تخلية

Pump to demonstrate vacuum

A large vacuum chamber

تقانة التخلية vacuum technology هي الحصول على خلاء في إناء مغلق وذلك بالتخلص من الهواء فيه، وقد بدأ الاهتمام بذلك حين تبينت ضرورة وجود الهواء لانتقال الصوت. كما جرى تفريغ الهواء من أداة على شكل نصفي كرة قابلين للفصل فصعب فصلهما بعد التخلية بسبب تأثير الضغط الجوي على النصفين من الخارج فقط. تعددت بعد ذلك تطبيقات هذه التقانة لتدخل في تأثير التخلص من مكونات الجو الغازية والغازات على التفاعلات الفيزيائية أو الكيمياوية مثل الامتزاز أو الأكسدة. ودخلت هذه التقانة الصناعة لأول مرة قرابة عام 1900 في تصنيع المصابيح الضوئية الكهربائية لإطالة عمرها ومنع احتراقها، تبع ذلك استعمالها للعزل الحراري عند صناعة الأوعية الحافظة للحرارة vacuum flask لحفظ السوائل في درجة حرارة ثابتة. حيث يخلى فيه الحيّز بين طبقتين زجاجيتين من الهواء، لمنع انتقال الحرارة بالحمل بين الطبقتين. كما صنعت الصمامات الإلكترونية (الأنبوب الالكتروني) المُخْلاة حتى تمنع إعاقة حركة الإلكترونات عند انتقالها بين المصعد والمهبط والذي يعد أنبوب التلفاز نموذجاً مكبراً لها. وقد أخذت هذه التقانة دفعاً قوياً مع بداية خمسينات القرن العشرين عندما استخدمت في المسرعات والطاقة النووية، وكذلك عند استعمالها للإقلال من التلوث في الصناعات الإلكترونية الدقيقة. ودخلت أخيراً صناعة الفضاء وتقليد ما يحدث فيه.

استفادت هذه التقانة، كأي تقانة أخرى، من التأثير المتبادل بين التطورات العلمية وأدوات التقانة سواء من حيث تحسين المُخْليات (مضخات التخلية) وتنوعها أو من حيث مقاييس الخلاء والأجهزة المستعملة للقياس. كما استحدثت وحدات خاصة للتعبير عن جودة الخلاء أهمها التور Torr الذي يساوي الضغط الناتج عن عمود من الزئبق ارتفاعه 1mm مشتقة من التعبير عن الضغط الجوي النظامي بارتفاع عمود من الزئبق قدره 760mm، وما تزال هذه الوحدة مستخدمة مع اعتماد الباسكال، منذ عام 1971 في الجملة الدولية مكانه والذي يساوي 7.5×10-3 torr.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 المُخليات (مضخات التخلية)

تعد المضخة الزيتية الدوارة rotary pump أكثر المضخات استعمالاً في هذه التقانة، لكنها لا يمكن أن تؤدي إلى خلاء أفضل من 5×10-3 torr. وهي تتألف من أسطوانة تدور حول محور غير محورها بحيث يدفع الغاز الداخل من فتحة أولى ليخرج من فتحة ثانية في أثناء دوران نقطة التماس على السطح الداخلي لأسطوانة ثانية (الشكل-1)، تدعم كل فتحة عادة بصمام وحيد الاتجاه. تصنع المضخات عادة بحجوم وسعات مختلفة وتناقص سرعة إنجاز التخلية عموماً كلما اقتربنا من الحدود الدنيا، وقد تستعمل مضخات ذات مكبس مشابهة للمضخة اليدوية البسيطة. وتستعمل هذه المضخات في صناعة تغليف الأغذية وفي المثفلات وفي المختبرات العلمية كمُخلّية أولية.

تأتي المضخة الإنتثارية diffusion pump في الدرجة الثانية من حيث الاستعمال وهي تحتاج في عملها لمضخة دوارة. فهي تعمل على مبدأ انجرار الذرات مع ذرات حارة متوجهة من أعلى المضخة لتتكاثف في أسفلها (الشكل-2) وتعمل هذه المخليات بكفاية ما بين 10-3torr و10-9torr. وهذه أيضاً تصنع بسعات مختلفة.

المضخة التوربينية turbo pump وتعتمد للحصول على خلاءٍ كافٍ اختلاف الضغط وانخفاضه عند مركز دوامة هوائية. ويمكن لهذه المضخة أن تعمل بدءاً من الضغط الجوي حتى خلاء يقابل قرابة 10-7torr، وهي لا تحتاج إلى مضخة دوارة للقيام بالتخلية، كما أنها أنظف من المضخة الانتثارية فهي لا تستعمل زيتاً يعد بخاره ملوِثاً.

المضخة الادمصاصية sorption pump وتعتمد قدرة امتصاص سطوح بعض المواد للغازات، لذلك فهي تتعلق بكمية المادة الفعالة وإمكانية الاستفادة المتكررة منها، إذ يمكن طرد الغاز المدمص في السطح بالتسخين ومن ثم يمكن استخدام المادة مرة بعد مرة. وتتميز بعدم وجود أجزاء متحركة فيها وبأنه يمكن استعمالها على التتابع لتصل إلى خلاء ما بين 10-2torr و10-3torr.

مضخة التبريد المفرط cryo pump تستفيد هذه المضخة من كون أحد سطوحها في درجة حرارة منخفضة جداً بحيث يتكاثف الغاز عليه ويسيل فيمكن إخراجه من الحيز المُخلّى. وتعمل بصورة جيدة في المجال الواقع بين 10-3torr و10-10torr وتستعمل عادة غاز الهليوم لتبريد السطح حتى درجة حرارة تقارب 15k، لكن يمكن أن تستعمل الهليوم المائع أحياناً في الدرجة 4.2k وقد تضاف مصائد باردة إلى أنظمة الضخ الأخرى تعمل وفق المبدأ نفسه.

مضخة التصعيد sublimation pump تعمل في المجال بين 10-3torr و10-11torr وتستعمل التيتانيوم في عملية التصعيد وهو يتفاعل مع الغازات الفعالة كيمياوياً من دون الغازات الخاملة.

 في ميكانيكا الكم

لمزيد من التفاصيل عن هذا الموضوع، انظر QED vacuum, QCD vacuum, Vacuum state.

 الفضاء الخارجي

•  مقالة مفصلة: الفضاء الخارجي

Outer space is not a perfect vacuum, but a tenuous plasma awash with charged particles, electromagnetic fields, and the occasional star.

 التفسير التاريخي

بارومتر توريچلي الزئبقي أنتج أحد أول الفراغات المستمرة في معمل.

أنبوب كروكس، أُستُخدمت لاكتشاف ودراسة الآشعة المهبطية، وكانت تطوراً من أنبوب گايسلر.

 المقياس

•  مقالة مفصلة: قياس الضغط

	الضغط (تورّ)	الضغط (Pa)
ضغط جوي	760	101.3 kPa
فراغ منخفض	760 إلى 25	100 kPa إلى 3 kPa
فراغ متوسط	25 to 1×10−3	3 kPa إلى 100 mPa
فراغ عالي	1×10−3 إلى 1×10−9	100 mPa إلى 100 nPa
Ultra high vacuum	1×10−9 إلى 1×10−12	100 nPa إلى 100 pPa
Extremely high vacuum	<1×10−12	<100 pPa
الفضاء الخارجي	1×10−6 إلى <3×10−17	100 µPa إلى <3fPa
فراغ مثالي	0	0 Pa

تطورت هذه المقاييس في تعقيدها مع تحسن إمكان الحصول على خلاء عالٍ. ويعد مقياس مكليود Mcleod أول المقاييس التي تعتمد على ضغط الغاز المأخوذ من الحجرة المراد قياس الخلاء فيها ثم قياسه واستخلاصه اعتماداً على قانون الغازات العام، لذلك يسمى بالمقياس المطلق، وهو يستخدم لمعايرة المقاييس الأخرى. ومن المقاييس غير المباشرة هناك المقاييس المعتمدة على الناقلية الحرارية للغاز المتبقي مما يجعل درجة حرارة سلك مسخن تثبت عند درجة حرارة معينة. وبقياس درجة حرارة هذا السلك بوساطة مزدوجة كهرحرارية يمكن حساب ضغط الغاز. وقد تستنتج درجة حرارة السلك اعتماداً على تغير مقاومته ويدعى مقياس بيراني Pirani وتغطي مثل هذه المقاييس المجال بين 100torr و10-4torr.

أما النوع الثاني من المقاييس غير المباشرة والتي تحتاج إلى معايرة عادة، المقاييس التي تعتمد على تأين (تشرد) الغاز المتبقي نتيجة تصادم الإلكترونات بذرات الغاز ولابد لهذه الإلكترونات من أن تسرع كي تستطيع التأيين، كما يعتمد احتمال تصادمها على طول المسار الحر، لذلك يوضع مغناطيس لهذا الغرض فيجعل مسار الإلكترونات حلزونياً عوضاً عن أن يكون مستقيماً. يدعى هذا المقياس مقياس Penning ويمكن أن يقيس خلاء يصل إلى 10-7torr.

يستعمل المقياس السابق الإلكترونات الموجودة بصورة طبيعية في أي غاز فيحتاج الحصول على تيارات مناسبة إلى كمون تسريع يصل إلى 2kv لكن يوجد نوع آخر من المقاييس يعتمد على الإلكترونات الصادرة عن سلك مسخن وهذه تكمن عادة، إضافة إلى ما هو موجود بصورة طبيعية وتفوقها، لذلك يمكن الوصول إلى تيارات أيونية مناسبة بسهولة أكبر وهي تعمل في عدة مجالات من الخلاء اعتماداً على ذلك، فيمكن أن يكون المجال مثلاً ما بين 10-2torr و10-7torr كما يمكن التحكم بهندسة السلك والمجمع لتصبح قادرة على قياس خلاء يصل إلى 10-11torrكما في مقياس بيرد ـ ألبرت Bayard-Albert.

 قياسات الفراغ بالنسبة إلى 1 ض.ج.

مقياس مكليود زجاجي، مفرغاً من الزئبق.

 الإستخدامات

مصابيح الضوء تحتوي على فراغ جزئي، عادة ما يُعاد ملؤه بغاز الأرگون، الذي يحمي فتيلة التنگستن.

مكَّن الحصول على خلاء عال في الفيزياء والكيمياء من دراسة ظواهر جديدة لم تكن لتظهر لولا وجود الخلاء، مثل قياس طاقة الامتزاز على السطوح وترابطها معها، كما أن تطوير المجهر الإلكتروني اعتمد على جودة الخلاء من خلال إمكانية تسريع الإلكترونات لتصل إلى طاقات عالية، إذ يعتمد الوصول إلى طاقات عالية على عدم تصادم الإلكترون المسرع ولمسافة طويلة مع ذرات أو جسيمات أخرى، وهذا يتحقق في الخلاء العالي. ففي حين يحتوي السنتمتر المكعب من الهواء تحت الضغط الجوي النظامي وفي درجة الحرارة العادية قرابة 2 × 1910 جُزيئة، فإن هذا العدد سينخفض بمقدار مليون مرة أو أكثر حسب جودة الخلاء، ومن ثم فإن احتمال التصادم سيقل بهذا القدر. وما ينطبق على الإلكترونات ينطبق على الذرات المبخّرة في عملية التغشية (التلبيس) تحت الخلاء التي تستعمل في تغشية العدسات والعناصر الضوئية المختلفة. وتأتي صناعة التغشية بعد صناعة الصمامات والمصابيح من حيث الأهمية التجارية. ويستخدم المبدأ نفسه للإقلال من ضياع حزم الجسيمات في المسرعات الضخمة المستعملة في الفيزياء النووية وفيزياء الجسيمات التي تقلد ما يحدث داخل النجوم سواء من حيث تطورها أو من حيث طاقة أشعتها التي تصلنا إلى الأرض كاشفة لنا ماهية مصدرها وما تعانيه خلال سيرها حتى تصل الأرض. ولم يستطع الإنسان الوصول إلى خلاء يقارب الخلاء بين النجوم إلا حديثاً. فأمكنه تفسير بعض الظواهر الفيزيائية الفلكية. وتستعمل التخلية عند الضخ على سائل ما لتبريد هذا السائل. إن بخار السائل هو جسيمات ذات طاقة عالية بالمقارنة مع جسيمات السائل نفسه وهي القادرة على ترك السائل لهذا السبب، لذلك عندما نخلي هذه الجسيمات فوق السائل فكأننا نخلصه من جزء الجسيمات الحارة فيبرد. وقد يستمر التبريد حتى يبدأ السائل بالتجمد، وتحدث هذه عند قيم محددة لدرجة الحرارة والضغط لذلك تستخدم عادة في المعايرة. ويكاد لا يخلو مختبر من مختبرات الفيزياء أو الكيمياء من مضخة تخلية.

أما في صناعة الإلكترونيات فهي تخدم غرضاً مزدوجاً يتمثل بنظافة الجو الذي تجري فيه الصناعة والتحكم في مكونات هذا الجو لإحداث تفاعلات كيمياوية محددة على سطوح الركازة التي تتوضع عليها العناصر الإلكترونية من ترانزيستورات ودارات مدمجة، خاصة عندما وصلت هذه الصناعة إلى مستوى من الدقة بحيث تؤثر في عمل الدارة وجود جسيمات من أبعاد تقل كثيراً عن الميكرومتر. وينطبق مثل هذا على أفران التعدين والصلب وتدخل مسألة التخلص من الجراثيم والهواء بصورة مباشرة في الزراعة عن طريق حفظ الأغذية تحت الخلاء، كما دخلت التخلية مجال التحكم الآلي في رفع الأشياء بلطف، كما استعملت في المكانس الكهربائية اللطيفة.

 الماكينات المدارة بالفراغ

مضخة بئر ماء ضحلة تقلل ضغط الهواء داخل تجويف المضخة. Atmospheric pressure extends down into the well, and forces water up the pipe into the pump to balance the reduced pressure. Above-ground pump chambers are only effective to a depth of approximately 9 meters due to the water column weight balancing the atmospheric pressure.

الآبار العميقة توضع غرفة (تجويف) الضخ في أسفلها بالقرب من سطح الماء، أو غاطسة في الماء. A "sucker rod" extends from the handle down the center of the pipe deep into the well to operate the plunger. The pump handle acts as a heavy counterweight against both the sucker rod weight and the weight of the water column standing on the upper plunger up to ground level.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 إطلاق الغازات

•  مقالة مفصلة: إطلاق الغازات

 ضخ وضغط الهواء المحيط

•  مقالة مفصلة: مضخة فراغ

مقطع في turbomolecular pump، وهي مضخة نقل عزم، وتُستخدم لتحقيق فراغ عالي.

 التأثيرات على البشر والحيوانات

انظر أيضاً: التكيف البشري في الفضاء

هذه اللوحة، تجربة على طائر في مضخة هوائية بريشة جوسف رايت من دربي، 1768، تصور تجربة يجريها روبرت بويل في 1660.

 أمثلة

	الضغط (پا)	الضغط (تور)	المسار الحر المتوسط	جزيء/سم³
Standard atmosphere, for comparison	101.325 kPa	760	66 nm	2.5×1019
Vacuum cleaner	تقريباً 80 kPa	600	70 nm	1019
مضخة فراغية ذات حلقة سائلة	تقريباً 3.2 kPa	24	1.75 μm	1018
freeze drying	100 to 10 Pa	1 to 0.1	100 μm to 1 mm	1016 to 1015
rotary vane pump	100 Pa to 100 mPa	1 to 10−3	100 μm to 10 cm	1016 to 1013
Incandescent light bulb	10 to 1 Pa	0.1 to 0.01	1 mm to 1 cm	1015 to 1014
Thermos bottle	1 to 0.01 Pa	10−2 to 10−4	1 cm to 1 m	1014 to 1012
Earth thermosphere	1 Pa to 100 nPa	10−2 to 10−9	1 cm to 100 km	1014 to 107
Vacuum tube	10 µPa to 10 nPa	10−7 to 10−10	1 to 1,000 km	109 to 106
غرفة MBE بمضخة التبريد	100 nPa to 1 nPa	10−9 to 10−11	100 to 10,000 km	107 to 105
الضغط على سطح القمر	approximately 1 nPa	10−11	10,000 km	4×105
Interplanetary space				10
Interstellar space				1
Intergalactic space				10−6

 انظر أيضاً

• Decay of the vacuum (Pair production)
• Engine vacuum
• False vacuum
• Helium mass spectrometer - technical instrumentation to detect a vacuum leak
• Joining materials
• Pneumatic tube - transport system using vacuum or pressure to move containers in tubes
• Rarefaction - reduction of a medium's density
• Suction - creation of a partial vacuum
• Vacuum angle
• Vacuum cementing - natural process of solidifying homogeneous "dust" in vacuum
• Vacuum deposition - process of depositing atoms and molecules in a sub-atmospheric pressure environment
• Vacuum engineering
• Vacuum flange

 مراجع عامة

• Henning Genz (2001). Nothingness: The Science Of Empty Space. Da Capo Press. ISBN 0738206105.
• Luciano Boi (2011). The Quantum Vacuum: A Scientific and Philosophical Concept, from Electrodynamics to String Theory and the Geometry of the Microscopic World. Johns Hopkins University Press. ISBN 1421402475.

 وصلات خارجية

ابحث عن تخلية في
قاموس المعرفة.

• VIDEO on the nature of vacuum by Canadian astrophysicist Doctor P
• The Foundations of Vacuum Coating Technology
• American Vacuum Society
• Journal of Vacuum Science and Technology A
• Journal of Vacuum Science and Technology B
• FAQ on explosive decompression and vacuum exposure.
• Discussion of the effects on humans of exposure to hard vacuum.
• Vacuum Energy in High Energy Physics
• Vacuum, Production of Space
• "Much Ado About Nothing" by Professor John D. Barrow, Gresham College
• Free pdf copy of The Structured Vacuum - thinking about nothing by Johann Rafelski and Berndt Muller (1985) ISBN 3-87144-889-3.