vakuum

Vakuumteknik er den grundlæggende teknologi bag fremstilling og manipulation af rene gasser og kontrollerede gasblandinger. Vakuum bruges bl.a. til at forhindre kemiske eller fysiske processer, der forårsages af luftens molekyler, fx ved arbejde med reaktive metaller. En tidlig anvendelse er i glødelampen, hvor glødetråden befinder sig i en inaktiv gas ved lavt tryk for at forhindre, at den brænder over. En reduktion af trykket, der nedsætter luftens varmeledningsevne, benyttes fx i termoflasker.

Tryk, der er så lave, at det bliver muligt for partikler at gennemløbe deres bane uden forstyrrende kollisioner med andre partikler, har en lang række tekniske og videnskabelige anvendelser, fx i elektronrøret og fjernsynets billedrør, i analytisk udstyr som massespektrometeret og i de teknikker, der anvendes ved fremstilling af mikroelektroniske komponenter. I grundvidenskabelig sammenhæng anvendes ultrahøjt vakuum bl.a. i partikelacceleratorer, ved studiet af helt rene overflader og ved simulering af betingelserne i det ydre rum.

Vakuumpumper findes i en lang række udformninger karakteriseret dels ved det opnåelige sluttryk, dels ved pumpehastigheden, dvs. den gasmængde, pumpen ved et givet tryk kan fjerne pr. tidsenhed.

Kapselpumpen komprimerer luft på den ene side af en rotor, hvorved der sker en fortynding på den anden side. Sluttrykket varierer fra 1 Pa til 0,01 Pa for hhv. ettrins- og totrinspumper. Kapselpumpen er effektiv ved høje tryk, men pumpehastigheden går mod nul, når man nærmer sig sluttrykket. Den anvendes derfor ofte som forpumpe for pumper til lavere tryk.

Diffusionspumpen fungerer ved fordampning af en væske med lavt damptryk, fx olie eller kviksølv. På sin vej mod en kølet flade, hvor dampen igen kondenserer, river den gasmolekyler med og fjerner dem herved fra det område, der skal evakueres. Diffusionspumpen kræver et forvakuum på ca. 10 Pa, og pumpehastigheden er konstant ned til et sluttryk på under 10^-7 Pa. Turbomolekularpumpen virker ved, at hurtigtroterende turbineblade kolliderer med gasmolekyler og giver dem en hastighed bort fra det område, der skal evakueres. Pumpen har samme egenskaber som diffusionspumpen.

Til endnu lavere tryk, 10^-8-10^-9 Pa, anvendes pumper, som binder gasmolekylerne kemisk (sublimationspumpe) eller kondenserer gassen ved flydende heliums temperatur (kryopumpe). Til at frembringe det forvakuum, der kræves af visse pumpetyper, anvendes fx en adsorptionspumpe, hvor gasmolekylerne adsorberes på den store overflade af fx aktivt kul.

Måling af vakuum sker ved hjælp af trykmålere.

Kviksølvmanometer. En direkte måling af tryk ned til ca. 100 Pa kan udføres med et U-formet glasrør lukket i den ene ende og fyldt med kviksølv. Det volumen, i hvilket trykket skal bestemmes, forbindes med rørets åbne ende. Ifølge loven om forbundne kar er der samme tryk i kviksølvet i samme højde i de to grene af glasrøret. I den lukkede ende af glasrøret er der lufttomt, således at trykket er nul, og det ukendte tryk svarer derfor til det tryk, der udøves af kviksølvsøjlen mellem de to overflader.

Kviksølvmanometrenes store betydning ligger i, at målingen er absolut, dvs. at den er uafhængig af den gas, der måles på, og trykket bestemmes direkte ud fra definitionen af enheden for tryk. Kviksølvmanometre anvendes derfor til kalibrering af andre trykmålere, der virker efter indirekte principper.

Kapacitanstrykmåleren består af to rumfang, der er adskilt af en deformerbar, elektrisk ledende membran. Det ene rumfang evakueres, således at trykket bliver så nær nul som muligt. Det andet rumfang tilsluttes det ukendte tryk, og membranen vil nu få en deformation, der er proportional med dette tryk. Deformationen måles ved at bestemme kapacitansen af en kondensator, der udgøres af membranen selv og en fast elektrode anbragt parallelt med membranen. Metoden, der giver høj nøjagtighed, kan anvendes ned til tryk på ca. 0,1 Pa. Da metoden er direkte relateret til kraftpåvirkningen på membranen, er den uafhængig af gassens art.

Deformationstrykmåleren bygger på samme princip som kapacitanstrykmåleren. I deformationstrykmåleren udnytter man, at den elektriske modstand i en halvleder ændrer sig, når halvlederen deformeres. Med mikroelektronikteknologi kan såvel det trykfølsomme element som det elektriske kredsløb, der benyttes til at måle den elektriske modstand, indbygges i den samme siliciumchip. Herved får man en kompakt og robust enhed, der uafhængigt af gassens art måler tryk ned til ca. 10 Pa.

Lave tryk ned til 10^-2 Pa kan måles med en Pirani-trykmåler, som udnytter, at varmeledningsevnen for en gas afhænger af trykket.

Ned til tryk på 10^-9 Pa anvendes en Penning-trykmåler (ionisationstrykmåler), som ioniserer gassen imellem en katode og en anode og måler den strøm, der går mellem elektroderne.

I kvanteteorien er vakuum et kompliceret fysisk system, som er langt fra den intuitive opfattelse af vakuum som rum uden stof. Udgangspunktet er kvantefeltteorien, hvis begrebsramme indeholder såvel stoffelter (fx elektronfelter og kvarkfelter) som kraftfelter (fx fotonfelter og gluonfelter). Kvantefeltteoriens verden er et vekselvirkende system af mange felter. Grundtilstanden er den tilstand, der har lavest energi, og det er den, der i kvanteteorien identificeres med det fysiske vakuum.

I grundtilstanden har alle kvantefelterne i middel værdien nul, men det er en karakteristisk egenskab ved et kvantesystem, at felterne fluktuerer omkring denne nulværdi. Blandt de fluktuerende felter er fotonfelter og elektron-positron-felter særlig vigtige. Der dannes og tilintetgøres hele tiden par af elektroner og positroner, og fotoner vil til stadighed udsendes og absorberes. Fotonerne, som er meget kortlivede, formidler den elektromagnetiske vekselvirkning, men Heisenbergs ubestemthedsrelationer forhindrer, at de kan observeres direkte. Man kalder dem derfor virtuelle fotoner.

Billedet af vakuum som et tomt rum er således i kvanteteorien erstattet af et rum fyldt med virtuelle fotoner og par af fluktuerende partikler og antipartikler. Eksistensen af elektron-positron-par giver anledning til polarisationseffekter analoge med dem, der forekommer i dielektrika. Selvom de enkelte virtuelle fotoner unddrager sig iagttagelse, viser deres kollektive virkning sig i atomspektrene, bl.a. ved Lamb-skiftet (se W.E. Lamb).

De virtuelle partikler giver sig også til kende ved den såkaldte Casimir-kraft, først påpeget af den hollandske fysiker H.B.G. Casimir. Casimir-kraften er en lille, tiltrækkende kraft mellem to parallelt stillede metalplader, der befinder sig i et udpumpet rum uden ydre kraftpåvirkning. Kraften vokser i størrelse, når afstanden mellem pladerne formindskes. Mellem pladerne kan der kun befinde sig virtuelle partikler med kvantebølgelængder, der passer nøjagtigt ind i mellemrummet mellem metalpladerne. Uden for pladerne vil derimod alle bølgelængder være tilladte. Derved opstår et indadrettet tryk på pladerne, og feltets nulpunktsenergi formindskes i forhold til en situation uden plader. Casimir-kraften er eksperimentelt påvist for plademellemrum af størrelsen mikrometer. Der er fin overensstemmelse mellem eksperiment og teori, både hvad angår kraftens størrelse og dens afhængighed af pladeafstanden.

Der har muligvis været kvantefluktuationer i Universets tidligste faser, og nogle kosmologiske teorier om Universets dannelse bygger på denne antagelse (se begyndelse). Dette område er dog langtfra afklaret.

• de magdeburgske halvkugler
• Boltzmanns konstant
• vakuumformning
• horror vacui (fysisk princip)