Hoe wordt het gemiddelde vrije pad van gasmoleculen berekend?
Definities van verwante begrippen
Leksnelheid qL (mbar ·l · s -1)
Volgens de hierboven geformuleerde definitie is het gemakkelijk te begrijpen dat de grootte van een gaslek, d.w.z. de beweging door ongewenste doorgangen of 'pijp'-elementen, ook wordt aangegeven in mbar · l · s -1. Een leksnelheid wordt vaak gemeten of aangegeven met atmosferische druk aan de ene kant van de barrière en een vacuüm aan de andere kant (p < 1 mbar). Als helium (dat bijvoorbeeld als traceergas kan worden gebruikt) onder precies deze omstandigheden door het lek wordt gevoerd, dan spreekt men van 'standaard heliumomstandigheden'. Zie voor meer informatie het hoofdstuk over het opsporen van lekken.
Ontgassing (mbar · l)
De term ontgassing verwijst naar het vrijkomen van gassen en dampen uit de wanden van een vacuümkamer of andere componenten in een vacuümsysteem. Deze hoeveelheid gas wordt ook gekenmerkt door het product van p · V, waarbij V het volume is van het vat waarin de gassen vrijkomen, en door p, of beter Δp, de drukstijging die het gevolg is van het inbrengen van gassen in dit volume.
Ontgassingssnelheid (mbar · l · s -1)
Dit is de uitgassing gedurende een periode, uitgedrukt in mbar · l · s -1.
Ontgassingssnelheid (mbar · l · s -1 · cm -2 ) (verwezen naar oppervlakte)
Voor het inschatten van de hoeveelheid gas die zal moeten worden onttrokken, is kennis van de grootte van het binnenoppervlak, het materiaal en de oppervlaktekenmerken ervan, hun uitgassingssnelheid met betrekking tot het oppervlak en hun voortgang in de tijd belangrijk.
Gemiddelde vrije baan van de moleculen λ (cm) en botssnelheid z (s -1)
Het concept dat een gas uit een groot aantal verschillende deeltjes bestaat waartussen – afgezien van de botsingen – geen effectieve krachten aanwezig zijn, heeft geleid tot een aantal theoretische overwegingen die we vandaag samenvatten onder de benaming " kinetische theorie van gassen ".
Een van de eerste en tegelijkertijd meest gunstige resultaten van deze theorie was de berekening van de gasdruk p als functie van de gasdichtheid en het gemiddelde kwadraat van de snelheid c2 voor de afzonderlijke gasmoleculen in de massa van moleculen mT:
(1,14)
waarbij
(1,15)
De gasmoleculen vliegen rond en onderling, met elke mogelijke snelheid, en bombarderen zowel de vaatwanden als botsen (elastisch) met elkaar. Deze beweging van de gasmoleculen wordt numeriek beschreven met behulp van de kinetische theorie van gassen. Het gemiddelde aantal botsingen van een molecuul over een bepaalde periode, de botsingsindex z genoemd, en de gemiddelde padafstand die elk gasmolecuul aflegt tussen twee botsingen met andere moleculen, de gemiddelde vrije padlengte λ genoemd, worden hieronder beschreven als een functie van de gemiddelde molecuulsnelheid c- de molecuuldiameter 2r en het deeltjesaantal dichtheidsmoleculen n – als een zeer goede benadering:
waarbij
(1,16)
en
(1,18)
De gemiddelde vrije padlengte λ voor de deeltjesdichtheid n is dus, overeenkomstig vergelijking (1,1), omgekeerd evenredig met de druk p. De volgende relatie geldt bij een constante temperatuur T voor elk gas
(1,19)
λ ⦁ p = constant (1,19)
Tabel III en figuur 9,1 worden gebruikt om de gemiddelde vrije weglengte λ voor willekeurige drukwaarden en verschillende gassen te berekenen. De vergelijkingen in de gaskinetiek die het belangrijkst zijn voor vacuümtechnologie worden ook samengevat in tabel IV.
Tabel III Gemiddelde vrije weg l Waarden van het product c* van de gemiddelde vrije weg λ ( en druk p voor verschillende gassen bij 68 °F of 20 °C (zie ook afb. 9,1)
Fig. 9,1 Variatie van gemiddelde vrije weg λ (cm) met druk voor verschillende gassen
Inslagsnelheid zA (cm -2 ⋅ s -1 ) en monolaagvormingstijd τ (s)
Een techniek die vaak wordt gebruikt om de druktoestand in het hoogvacuümregime te karakteriseren, is de berekening van de tijd die nodig is om een monomoleculaire of monoatomische laag op een gasvrij oppervlak te vormen, in de veronderstelling dat elk molecuul aan het oppervlak blijft kleven. Deze monolaagvormingstijd hangt nauw samen met de inslagsnelheid zA. Bij een gas in rust geeft de inslagsnelheid het aantal moleculen aan dat in botsing komt met het oppervlak in het vacuümvat per eenheid van tijd en oppervlakte:
(1,20)
Als een het aantal ruimten is, per oppervlakte-eenheid, dat een specifiek gas kan accepteren, dan is de monolaagvormingstijd
(1,21)
Aanrijdingsfrequentie zv (cm -3 · s -1)
Dit is het product van de botssnelheid z en de helft van de deeltjesnummerdichtheid n, aangezien de botsing van twee moleculen als slechts één botsing moet worden geteld:
(1.21a)
Grondbeginselen van vacuümtechnologie
Download ons eBook 'Grondbeginselen van vacuümtechnologie' om de basisprincipes en processen van vacuümpompen te ontdekken.
Referenties
- Vacuümsymbolen
- Verklarende woordenlijst
- Referenties en bronnen
Vacuümsymbolen
Vacuümsymbolen
Een woordenlijst van symbolen die vaak worden gebruikt in vacuümtechnologieschema's als visuele weergave van pomptypen en onderdelen in pompsystemen
Verklarende woordenlijst
Verklarende woordenlijst
Een overzicht van de meeteenheden die in vacuümtechnologie worden gebruikt en wat de symbolen betekenen, evenals de moderne equivalenten van historische eenheden
Referenties en bronnen
Referenties en bronnen
Referenties, bronnen en verdere lectuur met betrekking tot de fundamentele kennis van vacuümtechnologie
Vacuümsymbolen
Een woordenlijst van symbolen die vaak worden gebruikt in vacuümtechnologieschema's als visuele weergave van pomptypen en onderdelen in pompsystemen
Verklarende woordenlijst
Een overzicht van de meeteenheden die in vacuümtechnologie worden gebruikt en wat de symbolen betekenen, evenals de moderne equivalenten van historische eenheden
Referenties en bronnen
Referenties, bronnen en verdere lectuur met betrekking tot de fundamentele kennis van vacuümtechnologie