğu seviyelere göre de isimlendirilir Tablo 3 Tablo 3 Vakum ortamının sınıflandırılması Düşük vakum Orta vakum 750 torr- 1 torr 1 torr- 10-3 torr Yüksek vakum 10-3 torr-10-6 torr Çok yüksek vakum İleri yüksek vakum Çok ileri yüksek vakum 10-6 torr-10-9 torr 10-9 torr 10-12 torr 10-12 torr-10-16 torr
Hızlandırıcılarda Vakum Sistemi Büyük hızlandırıcı deneylerinde çok sayıda vakum sistemi kullanılmaktadır. Örnek olarak CERN araştırma merkezinde 27 km uzunluğundaki deney sisteminde yüzlerce vakum sistemi kullanılmaktadır. Bunlardan bir tanesinin prensip şeması Şekil 3 de verilmiştir. Şekil 3. CERN araştırma merkezinde Large Hadron Collider üzerindeki bir vakum pompa sisteminin prensip şeması Vakum Sistemi pompa ve elemanları için bazı örnekler Aşağıda vakum elemanlarını tanıtan fotoğraflar yer almaktadır. 1-) Mekanik Vakum pompası (Rotary pump, Primer pump olarak da adlandırılır) 2-) Küçük mekanik Vakum pompası 3-) Vakum ölçer ve başlığı (Pirani ve penning vakum ölçerler) 4-) Difüzyon pompası ( yüksek vakum değerlerine ulaşabilmek için mekanik pompa ile birlikte kullanılır ) 5-) Kompakt bir vakum sistemi ( Küçük mekanik vakum pompası, Vakum ölçer ve Başlığı, Difüzyon pompası birlikte monte edilmiş, deney kabına bağlanmak üzere hazır bir sistem). 6-) Turbomoleküler pompa (Çok yüksek vakum elde edebilmek için jet motorları prensibinde Yapılmıştır). 7-) Vakum Sistemi Bağlantı Elemanları
1- Mekanik Vakum Pompası 2- Küçük Mekanik Vakum Pompası 3-Vakum Ölçer ve Başlığı Difüzyon Pompası 4-Difüzyon Pompası 5-Kompakt Küçük bir Vakum Sistemi
6-Farklı Boyutlarda üç Turbomoleküler Pompa 7-Vakum Sistemi Bağlantı Elemanları için Örnekler