نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

١

الجامعة التكنولوجية قسم العلوم التطبيقية

فرع الليزر

تكنولوجيا الفراغ واالغشية الرقيقةمحاظرات

نجم عبد الكاظم الربيعي. د ٢٠٠٩-٢٠٠٨

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٢

(Basic Skills)مهارات أساسية : ١الفصل مقدمة في الطبيعـة ، استخدام النظام المتري، تحويل الوحدات، سوف يتم في هذا الفصل تقديم ملخص بالمهارت األساسية في مجال الرياضيات

. تقنيات القياس وتقنيات تقديم البيانات، الفيزيائية للمادة :(Review Mathematics)ملخص الرياضيات

: تقسم الى ثـالث انـواع االعداد المستخدمة يمكن ان . تتطلب القياسات الفيزياوية التي تجرى تسجيل دقيق وحسابات وعمليات تدوين للبيانات .لالشارة الى الدوال الرياضية المعروفة) -، + ، ÷ ، / ، ×(سوف يتم استخدام رموز . ارقام حقيقية وارقام بكسور، ارقام صحيحة

.الموجبة او السالبة، االرقام الكاملة:(Integers)االرقام الصحيحة 1,000,000، 7-، 3: مثال

. االرقام التي فيها فارزة:(Real Numbers)االقام الحقيقية 12.34-، 0.001، 5.4: مثال

.االرقام التي يعبر عنها كنسبة بين رقمين: (Rational Numbers)االرقام بكسور 1/2-، 1/10، 2/3: مثال

).÷(القسمه ، )×(الضرب ، )-(الطرح ، (+)الجمع : (Mathematical Operators)الدوال الرياضية . وكما يشير االسم فان المعادالت هي جمل رياضية والتي يعطى فيها ناتج جملتين:(Equations)المعادالت

خمسة عـشر ( مضروبة برقم خمسة والتي تساوي خمسة عشر فارزة سبعة (Pi) هي معادلة رياضية التي تقراء باي π = 15.7 × 5: مثال ).وسبعة بالعشرة

من " ف القيم لجميع المعطيات في المعادلة ولذلك يتم التعويض عنها باحرف او رموز بدال نجد في العادة اننا النعر : (Variables)المتغيرات ".ان تستخدم المتغيرات في كتابة صيغ او معادالت عامة والتي فيها يتم تعويض االرقام الحقا" يمكن ايضا. االرقام : يعطى من المعادلة التالية(D) التي لها قطر (C)محيط الكرة : مثال

× D= ط المحي π = C او π D

وعندما اليوجد هناك أي دالة بين المتغيرات فان ذلك يعنـي . كمتغير ويمكن ان يكون له أي قيمة موجبة Dتم االشارة في المثال السابق الى .انها مضروبة ببعضها

لحلها هي التعويض عن المتغيـرات ان الصيغ هي عبارة عن معادالت رياضية تم وضعها لك وكل الذي عليك عمله : (Formulas)الصيغ .فيها بقيم رقمية مناسبة

: معدل الجريان الكتلي لنظام فراغ يعطى من الصيغة التالية: مثال

Q = S × P :حيث ان

Q = معدل الجريان الكتلي بوحداتTorr-liter per second S = بوحدات ) او سرعة الضخ(معدل الجريان الحجميliter/second P = بوحدات الضغطTorr

. يجرى عادة عمليات حسابية يتطلب فيها اجراء عملية ضرب رقم بنفسه عدة مرات:(Exponential Notation)الصيغ االسية .A = π r2): أي نصف القطر مضروب في نفسه ((r) في مربع نصف القطر π تساوي حاصل ضرب الثابت (A)مساحة الدائرة : مثال

Base exponent

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٣

:(Math. Operations with Exponents)الرياضية مع الدوال االسية العمليات

":جمع االعداد المعبر عنها اسيا (Addition of Numbers Expressed in Expnential Notation)

. فانه من الضروري ايجاد قيم كل اس ومن ثم جمع االرقام بالطريقة االعتيادية36 و 43لغرض جمع االعداد مثل :مثال

43= 4×4×4= 64 36= 3×3×3×3×3×3= 729 43 + 36= 64 + 729= 729

":طرح االعداد المعبر عنها اسيا(Subtraction of Numbers Expressed in Expnential Notation)

.وكما تم شرحه لحالة الجمع حيث يتم تحديد كل اس ثم يتم طرحها ": ضرب االعداد المعبر عنها اسيا

(Multiplication of Numbers Expressed in Expnential Notation) . يتم ضربها بواسطة جمع ارقام االس(base)ان االعداد التي تملك نفس رقم االساس او القاعدة

: مثال24 × 25 = 24+5= 29

":قسمة االعداد المعبر عنها اسيا(Division of Numbers Expressed in Expnential Notation)

.في حالة الضرب تتم العملية لنفس االعداد التي تملك رقم اساس متشابه ولكن هنا تجرى عملية طرح االرقام االسيةوكما مر : مثال

25 × 23 = 25-3= 22= 16 كاس؟٠ماذا عن االرقام التي تحمل العدد

:مثال30= 1

760= 1 .١ يساي ٠أي رقم مرفوع الى قوة : قاعدة

.لكن من الممكن ان تكون كلتاهما اعداد حقيقية، ثلة المذكورة اعاله لالساس واالس اعداد صحيحةكانت االرقام لجميع االم : مثال

5.34= 5.3×5.3×5.3×5.3= 789

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٤

62.8= 6 multiplied by itself 2.8 times = 151

يمكن ان ينتج فرصة الخطـاء " او صغيرة جدا" ان الكتابة والحساب باستخدام اعداد كبيرة جدا: (Scientific Notation)التعبيرات العلمية .مرفوع الى قوة معلومة، ١٠مضروبة برقم ، ١٠ الى ١يمكن الحدنا ان يعبر عن االرقام الحقيقية بارقام من .رياضية :مثال

567000= 5.67×10×10×10×10×10= 5.67 × 105 0.00034= 3.4 ÷ 10 ÷ 10 ÷ 10 ÷ 10 = 3.4 × 10-4

قد تحتاج في بعض االحيان ان تحول اعداد من التعبير العلمي : (Converting from Scientific Notation)العلمي التحويل من التعبير يتم انجاز هذا عن طريق تحريك الفارزة الى يمين الرقم بالشكل المعبر عنه مضروب بعشرة لقـوة موجبـة وبـنفس . الى الشكل الطبيعي لها

.للقوة السالبةالطريقة تحريك الفارزة الى اليسار :مثال

5.67 × 103 = 5670 3.4 × 10-4 = 0.00034

:جمع ارقام معبر عنها بتعابير علمية(Addition of Numbers Expressed in Scientific Notation)

. الجمع لكل من االعداد المراد جمعها لغرض تحديد نتيجة١٠لغرض جمع اعداد معبر عنها بتعابير علمية يجب اوال جعل االساس :مثال

2×103 + 5×105 = 0.02×105 + 5×105 = 5.02×105 : طرح ارقام معبر عنها بتعابير علمية

(Subtraction of Numbers Expressed in Scientific Notation) . ١٠االعداد تحمل االساس فان العملية االولى هي تحريك الفارزة لجعل جميع ، وكما تم ذكره لحالة جمع االعداد المعبر عنها بتعابير علمية

:مثال3×105 - 2×104 = 3×105 – 0.2×105 = 2.8×105

:ضرب ارقام معبر عنها بتعابير علمية(Multiplication of Numbers Expressed in Scientific Notation)

:يجب اتباع القاعدة التالية، " لغرض مضاعفة االعداد المعبر عنها علميا(A × 10x) × (B × 10y) = (A × B) × 10(x+y)

: مثال (4 × 104) × (7 × 103) = (4 × 7) × 10(4+3) = 28 × 107 = 2.8 × 108

:قسمة ارقام معبر عنها بتعابير علمية(Division of Numbers Expressed in Scientific Notation)

.القاعدة مشابهة الى عملية الضرب : مثال

(8 × 104) ÷ (2 × 103) = (8 ÷ 2) × 10(4-3) = 4 × 101 = 40 : (Rounding of Data and Significant Figures)تقريب القيم وتحديد مجال الفارزة

يمكن حـساب حجـم االنبـوب . 83.7cm وطوله 4.05cmتم قياس القطر وكان . تم اجراء قياس لطول وقطر انبوب لغرض حساب حجمه :باستخدام العالقة التالية

V = π r2 l :انحيث

V =حجم االنبوب r =نصف قطر االنبوب l =طول االنبوب

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٥

V = π × (4.05 cm/2)2 × 83.7 cm = 343.222313 cm3: مثال، حيث ان ذلك يقترح ان الحجم معرف الى تسع نقاط بعد الفارزة، غير صحيحهcm3 343.22231ان عملية نشر الحسابات لهذا الحجم كرقم

اذا كانت اخر قيمة يجب طرحها في عملية . 343لذلك يجب تقريب النتائج الى . ات معروفة فقط لثالث نقاط بعد الفارزة لكن الحقيقة ان القياس . فانها تهمل واال فانها تضاف الى النتيجة٥التقريب هي اقل من

(6.7) اصغر رقم مـستخدم هنـا النه 34 ولكن يجب ان تنشر كرقم33.701 فان النتيجة هي 6.7 × 5.03اذا اجرينا عملية ضرب : مثال . يحمل رقمان فقط

:امثلة

: (Logarithms)اللوغارثمات

الـى N لوغـارثم pيـسمى . N=10pالعدد " اذا اخذنا مثال "p"ايجاد العدد " يمكن دائما . ان كل رقم موجب يمكن ان يوصف كقوة لعشرة .N او اللوغارثم االعتيادي للرقم 10االساس :كتابة يمكن " اختياريا

P = log10(N) :امثلة

.الحظ ان االعداد االكبر من واحد تملك لوغارثمات موجبة واالعداد االصغر من واحد تملك لوغارثمات سالبة

: (Antilogarithms)عكس اللوغارثمات . يمكن ان يوجد كعكس للوغارثم10لكل رقم معبر عنه كقيمة لقوة

: مثالThe antilogarithm of 105 is 5

: (Computation Using Logarithms)تطبيقات الحاسبة باستخدام اللوغارثمات Log (MN) = Log (M) + Log(N) Log (M/N) = Log (M) – Log(N)

Log (MY) = Y × Log(M) .يمكن تحديد العالقات الرياضية المعقدة بسهولة باستخدام اللوغارثمات

Log (Az × Bw ÷ CY) = Z × Log (A) + W × Log (B) – Y × Log (C)

:(System of Units)نظام الوحدات اال انه سوف نكتشف انه تم استخدام العديد من الوحـدات (SI units)بالرغم من االتفاق على انه من االفضل استخدام وحدات النظام العالمي

.1.1النسبة لوحدات النظام العالمي انظر الجدول ب). تستخدم بكثرة لوصف الضغطTorrوحدات " مثال(االخرى في تكنولوجيا الفراغ

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٦

االسماء والرموز للوحدات العالمية االساسية(1.1)جدول

.سوف نوصف هنا بعض وحدات النظام العالمي المعروفة ."2.2 المتر حوالي يبلغ. من الثانية1/299,792,458 طول المسار الذي ينتقل فيه الضوء في الفراغ بفترة زمنية مقدارها :(Meter)المتر

:ترتبط كتلة النموذج بوزنه بواسطة قوة التعجيل من خالل المعادلة التالية. يساوي كتلة نموذج علمي للكيلوغرام:(Kilogram)الكيلوغرام Weight = mass × gravity

. باوند2.2يبلغ الكيلوغرام حوالي .١٣٣-لزمن شعاع منبعث من انتقال الكتروني محدد في ذرة السيزيوم 9,192,631,770الفتره الزمنية لقيمة : (Second)الثانية في الفراغ سـوف 1mالتيار الثابت الذي اذا تم المحافظة عليه في موصلين متوازيين لطول ماالنهائي والمسافة بينهما : (Ampere)االمبير

فـان ، 10Ω خالل مقاومة volts 10اذا تم تطبيق . موصل لكل متر من طول الnewtons 7-10 × 2ينتج قوة بين هذين الموصلين مقدارها : موضحة ادناه(I) والتيار (E) والفولتية (R)العالقة التي تربط المقاومة . امبير واحد من التيار سوف يمر خالل الدائرة

E = I R درجة الحـرارة ( النقطة الثالثية للماء من درجة حرارة1/276.23 هي وحدة درجة الحرارة الثرموديناميكية وهي تساوي :(Kelvin)الكلفن

درجة حرارة الغرفـة ، 273Kدرجة ذوبان الثلج هي ). على الضغط" السائلة والغازيه اعتمادا، التي يمكن ان يوجد فيها الماء في حالته الصلبة :273.15Kلغرض التحويل من درجات السلسيس الى الكلفن نضيف . 373Kودرجة غليان الماء هي ، 298Kهي :مثال

T /oC + 273.15 = T/K الوزن (g 12.011لقد وجد ان مول واحد من ذرات الكاربون يزن . particles 1023 × 6.023مول واحد من المادة يحوي : (Mole)المول

دنا ان يملك مول مـن اقالم فانه يكمن الح ٥" فكما نشير الى امتالك عدد مثال . يمكن ان نفكر بالمول على انه عدد النموذج ). الذري للكاربون .االقالم

: (Dimensional Analysis)تحليل االبعاد :جميع القياسات الفيزياوية في الكون تملك االبعاد" اذا فكرنا بالوحدات فانه تقريبا

Ma Lb Tc : حيث ان

Mهو الكتلة Lهو الطول Tهو الزمن

. فهي اعداد صحيحةc و b وaاما يمكن فحص المعادلة للتاكد من صحتها عـن طريـق . c=3 و b=2 و a=1 انه بالنسبة للفولتية نجد ان 1.2 من الواضح من الجدول " فمثال

وهي (dimensional analysis)تدعى هذه العملية بتحليل االبعاد . التاكد من ان هذه االعداد الثالثة هي نفسها في كلتا الجانبين لنفس االشارة .اداة مفيدة

(Meter)والوحدة العالمية للطول بـالمتر ، (Kilogram) قد عرفت الوحدة العلمية للكتلة بالكيلوغرام (SI)ام العالمي مجموعة الوحدات للنظ .(Second)والوحدة العالمية للزمن بالثانية

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٧

. االسماء والرموز الشتقاق الوحدات العالمية(1.2)جدول

:ان معدل تغير الزخم تقاس بالقوة. للمادة) او الحركة(لة السكون وهو المؤثر الذي يحاول ان يغير من حا: (Force)القوة Force = mass × acceleration

.واحد نيوتن هي القوة التي تعجل كتلة كيلوغرام واحد لمسافة متر واحد وفي ثانية واحدة، نجد انه بوحدات النظام العالمي Pascals و atm و Bar وTorr و PSI و Ib/in2ات الشائعة للضغط فهـي اما الوحد. وهي القوة لوحدة المساحة: (Pressure)الضغط

(Pa)) N/m2 .(الضغط هو بمثابة القوة الموزعة على المساحة. ).PSIAالمسمى (الى ضغط صفر " الذي يقاس نسبتا: (absolute pressure) الضغط المطلق ). PSIGالمسمى (وي الى الضغط الج" الذي يقاس نسبتا: (gauge pressure) ضغط القياس

.PSIA 45 فان االطار يحوي حوالي PSIG 30اذا كان ضغط اطار سيارتك حوالي : مثال .atm = 15 PSI 1 اذن

الطاقة الحركية هي طاقـة الجـسم . الى موقع الجسم" الطاقة الكامنة تعني الطاقة المخزونة نسبتا. القدرة على انجاز شغل :(Energy)الطاقة :المتحرك

potential energy = mass × gravity × height kinetic energy = 1/2 × mass × (velocity)2

.يتم قياس القدرة بالواط اذا استخدم الجول للشغل والزمن بالثانية. المعدل الذي فيه يتم انجاز شغل: (Power)القدرة Power = work / time

. في مجال كهربائيB الى نقطة Aلمنجز الذي يحرك جسم مشحون من نقطة الشغل ا: (Electrical Potential)الجهد الكهربائي حيث يشير قانون اوم . لموصل كهربائي هي العالقة بين الجهد الكهربائي والتيار المقاومة:(Electrical Resistance)المقاومة الكهربائية

:الىelectric potential = current × resistance

او مـاهو شـائع (cps)وحدات النظام العالمي لها هو دورة لكل ثانية . الموجة او الجسم ، هو معدل اهتزاز الدقيقة :(Frequency)التردد .(Hz)بالهرتز

يستخدم عادة مختصرات لجميع الوحدات العالمية ولبعض الوحدات االنكليزية لغرض التعبير عن االرقام الكبيـرة :(Prefixes)المختصرات . يوضح هذه التعابير1.3الجدول . بشكل واضح وسهل" داوالصغيرة ج" جدا

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٨

االسماء والرموز المستخدمة الشتقاق الوحدات العالمية1.3جدول

. وباستخدام التعابير المختصرة(SI)حاول ان تعبر عن هذا الرقم بوحدات . km 6,378,245يبلغ معدل نصف قطر االرض حوالي : مثال6,380,000 = 6.38 × 109 m = 6.38 × 106 km

:(Unit Conversions) تحويل الوحدات

.التقنية التالية توضح ذلك. اجراء تغيير للوحدات من نظام الى اخر" يكون من الضروري عادة : مثال

سوف تنتقل؟feet/sec فكم miles/hr 30اذا كنت تسوق سيارتك بسرعة : قدم لذلك نكتب٥٢٨٠ ميل يساوي ١نحن نعرف ان " فمثال. ثانية/و ساعةقدم /الميل، المطلوب هنا ان نغير مجموعتين من الوحدات

30 mile/hr × 5,280 feet/mile = 158,400 feet/hr ثانية أي يمكن ان نحسب انـه كـل ٦٠ دقيقة وكل دقيقة تحوي ٦٠اذ نعرف ان كل ساعة تحوي . ساعة الى قدم لكل ثانية /االن نغير من قدم

:ذن يمكن ان نكتبا. ثانية٣٦٠٠ساعة تحوي 158,400 feet/hr × 1hr/3600 sec = 44 feet/sec

:(Basic Properties)الخواص االساسية للمادة .السائلة والغازية، الصلبة: يمكن تقسيم المادة الى ثالث انواع فيزياوية او حاالت، لغرض دراسة تكنولوجيا الفراغ الموضحة هنا

زيئات للمواد الصلبة تسعى الى ان تبقى في مواقع ثابته بالمقارنة الى بعضها البعض وبالتالي فان المـادة ان الذرات والج :(Solids)الصلبه

. (amorphous) او غيـر متبلـور (crystalline)يمكن ان تكون المواد الصلبة اما على شكل بلـوري ". معرفا" وحجما" الصلبه تملك شكال علـى العديـد مـن البلـورات " تحوي المعادن نموذجيا . الطبيعية امثال المعادن واالحجار الكريمة تتضمن المواد الصلبة المتبلورة البلورات

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٩

يمكن االشارة الى ان المواد الزجاجية تملك سلوك مـشابه . التي تتطلب مايكروسكوبات ضخمة لغرض معاينتها ) :grainsحبيبات(المايكروية . كن ضمن االبعاد الذرية التوجد معدل ابعاد جزيئية وذرية طويلة كما هو في البلوراتول، ")معرفا" وشكال" اذ تملك حجما(للمواد الصلبة

" معرفـا " يملك السائل حجما. حالة المادة التى توجد فيها الذرات والجزيئات في حالة حركة حرة بالنسبة لبعضها البعض : (Liquids)السائله .هولكن شكل السائل معرف فقط بجدران الحاوية التي تحوي

الى بعضها البعض وتسعى الى توزيـع نفـسها لتملـئ أي " حالة المادة التي توجد فيها الذرات والجزيئات بحركة حرة نسبتا :(Gas)الغازيه .حاوية تحويها وباي حجم

ان ". تقريبـا وهي حجر البناء لكل شـيئ (atoms) بالذراتبين الفيلسوف االغريقي ان اساس المادة هي دقائق تدعى ، BC 400قبل حوالي ان اجزاء حجر البناء لعالمنا الفيزيـاوي مكـون مـن مايـدعى . الفهم الحالي لطبيعة المادة تضمن جزء من هذه النظرية الذرية الكالسيكية

. االوكسجين والزئبق هي مثال لتلك العناصر، الكاربون، ان مواد مالوفة مثل الحديد. (Elements) بالعناصريعتبر كل من ملح الطعام والماء وغاز الميثان مواد . ية هي عبارة عن مواد تتشكل من عناصر من خالل تفاعل كيمياوي من جهة ثان المركبات

. نجد ان واحدة من اهم خصائص المركبات انها تتكون من عناصر وبنسب معروفة. تدعى بالمركباتمانجد ان الخواص الفيزياوية للمركبات تختلـف " وعادة. االوكسجينتتكون من ذرتي هيدروجين وذرة واحدة من " جزيئات الماء دائما : كمثال

هي ) الهيدروجين واالوكسجين(ونجد ان كلتا عناصره ، هو مادة سائلة عند درجة حرارة الغرفة " مثال، الماء. بشكل جذري عن بعضها البعض . باتالتكون جميع المواد التي نواجهها على شكل مرك. غازات عند درجة حرارة الغرفة

الهواء الذي نستنشقة هو مزيج من حوالي ). التتضمن تفاعل كيمياوي ( هي ببساطة عبارة عن مزيج فيزياوي من مواد (Mixtures) فالخالئط ).غاز اخر عند نفس الظروف( اوكسجين %19وحوالي ) عنصر غازي عند درجة حرارة الغرفة والضغط الجوي( نايتروجين 79%

:(Int. to Measurement Techniques)س مقدمة في تقنيات القيا

ليس من المنطقي ان يتم تحضير تجربة ومراقبة بعض الظواهر الفيزياوية او الكيمياوية مالم نكون مستعدين لتـسجيل ونـشر هـذه النتـائج . هذا ماسوف نستعرضه في هذا الجزء. الواضحة

دعني اعطي . دئ للتاكد من ان التسلسل الذي يجب اتباعه ينتج معلومات مفيدة وقبل كل شيئ يجب ان نفكر خالل التجربة كلها قبل ان نب " اوال. لنفرض اني اعمل على مشروع كان الهدف منه استخدام تشخيص خطوط االنبعاث للحديد لتحديد متى تنتهى عملية الترذيـذ فيهـا . هنا" مثاال

واجريـت العديـد مـن . خلها واجراء فحوصات طيفية اثناء التجربة تسمح برؤية مابدا ) من مادة البايركس (وكان هناك حاوية فراغ زجاجية وبعدها استبدلت مادة الزجـاج بمـادة . التجارب واكتشفت انها تعطي نتائج غير منطقية حتى تعتقد انك قد فعلت شيئ خاطئ في هذه التجربة

.لما توقعت" اخرى من الياقوت االزرق فوجدت ان النتائج المستحصلة مطابقة جدايمكن ان تجري عملية قياس لسرعة . قبل ان تبداء باي تجربة يجب ان تعطي تنبئ بما سوف يحصل ويدعوا العلماء هذا الشئ بالنظريات اذن

كيف تتوقع ان تتغير سرعة المضخة مع الضغط؟ هل ان معدل التغير سـيكون . المضخة كدالة للضغط في العديد من تجارب مضخات الفراغ . السئلة التي تحاول ان تطرحها قبل اجراء قياسات التجربة؟ هذه هي نوع ا"ثابتا

.واحدة من مفاهيم تقنيات جمع المعلومات الجيدة هي اعادة القياسات لمرات كافية لتتحق من صحة النتائج .هو علم التحليل والفهم المؤثر للمعلومات: االحصائيات

. µHg 50قت المطلوب لتفريغ حاوية فراغ من الضغط الجوي الـى ضـغط لنفرض انك تجري مجموعة من التجارب لتحديد طول الو: مثال .ثانية بالترتيب ١٤٤ و 136,124 ,128: وانك اجريت اربعة دورات وسجلت القيم التالية

.على عدد القياسات" هو حاصل جمع االعداد مقسوما:(Average)متوسط القيمة Average = (124+136+128+144)/4 = 522/4 = 230.5 = 131

:من التاليقيمة المدى اذن يمكن حساب Range = 144-118 = 26 second

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

١٠

هـو متوسـط القيمـة µHg 50 لهذا العدد المحدود من مجموع البيانات نستطيع القول ان الزمن المطلوب للحصول على ضغط يقـارب .(13±131)المحسوبة زائد ناقص نصف المدى

:(Presentation of Data)تقديم النتائج

مـن " ان العمل المنجز سوف يتم الحكم عليه ليس فقط من خالل مدى صحته ولكن ايضا ". ان عملية تقديم النتائج بشكل واضح ضروري جدا قبل ان تبداء باجراء مجموعة من التجارب يجب ان تحضر جدول الدخال المعلومات المستحصلة خـالل فتـرة . خالل اسلوب طرحه وتقديمه

التـاريخ ، نجد من التمرين الجيـد تـسجيل اسـمك . الخ...، درجة الحرارة ، الضغط، يجب توفير اعمدة لمتغيرات مثل الزمن . انجاز التجربة ).1.4انظر الجدول (والوقت الذي انجزت فيه هذه القياسات

بيانات مضخة تفريغ لتجربة مضخة انتشارية1.4جدول

PM6:30 عند ٦/٢/٠١٩٩تم تسجيل البيانات من قبل محمد سلمان في سيمر عليك فـي مختبـر . ان التمثيل الصوري للبيانات يسمح الي شخص بسهولة من معاينة العالقات بين المتغيرات :(Graphs)االشكال

(X)يتم استخدام االحداثي الـسيني " نموذجيا. الفراغ مجموعة من االشكال والرسومات مثل الزمن ضد الضغط وسرعة المضخة ضد الضغط التي قيمته تعتمـد علـى او ( فيستخدم لرسم المتغير المعتمد عليه (Y)بينما االحداثي الصادي ، ")الزمن مثال (متغير الغير معتمد عليه لرسم ال

). كدالة للمتغير الغير معتمد عليه وتم حساب قـيم (X)د عليه كمتغير غير معتم ٥٠ الى ١صحيحة من " لقد انشئنا في الجدول التالي مجموعة من البيانات تحوي اعدادا :مثال

. لعدة دوال بسيطة(Y)المتغير المعتمد عليه

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

١١

Y = X يبين العالقة 1.1الشكل

Y = X2 يبين العالقة 1.2الشكل

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

١٢

Y = X3 يبين العالقة 1.3الشكل

Y = Log (X) يبين العالقة 1.4الشكل

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

١٣

Y = Exp (X)يبين العالقة 1.5الشكل

يجب ان يحوي كل شكل العناوين واالرقـام لكـل ". تقديم بيانات الجدول فان عملية الوضوح في تقديم بيانات االشكال مهم جداوكما بينا لحالة .كما يجب ان يحوي العنوان على الوحدات المناسبة. احداثي

بينما نجد ان المتغيـران ، (X)حداثي السيني قد رسم على اال ) الزمن( الممثل ادناه نجد ان المتغير الغير معتمد عليه 1.6اذا نظرنا الى الشكل .رسمت على يسار ويمين االحداثي الصادي بالترتيب) ضغط الحاوية وضغط خط الدعم(المعتمد عليهما

مثال يوضح كيفية تقديم الشكل1.6الشكل

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

١٤

(Safety)السالمة : ٢الفصل

فـان مختبـرات ، لغرض الوصول الى هـذا الهـدف . الة اساسية ومهمة ان اهتمامنا بمسالة السالمة لكل شخص يشارك في المختبر هي مس قواطـع دورة ، (smoke detectors)كواشف الـدخان : تكنولوجيا الفراغ قد تم تجهيزها بمستلزمات لغرض توفير السالمة للعاملين فيها مثل

.(first aid kit)اعدات اولية وحقيبة مس(fire extinguishers)مطافئ حريق ، (automatic sprinklers)اوتوماتيكية تم تفادي مسالة التعرض للسوائل الكيمياوية او تقليلها باستخدام نظام السالمة القياسي الذي يوفر حاوية مناسبة معلمة واستخدام منظومة تهوية

لكـن . مه لعمل هـذا النظـام يجب ان يسال الطالب او الباحث عن هذا النظام من الشخص المناسب في حالة عدم فه . والتخلص من الغازات .عن سالمة االشخاص المتواجدين معه" القاعدة االساسية تقول ان كل شخص في المختبر يكون مسؤال

.وتتضمن سالمة االجزاء التالية: (physical safety)السالمة الفيزياوية اما اذا نويت اجراء حسابات او رسم . لعمل في المختبر في حالة ا " ان استخدام نظارات حماية مختبرية قياسية يكون ظروريا : (eyes)العيون

").المكتبة مثال(اشكال للتجربة المنجزة فانه من االفضل اجرائها خارج المختبر تتضمن العديد من تجارب الفراغ استخدام مضخات ميكانيكية تدار بماطورات ولذلك فانه من االفضل عـدم ارتـداء :(clothing)المالبس

عنـد النـساء " الشعر الطويل مثال . س المفتوحة او المنشورة او اغطية الراس الطويلة التي ربما تنحشر باالجهزة او تلتصق بها نوعية المالب يجب ارتداء صـدرية مختبـر مناسـبة داخـل " واخيرا. يمكن ان يكون مصدر خطر هنا ولذلك يجب تجميعه وربطه عند العمل في المختبر

.المختبران االستخدام الخاطئ لالجزاء الحادة ومن ضمنها معدات ومنظومات الفراغ قد يـسبب جـرح او : (skin rupture)تعرض البشرة للخطر

.واعراض اخرى غير مرغوبة لبشرة الجسم" باالضافة الى مشاكل هذه العملية فقد يسبب اتهابا. اذى للجلد :(Electrical safety)السالمة الكهربائية

(DC) او المـستمر (AC)يمكن ان يكون هذا التيار من النوع المتناوب . خالل أي جزء من الجسم قد يسبب الموت ان امرار تيار كهربائي :ربما تتعرض اجسامنا الى التلف نتيجة مرور التيار الكهربائي بواسطة ميكانيكيتين". الى عالية جدا" ويختلف من كونه ذي كمية قليلة جدا

.(Nervous system)تلف في الجهاز العصبي - ١ .(Joule heating)تلف نتيجة الحرارة تؤدي الى حروق - ٢

بواسطة حث النظام العصبي فـي " الى الجسم يسبب ألماmAان مرور تيار بمعدل : (Nervous system damage)التلف للنظام العصبي يمكـن ان . لشخص من التخلص من مصدر التيـار كلما زاد هذا التيار قد نفقد السيطرة على اعصابنا وتحصل عملية شلل وربما تمنع ا . جلدنا

الرئتان واالجزاء المهمة االخرى والتي تمنعهـا ، يحصل التلف اذا ماتم ارسال اشارة كهربائية التي تسيطر على االعصاب الغير ارادية للقلب .ان هذا يمكن ان يسبب توقف الضخ في القلب. من العمل بشكل مضبوط

ان امرار التيار في عنصر يمكن ان يؤدي الى مقاومة مروره مثل الخاليا الحيـة والـذي : (Joule heat)دة الحروق نتيجة الحرارة المتول .ربما تسبب هذه الحرارة حروق من الدرجة الثالثة في المنطقة التي يمر منها التيار والذي ربما يكون عضو مهم. يؤدي الى توليد حرارة

: وجيكية للتيار الكهربائي المار في الجسمالجدول التالي يوضح التاثيرات الفيزيول تعريف التاثير )امان(التيار المار 1 mA عدم الشعور باي تاثير فيزياوي.

1-8mA الشعور بصدمة خفيفة. تعريف التاثير )غير امين(التيار المار

8-15mA اليوجد تاثير على االعصاب. صدمة مؤلمة. 20-50mA ة للعصب المتاثرفقدان السيطر. صدمة مؤلمة.

100-200mA التصاق الجسم بمصدر الكهرباء حتى انتهاء مرورها. ضربات القلب تتاثر .

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

١٥

.ربما يسبب موت الشخص>200mA توقف عمل القلب نتيجة انقباض . صدمة عصبية كبيرة. جروح كبيرة

.اعصاب القلب وخاصة اذا استمر مرور التيار لعدة دقائقماذا نفعل في حالة حصول صدمة كهربائية لشخص يعمل بالقرب منك في المختبر؟ هناك عدة نقاط يمكن تطبيقهـا ، االن السؤال المطروح

:لتقليل اضرار الصدمة الكهربائيةاطلب من احد االشخاص االتصال بالخدمة الطبية وحـدد . المساعدة من االخرين حولك " االفضل الصياح طالبا : "استدعاء المساعدة حاال -١ . الحادث والمكاننوعاسـتخدم " اذا كان ضروريا. يجب اخذ الحذر الشديد لعدم تعرضك لخطر الكهرباء . حدد مصدر الكهرباء وحاول ايقافها : مساعدة الضحية -٢

.لغرض ازالة الضحية من مصدر التيار" عازال" جزء .لة عدم مقدرة الضحية على التنفس في حا(CPR) يتم اجراء خطوات ال :(CPR) تطبيق االنعاش بالتنفس االصطناعي -٣قد يستلزم يستلزم فترة ساعة على االقل حتى يخرج الـضحية . حتى قدوم مساعدة (CPR) استمر بعملية ال :االستمرار بتوفير المساعدة -٤

.من مرحلة الصدمة الكهربائية بعد التعرض لهافمن الضروري ان يعرض الضحية لفحـص طبـي ، وعيها بعد الصدمة حتى في حالة استرجاع الضحية ل : توفير الخدمة الطبية للضحية -٥

.محترف النه قد يكون قد تعرض لجروح داخلية غير مرئية (Basic of electricity)مفاهيم في الكهرباء

. هي عملية مرور االلكترونات في موصل:(Electrical energy)الطاقة الكهربائية .(V)ويتم التعبير عن الجهد بالفولتية ، ل الكهربائي على القيام بعمل او امكانية التسبب في حركة الشحنة امكانية المجا:(Potential)الجهد

.(A)جريان االلكترونات ويعبر عنه باالمبير : (Current)التيار .(Ω)هي الدرجة التي تسمح فيها مادة بمرور االلكترونات ووحداتها االوم : (Resistance)المقاومة

.(W)المعدل الزمني النتقال الطاقة ويعبر عنها بوحدات الواط : (Power) القدرة .(Hz)عدد الدورات الموجية المتكونة لوحدة الزمن ويعبر عنها بالهرتز : (Frequency)التردد

. الشكل ادناهانظر، "او سالبا" الجهد الكهربائي الثابت مع الزمن وربما يكون موجبا: (Direct Current: DC)التيار المستمر

تيار المنزل هـو . انظر الشكل ادناه، الفولتية لمصدر التيار تتغير بشكل جيبي مع الزمن: (Alternating Current: AC)التيار المتناوب

50Hz.

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

١٦

له قيمـة تيار متناوب ذي تردد راديوي ونموذجيا: (Radio Frequency alternating current: RF)تيار المتناوب للتردد الراديوي . من الكيلوهرتز الى الكيكاهرتز

":فمثال. ان اشكل موجات التيار المختلفة لها تاثيرات مختلفة على جسم االنسان .للقلب وتقلصات لالعصاب" التيار المتناوب يسبب ضررا - .اوبالتيار المستمر يسبب شد لالعصاب وانقباض القلب وحروق عند مستويات اعلى مما يحصل مع التيار المتن -

.التيار المتناوب للتردد الراديوي المار خالل الجلد يسبب حروق عند فولتيات اقل مما في التيارات المستمرة والمتناوبة -

ان العديد من مجهـزات القـدرة الكهربائيـة ووحـدات . وهي االجهزة الكهربائية التي تخزن الطاقة الكهربائية : (Capacitors)المتسعات .يمكن ان ينتج جروح جدية من عملية االتصال المباشر مع المتسعات المشحونة. فراغ تحوي متسعات في دوائرهاالسيطرة في اجهزة ال

لذلك وقبل البدء بالعمل مع الدائرة !. على ان المتسعة الموجودة في المختبر هي متسعة مشحونة " يجب ان تاخذ بنظر االعتبار دائما : مالحظة .جب تاريث المتسعة باستخدام واير تاريث مناسب مصمم لهذا الغرضالكهربائية التي تحوي متسعة ي

:االخطار المرافقة لالجهزة الكهربائية(Hazards related with electrical equipments)

مناسـبة يجب التدريب على اساليب معالجة حريق الكهرباء بتقنية مطفئة حريـق . تتولد العديد من الحرائق بسبب كهربائي : (Fire)الحريق (fire extinguishers) . توجد معلومات مناسبة موضوعة على الطفاية والتي تتعلق بكيفية االستعمال والي غرض وبالتالي يجيب قراءة هذه

.المعلومات بعناية"). االوزون مثال(غازات ربما تسبب الطاقة الكهربائية تفاعل كيمياوي للمواد العازلة وعملية انبعاث وتحلل لل:(Toxic gas)الغازات السامة

. سامة(PCB's)باالضافة الى ان المتسعات القديمة ربما تحوي على لذلك يستوجب وجود حاجز لتقليـل التعـرض . ان الفولتية العالية الموجودة تحت الفراغ ربما تعطي اشعة سينية : (x-rays)االشعة السينية

.لالشعة السينية ولمستوى مقبول . ان الشرارة والقوس الكهربائي ربما يسبب تلف دائمي للعين:(Bright light)الضوء الساطع

ان الموجات واالشعة الراديوية من االجهزة الكهربائية ربما تسبب خطر صحي وخاصة عندما يكون التعـرض : (Radiations)االشعاعات .لها لفترة طويلة

(General safety criteria)معلومات عامة للسالمة .واما المستعمل منها فتاكد من اجراء خدمة الصيانة عليها، االجهزة الجديدة الغير مستعملة" ائما اشتري د-١ .(50V <) تاكد من وجود حواجز فيزياوية مناسبة لمنع االتصال المباشر مع االجهزة وخاصة التي تعمل منها عند فولتية عالية -٢ .حدوث خطر كهربائي نتيجة االتصال المباشر معها تاكد من وجود ونصب اجهزة قاطع دورة مناسب لمنع -٣ . تاكد من وجود عالمات تعريفية مناسبة على المناطق التي تسبب الخطر للتحذير منها-٤ . يجب استخدام نظام تصميم للمنظومة يجعلها تتوقف عن العمل عند حدوث أي حادث-٥ .ة الى توفير اجهزة الطوارئ المناسبة حدد مناطق الخروج للعاملين عند حصول حالة طوارئ باالضاف-٦ . التاكد من توفير ضوء وتهوية كافية في المختبر-٧ . تاكد من عدم وجود اتصال مباشر بين الماء والكهرباء باي شكل كان وتوفير الصرف المناسب للماء في حالة وجوده-٨يجب استخدام معادن ذات توصـيلية عاليـة . معدنية والمناضد المعدنية توفير االرضي المناسب لتفريغ الكهرباء الزائدة لالجهزة والمواد ال -٩ .مثل النحاس) مقاومة قليلة(

. الستخدامها مع االجهزة ذات الفولتية العالية(ground hooks) يجب توفير عصى تاريث مناسبة -١٠ .عامل مع الحوادث عند الطوارئ يجب توفير كتيب تعليمات خاص بالسالمة واالمان في المختبر يوضح فيه كيفية الت-١١

:خصائص االجهزة الكهربائية المستخدمة في تكنولوجيا الفراغ(Characteristics of Electrical Equipment Used in Vacuum Technology)

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

١٧

:(Chemical safety)السالمة الكيمياوية االمثلة على هذه المواد هي المـذيبات . ختبر هي مواد كيمياوية خطرة والتي ربما تتعامل معها في الم ) سائلة وغازية ، صلبة(ان بعض المواد

يجب اخذ الحذر عند حفظ واستخدام واتالف هذه المواد الكيمياوية بطريقة امينة والمحافظة على نظافة البيئـة . الكلوريدية والفلوريدية والزئبق .وبشكل قياسي وباستخدام كتيب خاص لهذا الغرض

يتم االحتفاظ بالمذيبات العضوية بشكل امين لحمايتها من الحريق وعادة ماتوضـع فـي خزانـة : (Organic solvents)المذيبات العضوية يجـب عـدم . لغرض االستعمال قرب التجربة") بيكر زجاجي مثال(يتم نقل كميات قليلة من هذه المواد في حاوية مناسبة . حديدة حمراء اللون

كما يجـب منـع أي . يتم استخدام هذه المذيبات في مناطق ذات تهوية جيدة. سطح حار او شعلة مفتوحةتعريض بخار المذيب الي شرارة او يجب اعادة المذيب النظيف الغير مستعمل الى حاويتها االصلية بعد االستخدام وارجاعها الى الخزانـة الحديديـة . اتصال بين المذيب والجسم

.المعلمةئبق في تكنولوجيا الفراغ قد اختفت بشكل كبير ولكن يجب اعطاء فكرة عن هذه المادة الخطرة وكيفيـة ان استخدام الز : (Mercury)الزئبق

ان التاثير السام للزئبـق . (Torr 3-10 × 2)ان الزئبق يملك ضغط بخار توازن كبير تحت ظروف درجة حرارة الغرفة حوالي . التعامل معه) Poypropyleneمن مادة (يجب حفظ الزئبق في حاوية غير قابلة للكسر محكمة الغلق . يتينهو من النوع التراكمي ويسبب تلف للدماغ وللكل

.ويجب التعامل معها بدون أي تماس مع الجلد او استنشاق مباشر لبخارها :(Mechanical safety)السالمة الميكانيكية

:وتتضمن االجزاء التالية :(Pneumatic lines) خطوط الغازات المضغوطة -١

يجـب ارتـداء . (psig 120 – 70)ان وجود الهواء او أي غاز مضغوط يوفر مصدر طاقة مضغوط ذات دافعية قوية عند حدود ضغط بين وجود انبوب بالستيكي مربوط مع هذا المصدر ربما ينفجر او يفلت بـشكل " فمثال. نظارات امان عند العمل حول خطوط الغازات المضغوطة

. يدك او اصبعك على موضع الفتحة النه قد يسبب جروح خطيرة نتيجة هذا الضغطوضع" التحاول ابدا. عنيف : (Vacuum gate valve) صمام البوابة الفراغية -٢

ان صـمامات . فصل ضغط الهـواء " ان هذه الصمامات ربما تولد قوة تشغيل كبيرة وبالتالي يجب عدم الوصول الى هذه البوابات بدون اوال والتي تتطلب قـدرة مـستمرة بـشكل دوري ليبقـى ) Solenoidبالسلنويد " يدعى احيانا(هوائي -مع صمام تحكم كهربائي البوابة تعمل عادة .ان أي خلل عند أي لحظة ربما يسبب بتكسير العظام او قطع االطراف السامح اهللا". الصمام مفتوحا

:(Thermal safety)السالمة الحرارية وتتطلب بعـض االحتياطـات لغـرض " او باردة جدا " نولوجيا الفراغ تشغل عند درجة حرارة عالية جدا ان بعض االجهزة المستخدمة في تك

":فمثال. السالمة منها :االجهزة المشغلة عند درجة حرارة عالية -

بتمـاس مـع تلـك اذ ربما تسبب حروق من الدرجة الثانية والثالثة اذا جاءت البـشرة . مثل المضخات االنتشارية وعمليات التبخير الحرارية .االجهزة :االجهزة المشغلة عند درجة حرارة متوسطة -

.مجهزات القدرة والمكونات االلكترونية، مثل المضخات الميكانيكية ":االجهزة المشغلة عند درجة حرارة واطئة جدا -

خطـوط سـائل الهليـوم ، هريريـة المـضخات الزم ، الزمهريريـة -المضخات االمتزازية ، مثل المصائد الباردة التي تحوي سائل النتروجين .وضاغطات الهليوم

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

١٨

(Review of basic vacuum calculations)مفاهيم اساسية لحسابات الفراغ : ٣الفصل 3.1الجدول . ان الفراغ من الناحية التطبيقية يمكن ان يعرف على انه ظروف الغاز تحت ضغط اقل من الضغط الجوي: (Vacuum)الفراغ

.ت الفراغ يبين تصنيف معدال

. يبين معدالت الفراغ(3.1)جدول

هذا يجـرى ). الخ....، لحام الحزمة االلكترونية، ترسيب االغشية الرقيقة(جرى تحتها العملية المطلوبة تتعتمد تكنولوجيا الفراغ على خلق بيئة . انواع اجهزة مضخات الفراغعن طريق ازالة الهواء من نظام الى قيمة مقبولة تحت الضغط الجوي باستخدام بعض" عادة

. او الجـو (air) ميل ويشار اليه بالهواء ٢٥غطاء من الغازات يحيط بسطح االرض ويتسع الى الخارج الى مسافة : (atmosphere)الجو باونـد ١٥هذا الضغط هو حوالي . هذا الخليط من الغازات يولد ضغط يؤثر بشكل متساوي على جميع االشياء الموجودة على سطح االرض

. يوضح تركيب الهواء الجاف3.2الجدول . لكل انج مربع عند مستوى سطح البحر

يبين تركيب الهواء الجاف 3.2الشكل

:(Properties of systems under vacuum)خواص االنظمة تحت الفراغ ، نولد بيئة تختلف بشكل كبير من النواحي الميكانيكية اذا تم ازالة كمية معينة من غاز الجو من حاوية فراغ خالية من النضوح فاننا نستطيع ان

.فما هي هذه التاثيرات؟ هذا ماسوف نستعرضه هنا. الكيمياوية والفيزياويةنالحظ بعـد ، لتر مملوئة الى نصفها بسائل في ثالجة٢اذا وضعت قنينة بالستيكية حجمها : (Mechanical effects)التاثيرات الميكانكية

الذي حصل هنا هو انك خلقت ظروف جعلت الضغط الداخلي للعبوة اقـل . يد ان جوانب العبوة البالستيكية تطعجت نحو الداخل فترة من التبر لقد كان المهندسين الميكانيكين على دراية بهذا التاثير ولذلك فقد صمموا العبوات لتتحمـل ضـغط خـارجي مقـداره . من الضغط الخارجي

14.7 Ib/in2) عند غياب الضغط الداخلي المعوض) سطح البحرعند مستوى. يسبب ازالة الغازات من الحاوية تقليل عدد ذرات الغاز التي يمكن ان تتداخل مع المواد داخـل : (Chemical effects)التاثيرات الكيمياوية

لية على امتصاص الماء من الجو يتم حفظهـا فـي أي التي لها القاب (hydroscopic)لهذا السبب فان العديد من المواد المحببة للماء . الحاويةحفظ المواد التي تتاكسد بسهولة تحت الفراغ او بوجود غازات خاملة مثل النتروجين بعد ازالـة الغـاز مـن " يمكن ايضا. حاوية تحت الفراغ

.الحاويةاالمثلة علـى هـذه الخـواص . ت بقوة بضغط الغازتتاثر العديد من الخواص الفيزياوية للغازا: (Physical effects)التاثيرات الفيزياوية باالضافة الى ذلك فان تـاثير انخفـاض . االنتقال البصري واالمتصاص البصري ، انتشار الصوت ، التوصيلية الكهربائية ، التوصيلية الحرارية

سوائل مثل الماء يمكـن ان تـصل ". ايضاالضغط على الخواص الفيزياوية للغازات كما ان تاثير الفراغ موجود على المواد الصلبة والسائلة

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

١٩

يحصل هذا التاثير حالما يزيد الضغط البخاري للماء على ضغط . الى درجة الغليان في حاوية فراغ مفرغة بدون الحاجة الى استخدام الحرارة ان معدل تبخـر المـادة . الصلبة وبشكل مشابه فان ذرات المواد الصلبة تحت الفراغ يمكن ان تغادر بشكل تلقائي سطح المادة . محيط الفراغ

.تحت الفراغ هي دالة للضغط في النظام وللضغط البخاري للمادة :(Gas laws)قوانين الغازات

ان سلوك هذه الذرات . ان الغازات تتكون من ذرات او جزيئات تتحرك بشكل عشوائي ومستقل وتتسع بشكل تلقائي لتملئ الحاوية التي تحويها : من الكميات االربعة التاليةنا ثالثةاحد الحاوية يمكن ان يوصف عندما يعرف حجماو الجزيئات في

)Torr : والتورatm: الوحدات الشائعة هي الجو(القدرة المؤثرة على وحدة المساحة للغاز : (Pressure)الضغط -١ )literالوحدات المستخدمة هي (السعة الداخلية للحاوية : (Volume)الحجم - ٢

ان درجـة . ذب ذرات الغاز بشكل قوي درجة حرارة الغاز هي دالة لطاقتها الحركية والتي فيها تتذب : (Temperature)درجة الحرارة -٣ ).K: الكلفن( وهي بوحدات (Absolute temperature)الحرارة يجب ان تحدد بمصطلح درجة الحرارة المطلقة

1023 × 6.02اذ ان مول واحد من المادة يحوي ، )او الموالتتوصف بمصطلح الذرات (عدد ذرات الغاز في حجم : (amount)الكمية -٤

.جزيئة

:(Boyle's law)قانون بويل . تحت ظروف ثبوت درجة الحرارة فان قانون بويل يعطي العالقة بين الحجم والضغط لكمية ثابته من الغاز:قانون بويل

.3.1 التنضح وكما هو مبين في الشكل ظام يتكون من حاويتانتصور ان هناك ن. لغرض توضيح قانون بويل نجري التجربة التالية

3.1الشكل

نستطيع تطبيـق قـانون بويـل . نفرض ان درجة الحرارة ثابته في كل مكان في النظام واننا نستطيع قراءة الضغط بشكل دقيق في الحاويتان .٢ او ١لحساب حجم الحاوية

اذا تـم فـتح . mTorr 10 الى حوالي ٢ وانه تم تفريغ حاوية Torr 760 ضغط الغاز فيها وانliter 120 هو ١اذا كان حجم حاوية : مثال TC1نستطيع بعدها قراءة الضغط في كل مـن ، الصمام بين الحاويتين والسماح للغاز بالمرور لفترة من الزمن ليصل النظام الى حالة التوازن

.٢فما هو حجم الحاوية . 500Torr ليعطي TC2و P1= 760 Torr V1= 120 liter

(760 Torr) × (120 liter) = (500 Torr) × (V2 + 120 liter)

V2 = 62 liter

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٢٠

:(Charle's law)قانون جارلس . تحت ظروف ثبوت الحجم وثبوت كمية الغاز فان قانون جارلس يصف العالقة بين درجة الحرارة وضغط الغاز:قانون جارلس

. حسب قانون جارلسP2فان الضغط سيرتفع الى P1 في حاوية مغلقة غير قابلة للنضوح تحوي غاز بضغط اولي اذا تم رفع درجة الحرارة

:(The ideal gas law)قانون الغاز المثالي .كمية الغاز ودرجة حرارة الغاز للغازات المثالية، الحجم ، يعطي هذا القانون العالقة بين الضغط: قانون الغاز المثالي

. ن الحظ فان اغلب الغازات تسلك سلوك مثالي تحت ظروف الفراغلحس

:حيث ان

P = الضغط(atm) V = الحجم(liter) n = عدد موالت الغاز(mole) R = 0.08206= ثابت قانون الغاز المثالي liter atm/K mole T = درجة الحرارة المطلقة بوحدات الكلفن(K)

.والوحدات والكميات المستخدمة في تكنولوجيا الفراغ حيث يوضح الرموز 3.3انظر الجدول

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٢١

.الوحدات والكميات المستخدمة في تكنولوجيا الفراغ، يبين الرموز3.3الجدول

:(Kinetic description of the behavior of gases) الوصف الحركي لسلوك الغازاتهنـاك اربعـة افتراضـات . تحت تاثير قوة خارجية التي تسبب الحركـة ان النظرية الحركية للغازات تتعامل مع وصف كيف تسلك الغازات

:اساسية يجب توفيرها لبروز نظرية الحركة للغازات ).ذرات وجزيئات" (تتكون الغازات من عدد كبير من الدقائق الصغيرة جدا -١ .ان جزيئات الغاز تكون بحركة مستمرة سريعة وثابته وفي حالة عشوائية -٢

.ن جزيئات الغاز المنفردة كبيرة بالمقارنة مع قطر هذه الجزيئاتالمسافة بي -٣

.التصادماتخالل ان الجزيئات التسبب بقوة مع بعضها البعض او على جدران الحاوية ماعدى -٤

:(Velocity of gas molecules)سرعة جزيئات الغاز التعتمد على الضغط ولكنها دالة لدرجة الحرارة والـوزن الجزيئـي هي السرعة التي يتحرك بها جزيئات الغاز والتي :سرعة جزيئات الغاز

.للغاز

:حيث ان

= ΰ معدل السرعة الجزيئية (cm/sec). T = درجة الحرارة المطلقة(K).

Wm = الوزن الجزيئي للغاز(gm/mol). :(Mean free path)معدل المسار الحر المسافة التي تقطعها الجزيئـة قبـل ان تـصطدم (ي دالة للضغط الكلي والقطر لجزيئة الغاز المسافة التي يقطعها الغاز ه :معدل المسار الحر

).بجزيئة اخرى

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٢٢

:حيث ان

L = معدل المسار الحر(cm). N = كثافة العدد للدقائق(cm-3). d = قطر الجزيئة(cm). P = الضغط(Torr).

لغـاز وعند ذلك وعند درجة حرارة الغرفة يمكن افتراض القانون التـالي )وجينالنتر(الهواء الغلب انظمة الفراغ النظيفة يتم افتراض وجود . لمعدل المسار الحرالنتروجين

:حيث ان

L = معدل المسار الحر(cm). P = الضغط(Torr).

:(Collisions of gaseous species)التصادمات للمركبات الغازية ان الـضغوط . بين التصادمات وتتجه نحو ضرب السطوح الداخلية المعرضة من الحاويـة ان جزيئات الغاز تنتقل باتجاهات خطوط مستقيمة

التي يتم قياسها باستخدام اجهزة قياس مختلفة ناتجة من عملية حساب تجمع الضربات او التصادمات لجزيئات الغاز على الـسطوح الداخليـة .لحاوية الفراغ

لكل ثانية لكل وحدة مساحة بالـسنتميتر هـي دالـة لـسرعة (impingement rate)ز ارتطام جزيئات الغا او (impact)تصادم ان معدل .الجزيئات وكثافة الغاز

:حيث ان

N = الكثافة الجزيئية(cm-3). ν = السرعة الجزيئية(cm/sec). I = معدل االرتطام(cm-2sec-1).

ارة لذلك يمكن استخدام نفس المعادالت اعاله بداللـة مـصطلح هـذه في المختبر هي الضغط ودرجة الحر " القيم التي يتم قياسها بسهولة عادة :الوحدات

:(Motion of gas molecules)حركة جزيئات الغاز ولكـن ، (diffusely) تتـشتت عندما يحصل تصادم بين جزيئات الغاز والسطح الداخلي المعرض للحاوية فان الجزيئات : حركة جزيئات الغاز

.زاوية القادمة والزاوية المغادرة بعد عملية التصادمليس هناك عالقة بين ال .3.4 وكما هو واضح في الشكل (cosine)لقد تم دراسة زاوية المغادرة من السطح المستوي ووجد انها تتبع التوزيع الجيب تمامي

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٢٣

. او اقل 30o من الدقائق تغادر بزاوية %50" مثالف. يوضح المقارنة المتراكمة لزاوية المغادرة لجزيئات الغاز الساقطة على سطح ناعم 3.4الشكل

:(Flow of gas through an orifice)جريان الغاز خالل فتحة ضيقة احدى الحـاويتين تحـوي غـاز النتـروجين عنـد ضـغط ، تصور ان هناك نضوح حر من نظام فراغ يتكون من حاويتين متصلتين بصمام

5×10-5Torr، ئ جدا وحاوية ثانية عند ضغط واط "(10-10×5Torr)،فاذا تم فتح الصمام فجـأة . وكانت الحاويتان تحت درجة حرارة الغرفةفماذا سيحصل خالل زمن توزيع الضغط؟ الذي يحصل ان الجزيئات التي ترتطم بشكل عشوائي والناتجة من فتحة الـصمام بـين الحـاويتين

او يمكن القول ان الجزيئات في الحاوية ذات الضغط العـالي . ذات الضغط الواطئ تغادر الحاوية ذات الضغط العالي وتتحرك باتجاه الحاوية .التي الترتطم عند فتح الصمام بين الحاويتين التستطيع مغادرة الحاوية التي تحويها

.وحدة مساحة سطحيةماذا يتم االفتراض هنا؟ ان معدل الجريان لجزيئات الغاز المغادرة للحاوية هي دالة لمعدل التصادم للجزيئات لكل :اذن فان عدد جزيئات الغاز المغادرة تحسب من

ان معدل الجريان الحجمـي . (N)يمكن حساب حجم الغاز المغادر بواسطة قسمة عدد جزيئات الغاز المغادر على عدد الجزيئات لوحدة الحجم

.تي هي دالة لدرجة الحرارة والوزن الجزيئي وال(ν)للغاز خالل فتحة اليعتمد على ضغط الغاز ولكن يعتمد على سرعة الغاز يمكن حساب معدل الجريان الحجمـي ، للحالة التي فيها معدل المسار الحر لجزيئات الغاز اكبر من قطر الفتحة الموجودة على جدران الحاوية

(S)من :

S = 3.6 × 103 √(T/Wm)

:حيث انS = معدل الجريان الحجمي(liter/sec). T =ة المطلقة درجة الحرار(K).

Wm = الوزن الجزيئي(gm/mol). :(Modes of gas flow under various vacuum conditions)انماط جريان الغاز تحت ظروف فراغ مختلفة

:هناك ثالث انماط لجريان الغاز يتم االهتمام بها في موضوعنا هنا وهي .(turbulent or viscous)الجريان الدوامي او المضطرب - ١ .(laminar or Transition)ان االنتقالي الجري - ٢

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٢٤

.(molecular)الجريان الجزيئي - ٣

.تخلق انظمة الجريان عندما يتم حث الهواء على المرور خالل انبوب اسطواني كدالة لقطر االنبوب ومعدل الضغط

:حيث انD = القطر الداخلي(inches).

(Torr)متوسط قيمة الضغط = وتيـارات تـشابه الثـوران الـسريع (eddies) والبدء بالتفريغ يكون نوع جريان الغاز مضطرب ويتميز بدوامات عند بداية تشغيل المضخة

(raging rapid).

. الجريان المضطرب لجزيئات الغاز خالل مرحلة التفرغ3.5الشكل

.قطر االنبوبالى " معدل الجريان الحر مساويا. جزيئات الغاز في ظروف الجريان االنتقالي3.6الشكل

. مرة من قطر االنبوب1.5معدل المسار الحر اكبر من . جزيئات الغاز في ظروف الجريان الجزيئي3.7الشكل :(Gas flow rates)معدالت جريان الغاز

ت هـي مثـال الوحـدا . هو كمية حجم الغاز المار من نقطة لوحدة الـزمن (S)معدل الجريان : (Volumetric Flow)الجريان الحجمي liter/sec او ft3/min .يمكن وصف معدل الجريان الحجمي على انه سرعة المضخة للنظام عند نقطة معينة في طريق التوصيل.

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٢٥

مثـال الوحـدات . هي كمية الغاز المار خالل نقطة معينة لوحدة الزمن(Q)معدل الجريان الكمي : (Quantitative flow)الجريان الكمي .Torr liter/secهي وهو ثابت في كل مكان في نظام الفراغ مـالم يكـون (throughput)الجريان النافذ بمفهوم " ايضامعدل الجريان الكتليكن االشارة الى يم

.هناك نضوح في الغاز او يتم قنصه وتكثيفه خالل المسار

:حيث ان

Q = معدل الجريان الكمي(Torr liter/sec). S = معدل الجريان الحجمي(liter/sec). P = الضغط(Torr).

وحتى الخروج عند عـادم مـضخة (vacuum vessel)من الدخول لحاوية الفراغ " يوضح جريان الغاز خالل منظومة فراغ بدء3.8الشكل .نجد عند كل موقع في دائرة الفراغ ان قيمة معدل الجريان الكمي هي نفسها. (roughing pump)التفريغ االولية

3.8الشكل

:(Conductance in a vacuum system)ة في نظام الفراغ المواصلهذه ، عند ضغوط عالية. في نظام فراغ سوف يجابه بمقاومة لحركته ) فتحات تنفيس ، حاوية، انبوب(ان مرور الغازات خالل عنصر التوصيل

.ة تكون دالة لفرق الضغط والشكل الهندسي لعنصر التوصيلمالمقار

:حيث ان

Z = المقاومة(sec/liter). P = الضغط(Torr). Q = معدل الجريان(Torr liter/sec).

:اما المواصلة هنا فهو مقلوب المقاومة وبالتالي

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٢٦

:حيث ان

C = المواصلة(liter/sec). يتم دعنا نفحص كيف . حتى في حالة وجود نظام فراغ بسيط فانه يحوي على عدة عناصر موصلة على التوالي والبعض موجود على التوازي

.حساب تاثير وجود عدة عناصر في هذا النظام عناصر مواصلة مربوطة على التوالي

(Conductance elements connected in series) . منظومة فراغ فيها عناصر توصيل مربوطة على التوالي3.9يبين الشكل

3.9الشكل

:يتم حساب المواصلة لهذا النوع باستخدام العالقة التالية

:ث انحي

CT = المواصلة الكلية للعناصرC1 ،C2،...التي تكون مربوطة على التوالي. الخ. عناصر مواصلة مربوطة على التوازي

(Conductance elements connected in parallel) . منظومة فراغ فيها عناصر توصيل مربوطة على التوازي3.10يبين الشكل

3.10الشكل

: النوع باستخدام العالقة التاليةيتم حساب المواصلة لهذا

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٢٧

:حيث انCT = المواصلة الكلية للعناصرC1 ،C2،...التي تكون مربوطة على التوازي. الخ.

:(Calculations of conductance)حسابات المواصلة .سيتم في هذا الجزء تقديم عدة نماذج من العالقات الرياضية لحساب المواصلة تحت ظروف محددة

:(Viscous flow) المضطرب الجريان -١ .لقيمة قطر عنصر التوصيل" يكون معدل المسار الحر في هذه الحالة مساويا

:حيث ان

.(P1+P2/2)متوسط قيمة الضغط = D = قطر االنبوب(inches). L = طول االنبوب(inches).

: تعطى قيمة المواصة في تلك الحالة من

. (inches)هنا بوحدات االنج ) لقطرالطول وا(عناصر المواصلة : مالحظة

:(Molecular flow)الجريان الجزيئي -٢ .قيمة معدل المسار الحر هنا اكبر بكثير من قطر عنصر التوصيل

: تعطى من(Cm) والمواصلة (Qm)العالقة بين قيمة الجريان النافذ

):3.11الشكل (لنحاول االن استخدام هذه العالقة لحساب سرعة الضخ في نظام فراغ بسيط

3.11الشكل

الضغط عند ، عند أي موقع في دائرة الفراغ فان معدل الجريان الحجمي او سرعة التفريغ يمكن حسابه اذا عرفنا قيمة الضغط عند تلك النقطة ند جهة المضخة نجـد وبشكل مشابه ع ، P1=Q/Stعند جهة الحاوية من النظام نجد ان . المضخة والمواصلة للمسار المربوط لهاتين النقطتين

:(C) و المواصلة (P1-P2)انخفاض الضغط ، (Q)سوف نعمل على استخدام العالقة بين معدل الجريان الكتلي . P2=Q/SPان

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٢٨

: لنحصل علىP2 في Q/Spوقيمة P1في Q/Stنعوض قيمة

: للحصول علىQ Cيتم قسمت كال جانبي المعادلة بقيمة

:التنفيسحسابات المواصلة عند فتحة

انظـر (ان المواصلة لقتحة تصبح مهمة عندما يتم اجراء حسابات على نظام فراغ للحالة التي فيها يتغير القطر النبوب بمعدل رتبتان او اكثر ).3.11الشكل

3.11الشكل

: استخدام عالقة تقريبية يكون مقبولة تكون معقدة في حالة نظام الجريان الدوامي فان(aperture)بما ان المعادلة المضبوطة لجريان الفتحة

:حيث ان

A =المساحة للفتحة الدائرية او شبه الدائرية. Cv = المواصلة بوحداتliter/secلنظام الجريان الدوامي .

.اما في حالة نظام الجريان الجزيئي فان المعادلة التالية مقبولة لغاز النتروجين عند درجة حرارة الغرفة

:حيث ان

A =لمساحة للفتحة الدائرية او شبه الدائريةا. Cm = المواصلة بوحداتliter/secلنظام الجريان الجزيئي .

: حسابات زمن تفريغ نظام الفراغالعطاء معلومات كافية تحدد فيها الزمن المطلوب لتفريغ نظام " قبل شراء مكونات الفراغ او بناء منظومة فراغ مكلفة يتم اجراء حسابات عادة

يتم تقسيم هذه الحسابات الى خمسة مراحل او اكثر وفي كل مرحلة يتم حساب المواصلة لالنبـوب بـين الحاويـة . راغ الى ضغط معين الف .والمضخة

يتم برمجة الزمن الالزم للتفريغ من حدود الضغط العليا للمرحلة الى حدود الـضغط " تجرى حسابات سرعة المضخة المجهزة للحاوية واخيرا وسرع التفريـغ تتغيـر مـع نقـصان ) في منطقة االضطراب (يتم اجراء الحسابات على قطع منفصلة النه كل من المواصلة . لمرحلةالدنيا ل . سوف توضح السلوك العام لمواصلة االنبوب وسرعة مضخة الفراغ كدالة للضغط(3.13 ,3.12)االشكل التالية . الضغط

:حيث ان

t = زمن التفريغ من ضغطP1 الى P2 بوحدات(sec). V = حجم الحاوية بوحدات(liter). St = سرعة المضخة المجهزة بوحدات(liter.sec).

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٢٩

:اما مراحل الضغط المذكورة اعاله فهي .Torr100 الى Torr760الزمن المطلوب للتفريغ من :) 1Pressure Interval( ١مرحلة الضغط

.احسب المواصلة لالنبوب بين المضخة والحاوية )١ .م منحنى كفاءة المضخة لتحديد سرعة التفريغ الحجمي للمضخة للمرحلة المحددةاستخد )٢

.احسب سرعة المضخة المجهزة )٣

.P2 الى P1 احسب الزمن الالزم للتفريغ من )٤

.Torr10 الى Torr100 الزمن المطلوب للتفريغ من :) 2Pressure Interval( ٢مرحلة الضغط .Torr1 الى Torr10 الزمن المطلوب للتفريغ من :) 3Pressure Interval( ٣مرحلة الضغط .Torr0.1 الى Torr1 الزمن المطلوب للتفريغ من :) 4Pressure Interval( ٤مرحلة الضغط .Torr0.01 الى Torr0.1 الزمن المطلوب للتفريغ من :) 5Pressure Interval( ٥مرحلة الضغط

.المراحل على باقي ٤ الى ١تجرى نفس الحسابات من : مالحظة .الشكل التالي يبين العالقة بين المواصلة والضغط للهواء الجاف المفرغ خالل انبوب يملك مساحة سطحية دائرية

يوضح سرعة التفريغ ضد الضغط لمضخة تفريغ ميكانيكية زيتية محكمة 3.12الشكل

.ية زيتية محكمةالشكل التالي يبين العالقة بين سرعة التفريغ والضغط لمضخة تفريغ ميكانيك

.يوضح سرعة التفريغ ضد الضغط لمضخة تفريغ ميكانيكية زيتية محكمة 3.13الشكل

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٣٠

:Solved Problemsمسائل محلولة عرف التالي؟) ١سجة الغازات التي اليمكن ضغطها الى الحالة السائلة او الصلبة عند در:(noncondensable gases) الغازات الغير قابلة لالنضغاط -١

.حرارة الغرفة

.المسافة التي تقطعها جزيئة قبل ان تصطدم بجزيئة ثانية :(Mean Free Path) معدل المسار الحر -٢كمية الغاز ودرجة حرارة الغاز للغازات المثالية يعطى مـن ، الحجم، هي العالقة بين الضغط: (Real Gas Law) قانون الغاز المثالي -٣

PV=nRT: القانونمعدل االرتطام لجزيئات الغاز لكل ثانية لكل وحدة مساحة بالـسنتميتر هـي دالـة لـسرعة : (impingement Rate)الرتطام معدل ا-٤

I= N ν/4: الجزيئات وكثافة الغازهي منطقة الضغط التي فيها يحصل عدة تصادمات للجزيئات مع جزيئات اخـرى عنـد : (viscous region) منطقة الجريان الدوامي -٥

.ها خالل الحاويةمرور . هو النظام الذي يتم تفريغه ومن ثم احكام غلقه: (static system) النظام الساكن -٦ .االنظمة التفريغ المستمرة: (dynamic system) النظام المتحرك -٧ اشرح العالقة بين الضغط والمسافة عن مستوى سطح البحر ؟) ٢س

:الجواب

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٣١

5 والـضغط اصـبح cm3 2000فاذا تم تغيير الحجم الى . mTorr 10 وضغط oC 25عند درجة حرارة cm3 1500ره غاز يملك حجم مقدا) ٣سmTorrفما هي درجة حرارة الغاز . :الجواب

T1= 25+273= 298 K T2= ?

P1= 10 mTorr, P2= 5 mTorr, V1= 1500 cm3, V2= 2000 cm3

P1 V1 / T1 = P2 V2 / T2

(10 x 1500)/298 = (5 x 2000) / T2

50.34 = 10000/T2

T2= 199 K

T2= -74 oC

وعناصر التوصيل هـي 1x10-6 Torrوجد ان الضغط عند مضخة الفراغ حوالي . مربوطة بحاويةliter/s 100 مضخة تملك سرعة مقدارها )٤س . احسب سرعة المضخة عند الحاوية. 1.5in وقطرها 35inانبوب طوله

:الجوابC= 80 D3 /L

C= (80 x (1.5)3) / 35

C= 7.71 liter/s Sn= pumping speed = C Sm / C + Sm

Sn = (7.71 x 100)/ (7.71 + 100)

771/107.71

Sn= 7.16 liter/s

اذا تم زيادة الضغط الى. oC 25 ودرجة حرارة mmHg 5-10 عند ضغط مقداره liter 100مقداره " غاز يشغل حجما)٥س

10-2mmHg 100 وزيادة درجة الحرارة الىoC .احسب حجم الغاز النهائي . : الجواب

T1= 25+273= 298 K T2= 100 + 273= 373 K

P1= 10-5 mmHg, P2= 10-2 mmHg, V1= 100 liter, V2=?

P1 V1 / T1 = P2 V2 / T2

(10-5 x 100) / 298 = (10-2 x V2 )/ 373

3.36 x 10-6 = 2.68 x 10-5 V2

V2= 0.19 liter

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٣٢

احـسب عـدد المـوالت للغـاز فـي )١. (mTorr 10 عند درجة حرارة الغرفة الى ضـغط Liter 200 تم تفريغ حاوية حجمها )٦س

وان قيمـة رقـم افوكـادرو R=0.08206 L atm/K molاذا علمـت ان . (احـسب عـدد الجزيئـات فـي الحاويـة ) ٢.(الحاويـة =6.02x1023molecules per mol ( : وابلجا

P= 10 mTorr x 10-3 x 1/760= 1.32 x 10-5 atm

T= 25 + 273= 298 K PV= nRT

(1.32 x 10-5 atm )(200 liter)= n (0.08206 liter atm/K mol) (298K) 2.64 x 10-3 = 24.45 n

n= 1.08x 10-4 mol number of molecules = 1.08 x 10-4 x 6.02 x 1023= 6.5 x 1019 molecules

اوجد قيمة معدل المسار الحر لجزيئات الهواء؟. 1atmهواء موجود عند ضغط ) ٧س

:الجوابL (cm) = 5/ P(µHg)

P= 1atm = 760 mmHg × 1000 µHg/1mmHg = 760 000 µHg

L = 5/760 000 = 6.6 × 10-6 cm = 2.6 × 10-6 in

فما هو ضغط الغاز؟ اذا فرضـنا ، 8000cm3زيادة الحجم الى اذا تم . 2000cm3مقداره " يشغل حجماTorr 4-10غاز عند ضغط ) ٨س .ان درجة الحرارة التتغير

:الجوابPi Vi = Pf Vf

10-4 × 2000 = Pf × 8000 Pf = 2.5 × 10-5 mmHg

افترض ان الضغوط الجزئية لكـل مـن . 20mmHg والضغط الكلي للمزيج هو liter 100 يشغل حجم He و N2مزيج من غاز ) ٩سفما هو ضغط غاز ، عند ثبوت درجة الحرارة25literاذا تم تقليل الحجم الى . بالترتيب 5mmHg و 15mmHgروجين والهليوم هو النت

الهليوم؟ :الجواب

(VHe)I = 100liter, (VHe)f = 25liter Pi Vi = Pf Vf

5 × 100 = (PHe)f × 25 (PHe)f = 20 mmHg

15 × 100 = (PN2)f × 25 (PN2)f = 60 mmHg

PT = 60 + 20 = 80 mmHg -----------------------------

OR Pi Vi = Pf Vf

20 × 100 = Pf × 25 Pf = 80 mmHg

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٣٣

؟)بثبوت الضغط (100oCماهو الحجم المتوقع للغاز عند . 20oC عند درجة حرارة 5ft3غاز يشغل حجما مقداره ) ١٠س :الجواب

Ti= 20 + 273 = 293 K Tf= 100 + 273 = 373 K

Vi/Ti = Vf/Tf

5/293 = Vf/393 Vf = 6.7 ft3

اوجد قيمة كثافة العدد المكافئ؟، 1Torrتم تفريغ حاوية الى ضغط ) ١١س :الجواب

n (Particles/cm3) = 2.4 × 1020 P (N/m2) 1 Torr = 1.3 × 102 Pa

n = 2.4 × 1020 × (1.3 × 102) n = 3.1 × 1022 Particles/cm3

. يستخدم في حاوية تحت ظروف فراغ عالي"4 القوة الكلية التقريبية المؤثرة على ميناء مشاهدة زجاجي بقطر احسب) ١٢س :الجواب

Surface area of the port = A = π r2 A = 3.14 × 22 A = 12.6 in2

Force = A (in2) × 14.7 (Ibs/in2) Force = 12.6 in2 × 14.7 Ibs/in2 = 185 Ibs

اوجـد . Torr 6-10 × 5 وتحوي غاز النتروجين عند ضغط liter 50تملك حجم مقداره ، ظومة فراغ عند درجة حرارة الغرفةلمن) ١٣س

).cm 8-10 × 3.8 او Å 3.8اذا علمت ان قطر جزيئة النتروجين . (L، ومعدل المسار الحر، N، كثافة العدد :الجواب

P= 5 × 10-6 Torr × (1 atm /760 Torr) = 6.7 × 10-9 atm T = 25 + 273 = 298 K

P V = n R T (6.7 × 10-9 atm) (500 liter) = n (0.08206 liter atm K-1 mole-1) (298 K)

n = 1.36 × 10-8 moles of gas molecules in 50 liter volume number of molecules = (1.36 × 10-8 moles) × (6.02 × 1023 molecules per mole)

= 8.2 × 1015 molecules N = (8.2 × 1015 molecules) (1/50 liter) = 1.64 × 1014 molecules/liter

N = (1.64 × 1014 molecules/liter) (1 liter/1000 cm3) = 1.64 × 1011 molecules/cm3

Mean Free Path = L = (√2 P N d2)-1 L(cm) = (√2 × 5×10-6 Torr × 1.64×1011 molecules cm-3× 3.8×10-8 cm)-1

L = 22.7 cm

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٣٤

(Vacuum system components)مكونات نظام الفراغ : ٤الفصل . (System hardware)اغ لقد تطورت واحدة من مجاالت تكنولوجيا الفراغ بشكل كبير في السنوات العشرين االخيرة اال وهي مكونات الفر

هذا يعود الـى عـدة . اما االن فاصبحت اكثر عملية وجاذبية . بسهولة كسرها ومن النوع الخام الغير جذاب " لقد تميزت مكونات الفراغ سابقا ان اسعارها قـد اسباب منها تنافس المصنعين واحتياجات المستخدم النظمة جذابة ونظيفة للمحافظة على تجهيزات حديثة ومتقدمة بالرغم من

لقد . في مجال تكنولوجيا الفراغ " سيتم في هذا الفصل تقديم معلومات تسمح لك بان تصبح على علم ببعض المكونات المستخدمة حاليا . ارتفعته هـذ . للتعبير بالرسـم عـن انظمـة الفـراغ (AVS)قمنا هنا باستعراض مجموعة من الرموز المستخدمة من قبل جمعية الفراغ االمريكية

سيتم ايضا التطرق هنا الى مواضـيع فـي مـواد مختـارة . المجموعة من الرموز تشابه الرموز المستخدمة للتعبير عن الدوائر الكهربائية بعض المعلومات في اختيار المواد التي تعتمد في سلوك فقـدان (valves)يوفر الجزء الخاص بالصمامات ، بصورة خاصة . لتطبيقات الفراغ

. (mechanical strength) لمختلف الغازات والشد الميكانيكي (permeability)النفاذية ، منها(outgassing)الغاز .سيتم التطرق في الصفحات التالية الى مجموعة الرموز المستخدمة في وصف مكونات الفراغ

:)Pumps(الرموز المستخدمة لوصف المضخات

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٣٥

:)esValv(الرموز المستخدمة لوصف الصمامات

:)Gauges(الرموز المستخدمة لوصف أجهزة قياس الفراغ

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٣٦

:)Baffles(الرموز المستخدمة لوصف المصدات

:)cock-Stop( وصمام وقف التدفق )through-Feed(الرموز المستخدمة لوصف المغذي النافذ

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٣٧

:(Vacuum chambers)حاويات الفراغ

بالنسبة لتجربة بحجم مختبري صغير يمكن ان تنفذ بحاوية فـراغ " فمثال". محددا" اشكال متنوعة والتي تؤدي عمالتاتي حاوية الفراغ باحجام و مثل الترادف المغناطيسي لتجربة االنـدماج ، اما بالنسبة الى الطرف االخير من طيف الحجم الفيزياوي. لها حجم صغير يصل الى المتر الواحد

.لورنس الوطني فحجمه يمكن ان يستوعب العديد من الباصات في نفس الوقتالمغناطيسي في مختبر لفرمور ولكن بعد تطور تكنولوجيا الفراغ فقد اسـتخدمت . في منظومات مصنعة من الخشب المضغوط ) ١٦٤٠حوالي سنة (اجريت التجارب القديمة

.أمادة الفوالذ المقاوم للصد" الحديد وحاليا، الزجاج، النحاس، مواد مثل الرصاصهناك اهمية خاصة الستخدام حاوية فراغ بحجم صغير بدون ان يؤدي الى التاثير على العمليات التي صممت من اجلها تلـك : (Size)الحجم ان الفلنجة البـسيطة " فمثال. ان هناك عدة اسباب لهذا االختيار منها كلفة مكونات الفراغ بصورة عامة تزداد بسرعة مع زيادة الحجم . الحاوية

باالضافة الـى الكلفـة االوليـة !. ولنفس التصميم"10 لحجم قطر $250 وتكلف "3/4 2 لحجم قطر $20تي يتم لحامها مع الحاوية تكلف الويعود ذلك الى الفترة الزمنية الطويلة المطلوبـة " فان كلفة التشغيل لحاويات الفراغ ذات الحجم الكبير الغير ضروري سيكون كبيرا ، المذكورة .لتفريغ للوصول الى ضغوط العمل وزيادة دورات التصليح على مكونات الفراغلعملية ا

، (Cylindrical)االسـطوانية : ان الكتلوكات التجارية لحاويات الفراغ توفر انواع متنوعة من االشكال ونذكر منها: (Geometry)الـشكل ، (Bell jars)جرة الجـرس : كن ان تصنف الى انواع مختفلة منهاان هذه الحاويات يم. (Rectangular) والمستطيلة (Spherical)الكروية

باالضافة الى االشكال حسب طلب (Crosses) وشكل الصليب T (Tees)شكل حرف ، (box coaters)صندوقية ، (Cylinders)اسطوانية .الزبون

الـشد الميكـانيكي ، لتلف من الصدمة الحراريـة يمكن تصنيعها من زجاج البايركس والذي يقاوم ا: (Bell jar vessel)حاوية جرة الجرس يتم اختيار هذا النـوع للعمـل ". ان هذا النوع غير مكلف بالمقارنة مع النوع المعدني المقابل لها المصنع من الفوالذ مثال . والهجوم الكيمياوي

.حافظة على نظافة الحاويةالصغير حيث ان له اهمية واضحة في سماحه بالمشاهده من خالله لعملية الفراغ اذا ماتم المتستخدم في هـذا ). "30 وطول "18قطر ( لحجم $1000الى ) "12 وطول "10قطر ( لحجم $350ان سعر حاوية جرة الجرس يتراوح بين

يستخدم عـادة المطـاط . النوع حلقة حصر مطاطية موضوعة في قاعدة الجرة لمنع أي نضوح وتوفير عملية غلق محكمة مع الفلنجة المعدنية ان عملية اختيار مادة حلقة الحصر يجب ان تـتم . كحلقات حصر (Buna) والبونا (Viton)الفايتون ، (Neoprene)الصناعي مثل النيوبرين

اما اغلى انواع حلقات الحـصر فتـصنع ). البيئة الكيمياوية والتاثير الميكانيكي ، الضغط، في درجة حرارة (للظروف التشغيلية المتوقعة " طبقايتم عادة استخدام جزء يغطي جرة الجرس مصنع من مادة معدنية قابلة . "24 لقطر حاوية جرة جرس $200دة الفايتون وتكلف حوالي من ما

لحماية الجرة الزجاجية من التاثير الخارجي الذي قد يؤدي الى كسرها وكذلك " اوال، ان الهدف من هذا الدرع هو ثنائي . للتمدد لغرض السالمة .ملين من تطاير اجزائها في حالة حصول تصدع فيهالحماية العاانوع تجارية للحاويات مصنعة من الفوالذ المقاوم للصداء وتاتي عادة مع طبقة خارجية مبردة بالماء وفتحة مشاهدة واحدة علـى " تتوفر ايضا

قطـر ( لحجـم $4000الى ) "30ول وط"18قطر ( دوالر لحجم $2000تكلف جرة الجرس المعدنية حوالي . (Viewport flange)االقل تملك هذه النوعية نفاذية للغـاز قليلـة . ٣٠٤اكثر انوع الفوالذ المقاوم للصداء المستخدم لتطبيقات الفراغ يكون من نوع ). "30 وطول "24

(Permeability) ، يمكن ان يطرد الغازات منها(outgassed)عن طريق التسخين وتقاوم التاثير الكيمياوي. اغلب انواع الحاويات االسطوانية يكون قطرها اكبر من طولها ومصنعة من معـدن الفـوالذ المقـاوم : (Cylinders)ت االسطوانية الحاويا

للحاويـة مـصنعة (Ports)يتم عادة استخدام عدة بوابات . وتستخدم حلقات حصر معدنية للفلنجان في قاعدة وقمة الحاوية ٣٠٤للصداء نوع .(Feed-through) وادخال المواد (Viewport)شاهده بشكل اسطواني لغرض الم

يتم اختيار هذه . يعتبر هذا النوع االكثر شعبية في تطبيقات الصناعات البصرية وااللكترونيات الدقيقة: (Box coates)الحاويات الصندوقية مميز اخر لهذا النوع من الحاويات هو انه يمكن لحـام هناك. االجهزة لسهولة عملية تحميلها لفترة تشغيلية واعادة فتحها واستخدامها من جديد

يـتم . حوامل المواد وتشخيص العملية هي مسالة بـسيطة ، واعادة صياغة مصادر الترسيب ، العديد من الفلنجات القياسية على جدران الحاوية يتم تجهيز هذا النوع ببوابـة " نموذجيا. تحيط بها ومجهزة بمنظومة تبريد٣٠٤تصنيع هذا النوع من الحاويات من مادة الفوالذ المقاوم للصداء

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٣٨

يستخدم في اغلب االحيان صفيحة معدنية كعازل داخل الحاوية تمنع حصول عملية ترسـيب . متحركة تحوي حلقة حصر للوصول الى داخلها ".على واجهة الحاوية الداخلية ويتم استبدالها دوريا

توفر العديد من كتيبات مكونات الفراغ انواع من اجزاء تجميع مكونات الفـراغ مـن : (Tees and Crosses) والصليبي Tالحاويات شكل اغلـب . وصاليب مجهزة بفلنجات قياسية يمكن تجميعها مع صمامات ومضخات واجهزة قياس لبناء حاوية نوذجيـة Tانابيب واشكال حرف

."10 الى قطر خارجي "3/4بقطر خارجي من ومتوفرة باحجام ٣٠٤هذه المكونات مصنعة من الفوالذ المقاوم للصداء :(Traps, Baffles and Filters)المصدات والمرشحات ، المصائد

تعتبر المـصائد . على انها أي جهاز موضوع في دائرة الفراغ يخدم في تقليل الضغط الجزئي للغاز في الدائرة ، المصائد تعرف بصورة عامة توضع المـصائد فـي ). كما في المضخة االنتشارية (ع جريان الغاز باالتجاه الغير مطلوب مضخات قنص مساعدة تستخدم بصورة عامة لمن

. امكانية رجوع الزيـت مـن المـضخة الـى الحاويـة ، الى درجة كبيرة ، مسالك توصيل الفراغ بين مضخات الفراغ وحاوية الفراغ لتقليل والتكثـف (cryo-sorption)االمتـزاز الزمهريـري ، (adsorption)االمتـزاز : الميكانيكيات المختلفة الصطياد ابخرة الغازات تتـضمن

.(cryo-condensation)الزمهريري بمادة تملك مساحة سطحية كبيرة بالمقارنة مع " ان عملية االصطياد التي تعتمد على االمتزاز تملئ نموذجيا :(adsorption)مصائد االمتزاز

.(zeolite)واد التي تحوي على فجوات مايكروية مثل الزايواليت صوف النحاس وم، حجمها مثل االلياف الزجاجيةالسطوح التي درجة ( يستفاد هذا النوع من حقيقة ان اصطدام االبخرة مع السطوح الباردة :(cryo-sorption)مصائد االمتزاز الزمهريري

يستخدم سائل النتروجين عادة كمـصدر . بفعالية من النظامسوف تتكثف وبالتالي تفرغ ) حرارتها اقل من نقطة غليان الغاز عند ضغط التشغيل - لذلك فان الغازات التي لها نقطة غليان فـوق درجـة حـرارة 195oC-ان نقطة غليان سائل النتروجين هي . تبريد لهذا النوع من المصائد

195oCسوف تتكثف عند اصطدامها مع هذا السطح البارد . باالضافة الى تاثير " يعتمد هذا النوع على استخدام اسطح عند درجة حرارة واطئة جدا : (cryo-condensation)مصائد التكثف الزمهريري

ان حجـم . 3ű7مادة الزيواليت هي عبارة عن مادة منخل جزيئي تحوي مسامات بقطـر . المواد ذات المسامات المايكروية مثل الزيواليت .دام تاثيرات قوى فاندرفالزالقتناص الغازات من خالل استخ" المسامات مناسب جدا

:(Maintenance of traps)صيانة المصائد فاذا تم هذا العمل بشكل غير صحيح فان تاثيرات وجودها سيكون مضر لمنظومة الفراغ اكثر مـن فائـدة . ان المصائد تتطلب صيانة دورية

بعد فترة زمنيـة مـن ") الزيوت والماء عادة(خرة المتكثفة اعادة شحن المصائد بسبب محدودية سعتها وتشبعها باالب " يكون ضروريا . وجودهاان العديد من المصائد التجاريـة تملـك اجـزاء . ان المصائد االمتزازية المشبعة يجب اعادة شحن العنصر الفعال فيها او استبداله . استخدامها

عنـد درجـة حـرارة مـن ( المصئدة (baking) البعض االخر من التصاميم يسمح بتحميص . توصيل سريعة الربط مصممة لسهولة تبديلها 150oC 300 الىoC (لغرض تبخير االبخرة المتكثفة او استبدال المادة المنخلية.

:اما بالنسبة لصيانة المصائد فتجرى بالتسلسل التالي وحسب النوعحافظة على مستوى ثابت لسائل النتروجين في ببساطة عن طريق الم)مصائد سائل النتروجين(المصائد التكثفية الزمهريرية تتم عملية صيانة

:لغرض تحميص مصائد سائل النتروجين يجب اجراء التالي. المصئدة ).gate valve: اغلق الصمام البوابي(فصلها عن المنظومة " اوال )١ .باالضافة الى مضخة الفراغ الداعمة، حافظ على تشغيل مضخة فراغ عالي )٢

.بالوصول الى درجة حرارة الغرفةاسمح لدرجة حرارة مصئدة النتروجين )٣

استخدم الهواء الساخن من منفاخ لغرض رفع درجة حرارة المصئدة فوق حرارة الغرفة لتسريع عملية التبخيـر وتفريـغ الغـازات )٤ .المتكثفة في المصئدة

طوح المكثفـات قبـل ان اعد ببساطة ملئ المصئدة بسائل النتروجين واسمح لبعض الوقت لتبريد س ، بعد اجراء عملية التحميص هذه )٥ .تفتح الصمام البوابي

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٣٩

فيتم استبدالها بشكل كامل او عزلها من الجهة النظيفة لحاوية الفراغ ويتم تحميـصها تحـت الفـراغ للمصائد االمتزازية التكثفية اما بالنسبة .وبنفس التسلسل الذي شرح مع نوع المصائد التكثفية الزمهريرية

:(Quick connect hardware)مكونات الربط السريع اغلب هذه المكونات تستخدم مـواد مرنـة . تجهز العديد من الشركات اجزاء منظومات فراغ سريعة الربط واعادة صياغة منظومات الفراغ

Tشـكل حـرف ، (elbows)المرفـق ، (tubes)ان انواع مكونات الفراغ كاالنابيب . لتوفر عملية احكام للفراغ ) O-rings:حلقات حصر ((tees) والصاليب (crosses) متوفرة اما مصنعة من مادة البالستك (polycarbonate) ، االلمنيوم(aluminum) ، البـراص(brass) ، او

و Torr 4-10 والفوالذ حـوالي (polycarbonate)ان ضغط االساس العملي لمكونات الفراغ نوع البالستك . (.st.st)الفوالذ المقاوم للصداء 10-6 Torrتوالي على ال.

:لمكون منظومة فراغ يمكن توصيله بسرعة" الشكل التالي يوضح نموذجا

المـشبك . مـع جـدار حاويـة الفـراغ " يتم لحام حلقة الحصر المصنعة من الفوالذ مع انبوب من الفوالذ بقطر مناسب او يتم لحامه مباشرتا

(clamp) عضها يوفر قوة ضاغطة على الحلقة البالستيكية للوصول الـى الفـراغ الغير ظاهر في الشكل اعاله المستخدم لتثبيت االجزاء مع ب .المطلوب

يتم االشارة عادة الـى نـوع . "2 الى "1/2ان اجزاء الربط السريعة هذه متوفرة باحجام متطابقة مع انابيب الفوالذ وااللمنيوم بقطر خارجي فيـتم االشـارة اليـه "1.5النبـوب توصـيل بقطـر " فمـثال . مـع الحجـم المتـري المـرتبط بـه (KF) او (NW)الربط بمصطلح

(NW-40 or KF-40). :الشكل التالي يوضح بعض االنوع المتوفرة من مكونات الفراغ سريعة الربط

مـن الفلنجـات التي تكون مشغلة مع وجه واحد (gland) او حشوة(groove)هناك انوع اخرى من التوصيالت الميكانيكية تستخدم اخدود

يتم تطبيق قوة ضاغطة على حلقة الحصر عندما يتم تثبيت فلنجتـان مـع . (O-ring) او حلقة حصر (elastomeric gasket)وطوق مرن

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٤٠

تستخدم (greese)العديد من الشركات توفر انوع خاصة من الشحوم . بعضهما البعض لحشر حلقة الحصر وبالتالي يوفر عملية احكام للفراغ القاعدة االساسية هنا تقول انه يجب ان التـشعر . الحصر التي تملك ضغط بخاري وخواص تشحيم مصممة لتطبيقات انظمة الفراغ مع حلقات

.أي انها موجودة بكمية كبيرة، بوجود الشحم على حلقة الحصرحد الفلنجات تحـوي اخـدود منحـرف الحظ ان ا. الشكل التالي يوضح نموذج من فلنجات التوصيالت الميكانيكية بوجود اخدود وحلقة حصر

. ويملك مساحة سطحية اكبر من حجم حلقة الحصر الغير مسحوقة

:(Ultra High Vacuum Hardware)" مكونات الفراغ العالي جدا

علـى شـكل ، (UHV hardware)" تتطلب مكونات فراغ عالية جدا7Torr-10ان منظومات الفراغ المصممة للعمل عند ضغوط اقل من . وجـسم الحاويـة نفـسها (viewports)نوافذ مشاهدة ، (tubes)انابيب ، (bellows)انابيب مرنة ، (hoses)خراطيم ، (flanges)نجات فل

اذا لم يوفر احد مكونات هذه المنظومة الشروط المطلوبة لـالداء (UHV)في بناء حاوية فراغ نوع " ووقتا" اليوجد سبب يجعلنا ان نضع ماال ان هذا ينطبق فقط على جزء المنظومة الخـاص . بالمكون الذي يحمل اقل نوعية في النظام " اء منظومة الفراغ يكون محددا ان اد . المطلوب

.(foreline roughing) واليؤثر في حالة وجوده في جزء التوصيل للتفريغ الداعم UHVبدائرة يولـد بواسـطة الـضغط (UHV)ع النضوح في عمليـات نظـام ان االحكام الشديد لمن: (Knife edge flanges)فلنجات حافة السكينة

(compressing) والتشويه (deforming) لطوق معدني لين (soft metal gasket) ،بين فلنجتان من الفوالذ تملـك ، من مادة النحاس" عادة .(recessed knife edge)حافة سكينة مجوفة

:ة بهذه الطريقةلمنظومة محكم" الرسم التوضيحي التالي يبين نموذجا

مـن . (virtual leaks)يتم لحام فلجة حافة السكينة مع انبوب بطريقة تجعل اللحام من جهة السطح الداخلي لتقليـل النـضوح االفتراضـي

، لكلعمل ذ . الضروري عند اجراء عملية تجميع فلنجات االحكام المعدنية ان يتم حشر طوق النحاس بشكل متجانس للحصول على احكام مؤثر شـد " اوال، ثم تجرى عملية شد البراغي بالترتيـب . يجب وضع الطوق النحاسي بحذر بموضع الحفرة المقابلة التي تجلس عليها حافة السكينة

(snug) بشكل توافق احتضاني محكم لبرغي واحد ومن ثم البرغي القريب اليه واالستمرار بضب باقي البراغي بنفس االتجاه حول الفلنجـة . (UHV)ان االنتـاج الـصناعي لفلنجـات . للبراغي الحاضنة للفلنجة لغرض ضغط طوق النحاس بشكل صحيح (laps)ة طويات تجرى عد

. ("8 ,"6 ,"1/2 4 ,"3/4 2 ,"1/2 1)جعلها متوفرة وبكلفة معقولة وتاتي متطابقة مع نابيب باحجام قياسية

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٤١

: نذكر منها تباع باسماء تجارية متنوعة(UHV)يجب مالحظة ان مكونات (Conflat, Del-seal, F-style, CF, FC, Vac-U-Flat, and Aflat) . يصنع عادة الطـوق(gaskit) المـستخدم الحكـام منظومـات

(UHV) والخالي من االوكـسجين والمعامـل حراريـا " من معدن النحاس النقي جادا "(annealed) لجعلـه اكثـر قابليـة علـى التـشوه(deformable) . يستخدم عادة طوق نحاس مطلي بالفـضة لتقليـل امكانيـة تاكـسد ، )افران الفراغ (لتطبيقات درجة الحرارة العالية بالنسبة

اما طوق االلمنيوم فيستخدم مع حاويـات الفـراغ . الهدف هنا من هذا العمل هو منع تكون قشور اوكسيد النحاس داخل حاوية الفراغ . النحاس .طابقة الموادالمصنعة من االلمنيوم للتاكد من م

فق من الفوالذ ملحومة او مشكلة بطريقة هايدروليكيـة تـسمح رة عن انبوب فراغ مرن على شكل مر هو عبا :(Bellows) االنابيب المرنة كلفـة ،تقليل كلفة التـصميم ، بعزلها من االهتزازات في منظومة الفراغ وتقليل السماحية الميكانيكية التي تتطلبها بعض اجزاء منظومة الفراغ

كما يجب السماح لمساحة فارغـة للجـزء . عند تفريغه " يجب تثبيت االنبوب المرن من جهتيه حيث يصبح مضغوطا . التصنيع وكلفة التجميع التحاول ان تطـوي بقـوة . الوسطي لالنبوب يسمح له بالتحرك اثناء التفريغ وبالتالي عدم االتصال مع االجزاء االخرى من المنظمة واتالفها

استخدم انبوب مرن من مرفق ملحوم الى واحدة او كال الجانبين للسماح للجـزء . وب المرن عند عدة نقاط او على اكثر من مستوى واحد االنب .المرن لالنبوب من ان يعاني من االنحناء

:(Valves)الصمامات دخول غازات العملية الى او خـارح منظومـة يمكن الجزم ان جميع عمليات الفراغ التي تجرى تتطلب بعض طرق السيطرة على السماح ب

: ان الصمام المثالي يملك الخواص التالية. يوفر الصمام المصمم لتطبيق الفراغ طريقة تخدم هذا العمل المهم. الفراغ ".يسمح بقيمة عظمى من المواصلة عندما يكون مفتوحا - ١ ".يملك قيمة مواصلة صفر عندما يكون مغلقا - ٢ .ت الجو الى حاوية الفراغ بسبب وجود الصمام في دائرة الفراغاليحصل أي نضوح لغازا - ٣ .يجب ان يملك عمر دورة غير محدود والينتج أي دقائق - ٤ .يمكن تحميصه عند أي درجة حرارة - ٥ .خفيف الوزن - ٦ .يوازن مصمم المعدات عادة بين المتطلبات الحقيقية والكلفة. رخيص الثمن - ٧ . عندما يغلقatm (14.7 PSI) 1يجب ان يتحمل الصمام فرق ضغط قيمته - ٨

: تتضمن انوع تصاميم الصمامات المستخدمة اليوم .(angle valve)صمام مرفقي زاوي )١ .(gate valve)الصمام البوابي )٢ .(butterfly valve)صمام الفراشة او خانق )٣ .(pendulum valve)الصمام البندولي )٤ .(leak valve)صمام النضوح )٥ .(soft vent valve)صمام التنفيس الناعم )٦ .(ball valve)صمام كروي )٧ .نوع ذي مواصلة ديناميكية مختلفة: (pressure control valve)صمام السيطرة على الضغط )٨

والجريـان النافـذ (geometry)عند اختيار أي صمام يجب مالحظة المواد التي يصنع منها الصمام باالضـافة الـى الـشكل الهندسـي (throughput) .والفوالذ المقاوم للصداء) بعملية الصب او التشغيل من قطعة صلبة(م الصمام من االلمنيوم الخام تبنى اجسا.

يجـب تـصنيع (UHV)يمكن استخدام اجسام صمام مصبوبة في تطبيقات الفراغ العالي ولكن عن ادراك منطقة : (Aluminum)االلمنيوم في معدات وادوات عملية اشباه الموصـالت " صمامات االلمنيوم اكثر انتشارا . تشغيلاجسام الصمام من تشغيل قطعة صلبة لاللمنيوم الخام بال

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٤٢

يوفر االلمنيوم توصيلية حرارية . مع صمامات االلمنيوم لغرض احكام المنظومة (elastomer)تستخدم بصورة عامة المواد المرنة . الحديثة . ج ثانوية كثيرة حيث يتطلب عملية تنظيف دوريةوهذه مفيدة عند تشغيل الصمامات المسخنة في وسط نوات، ممتازة

يعتبر هذا النوع خيار شائع واقتصادي بالمقارنة مع المواد التي التـصداء :(Hard-anodized aluminum)االلمنيوم المصلد باالنودة ان تطبيق مثـل هـذه . لثانوية المؤذيةان هذا الطالء يوفر مقاومة عالية للحوامض والنواتج ا). wetted surfaces: ذات السطوح المبللة(

باالضافة الى ان السطوح سوف تبعـث . المواد سوف يؤدي الى نضوح عالي خالل سطح السداد المحكم بالمقارنة مع الصمامات الغير مطلية .(UHV)وبالتالي هذه السطوح غير مناسبة لمنظومات ، غازات اكثر

ويوفر وسيلة للوصول الـى " عتبر هذا النوع من اكثر االنواع استخداما ولكنه االكثر كلفةي: (Stainless Steel)الفوالذ المقاوم للصداء (UHV) 200عند " عادة(هذا النوع يوفر خدمة تحت درجات حرارة عالية . وكذلك يقاوم اغلب الغازات المؤكسدة التي تسبب التاكلoC مـع

: التالية(seals)سدادات االحكام " وصمامات تحوي نموذجيا) نية مع سدادات احكام معد300oCسدادت احكام من النوع المرن و .سدادات احكام من فلنجتين الغراض توصيالت الفراغ - ١ .الفحص والتجميع، الغرض الصيانة (bonnet seal) سدادة احكام بغطاء - ٢

.يسمح بتمرير حركة خاللها الى الفراغ، (actuator mechanism)سدادة احكام عند ميكانكية تحريك - ٣

.(main gate)سدادة احكام البوابة الرئيسية - ٤

ماعدى سدادة احكام البوابة المتحركة التي تحتاج الى صـيانة (static service)ان جميع انواع سدادات االحكام هذه تحتاج الى صيانة ساكنة او مـواد خاصـة (metal)المعـدن ، (Viton)يمكن تصنيع جميع انواع سدادات االحكام من مادة الفايتون . (dynamic service)متحركة

صمامات المرفق الزاوي والبوابي يمكن ان تحفظ فـراغ ، "عموما. (Perfluorelastomers)تقاوم الكيمياويات ودرجة الحرارة العالية تدعى ).مع ضغط جوي من الجهة المعاكسة(بشكل يمكن الوثوق منه وعلى أي من جانبي البوابة

: (Angle valves)صمامات المرفق الزاوي . وقد تحوى على سدادات احكام معدنية او حلقـات حـصر ، (foreline)تستخدم هذا النوع في العادة مع توصيالت خطوط االسناد او الدعم

الشكل ادنا يوضح صمام من نـوع . 90oالى دورة " تملك مواصلة واطئة لحجم الثقب نسبتا(Right angle valve)صمامات الزاوية القائمة ) مغلق عادة(مع عودة بنابض " يشغل هوائيا

). مثل نقل الشرائح او اشكال مواد اخرى من حاوية الى اخـرى (تستخدم لعزل المضخة او وسط ناقل : (Gate valves)الصمامات البوابية . فانها توفر مواصلة عالية بين الحاوية ومضخة الفراغ، بالنسبة لعزل المضخة

. دوار وبثالث ميكانكيات تشغيل(feed-through)بوابي من نوع النافذ الشكل التالي يوضح صمام

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٤٣

.الشكل التالي يوضح كيف تعمل ميكانيكية الصمام البوابي

ويستخدم عادة معها سدادات احكام مرنة واما النوع . يمكن ان تصنع الصمامات البوابية من صب او تشغيل االلمنيوم او الفوالذ المقاوم للصداء

يجب اخـذ الحـذر ". او هوائيا " كهربائيا، "يمكن تشغيل الصمامات البوابية اما يدويا . فلها سدادات احكام معدنية (UHV)صممة لتطبيقات الملقد فقد العديد من الناس ايديهم عند العمـل . الشديد عند التعامل مع هذا النوع من الصمامات خاصة عند ربطها بمصدر الطاقة لغرض تشغيلها

.ظومات الفراغ عندما يغلق بشكل خاطئ الصمام البوابي ويد الشخص داخل الصمامعلى من :(Feed-through)المغذي النافذ

. الحركة وماء التبريد الى منظومـات الفـراغ ، يمكن ان تحدد بشكل كبير عمليات الفراغ بدون امكانية وجود وسيلة اليصال القدرة الكهربائية ترسيب اغشية رقيقة علـى " مثال( تحريك نموذج داخل حاوية فراغ سوف يعمل على تحسين امكانية نظام الفراغ بشكل مشابه فان القابلية على المغذي النافذ يوفر ميكانيكية للوصول الى هذه االهداف بدون ان يؤثر على البيئة المفرغة الـذي نعمـل بجهـد ). سطوح اجزاء اشكال معقدة

.للوصول اليها : (Electrical power feed through)لقدرة الكهربائية المغذي النافذ لمصدر ا

تستخدم هـذه االجهـزة عنـد . يتم امرار القدرة الكهربائية الى داخل حاوية الفراغ من مصدر خارجي معين بوسيلة تصميم جيد لمغذي نافذ ضافة الى ذلك فان اغلب اجهزة الفراغ ومن ضـمنها باال. الترذيذ واللحام بالنحاس تحت الفراغ ، اجراء عمليات مثل تبخير الحزمة االلكترونية

يتم بناء عوازل سيراميكية حول المغذي النافذ لمنع وصول الكهربـاء الـى . اجهزة قياس الضغط تعتمد على مغذي نافذ للكهرباء في الفراغ التي يمكن ان تجرى فيها العملية بامان للفولتيـة عند اختيار مغذي نافذ للقدرة الكهربائية يجب الحذر عند اختيار الوحدة .جدران حاوية الفراغ

. والتيار المطبق :(Fluid feed-through)المغذي النافذ للمائع

سائل النتروجين وغازات العملية يتطلب ادخالها بشكل دوري الى منظومة الفراغ وبشكل مسيطر عليه بدون التاثير على بيئة ، موائع مثل الماء منفـذ داخـل (يتضمن مغذي نافذ للماء ثنائي الخط " التصميم االكثر شيوعا . المصمم لهذه التطبيقات ياتي بانواع مختلفة المغذي النافذ . الفراغ

وخـط منفـرد ، في حاوية الفراغ (sputtering guns)وخارج للماء المستخدم لتبريد مصادر ترسيب االغشية الرقيقة مثل مسدسات الترذيذ ).مليةالمرار غاز الع(لدخول الغاز

وتوصيل عينة تحـت (substrates)تحريك قواعد ، لغرض فتح واغالق الصمامات: (Motion feed-through)المغذي النافذ المتحرك . لنوع الحركة المـسموح بهـا " يمكن تصنيف هذه االنواع من المغذيات النافذة تبعا . الفراغ نحتاج الى انواع مختلفة من مغذيات نافذة متحركة

المغذي النافـذ الخطـي ، في الصمام الخانق(flapper) في ادارة القالب االرجاعي (Rotary feed-through)مغذي النافذ الدوار يستخدم ال(linear) يوفر الحركة المطلوبة من قبل الصمام البوابي وعصى تراوحية (Wobble stick)تشغل باليد تسمح بالحركة الزاوية .

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٤٤

: مغذي نافذ دوار بسيطل" الشكل التالي يوضح نموذجا

هذا التصميم مناسب للفراغ التقريبـي . بين سدادتي احكام مرنة(port for differential pumping)الشكل اعاله يوضح موقع منفذ التفريغ

(rough) والعالي (high) ولكن غير مناسب للفراغ العالي جدا "(UHV) . ذ بنظـر االعتبـار عند اختيارك لمغذي نافذ دوار تاكد من ان تاخ cantilever)الحمل الكابولي ، االعظم الذي يتعرض له عمود االدارة(torque)عزم الدوران ، االعظم(shaft)سرعة دوران عمود االدارة

load) هـل هل سيتعرض المغذي النافذ لسائل النتـروجين؟ . كذلك يجب ان نتذكر متطلبات درجة الحرارة . واي معامالت ميكانيكية مالئمة .سيكون المغذي النافذ معرض لدرجة حرارة تحميص عالية

هناك شـي اخـر . مع انواع مختلفة من الفلنجات منها التصاميم السريعة الربط ومع سدادات احكام معدنية " المغذي النافذ الدوار متوفر تجاريا ان . (retract) او الـسحب (extend)المـد ، (rotate)ان يتعلق باختيارك للمغذي النافذ الدوار يتعلق بالقوة المحركة التي تسبب في الدور

يعتبر اختيار المـاطور . (motorized)او مجهز بماطور ") التشغيل مسيطر عليه يديويا" (اغلب الموديالت المتوفرة يمكن شرائها لتعمل يدويا تثبيـت ، وقع اجزاء تم طالئها داخل حاوية الفـراغ يستخدم شغل العصى التراوحية لتغيير م . ويجري ذلك على اساس متطلبات العلمية ، "مهما

"Ball and socket)"" الكـرة والتجويـف "تـصاميم متراوحـات . او حتى توجيه مصادر الترسيب او االشعاع داخل الحاوية، المتحسساتwobblers) ، انواع اخرى مـن . اغ وبشكل شائعملحومة مع انبوب مرن من الفوالذ المقاوم للصداء توفر سدداة احكام للفر ، انظر الشكل ادناه

.انبوب مرن ملحوم لغرض احكام الفراغ" التي تستخدم ايضا(wedge) واالسفين (cam)التصاميم تشمل حدبة تحويل الحركة

: التـرس -المسنن، push-pull: السحب-الدفع" (وقدرات حمل ويمكن ان تدار يديويا ، اشكال هندسية ، معالجة الحركة الخطية تاتي بعدة احجام

rack-pinion ،اللولب-القناة :lead-screw ( مع كل هذه المعالجات يجب اخذ الحذر للتاكد من عدم التسبب باي تلف لها او . او تدار بماطورتذكر ان االنبوب المرن الغير محصور سوف يتـداعى . الي معدات اخرى اثناء تفريغ الضغط الجزئي خالل سطوح سدادات االحكام للمعالج

على (scal ruled)توجد مسطرة معلمة . اللولب اليديوية-لمغذي نافذ بحركة خطية لتصميم القناة" الشكل التالي يوضح نموذجا. التفريغخالل . من جهة الفراغ للحاوية(shaft)اللولب تعطي اشارة المتداد العمود -اسطوانة القناة

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٤٥

(Subatmospheric Total Pressure Gauges)أجهزة قياس الضغط الكلي تحت الضغط الجوي : ٥الفصل

ان اجهزة قياس الضغط التي سيتم شرحها في هذا الفصل تستخدم لمراقبة البيئة في حاوية الفراغ وذلك لفهم العمليات التـي تجـرى تحـت يمكـن ان يـصنف فان موضوع اجهزة قياس الضغط ، وبشكل مشابه الي مجال في تكنولوجيا الفراغ . ظروف ضغط واطئ وامكانية اعادتها

:بعدة طرق وكما يلي .اجهزة قياس تعتمد على معدل الضغط الذي تعمل عليه - ١ . اجهزة قياس تعتمد على المبدء الفيزياوي خلف هذه العمليات - ٢

.اجهزة قياس تعتمد على الحجم - ٣

.اجهزة قياس تعتمد على الكلفة - ٤

.اجهزة قياس تعتمد على التعقيد - ٥

:يمكن تصنيف اجهزة قياس الفراغ الى اربعة انواع. (physical basis of operation)ي للتشغيل سيتم هنا استخدام االساس الفيزياو .اجهزة تقيس تاثير القوة الفيزياوية على السطح - ١ .اجهزة تقيس انتقال العزم بواسطة جزيئات الغاز - ٢

.اجهزة تقيس انتقال الحرارة - ٣

.اجهزة تقيس كثافة الغاز بعملية تاين جزيئات الغاز - ٤

:على كل نوع من االنواع االربعة" ادناه مثاالتجد

ان هذا المعدل من الـضغط . 13Torr-10 الى Torr 760يجري كل يوم تنفيذ تجارب وعمليات في حاويات فراغ تملك ضغوط كلية بمعدل

هذه االجهزة التي هـي . لضخماليتوفر جهاز ضغط واحد يستطيع قياس الضغط بدقة على طول هذا المعدل ا ! ةيعشرفارزة ١٦يمتد لحوالى بالنسبة لكـل . 3Torr-10سوف تعاني مشاكل او ربما تتلف اذا شغلت عن ضغوط فوق " حساسة كفاية لتكون دقيقة عند كثافات غاز قليلة جدا

مطابقـة سوف نعمل جاهدين في شرح التطبيق المناسب للجهاز وسوف نعطي مالحظات مفيدة حول ، جهاز قياس فراغ مغطى في هذا الفصل . يوضح معدالت ضغط التشغيل الجهزة القياس التجارية المعروفة5.1الشكل . التحمل الميكانيكي وقابلية الجهاز للتاثيرات الخارجية، المواد

5.1 الشكل

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٤٦

:(Force Measurement Pressure Gauges)اجهزة قياس الضغط التي تقيس القوة :(U-tube Manometer)المانوميتر الزئبقي

ولكن بسبب كثافته القليلة ، "استخدم سائل الماء بدايتا . يعتبر جهاز قياس مستوى السائل اول ماستخدم كوسيلة لمراقبة تغيرات الضغط ، "تاريخياـ ، ليتمكن من قياس الضغط الجويfeet 30التي تتطلب ان يكون طول االنبوب حوالي ة تم استبدال الماء بمادة الزئبق حيث ان كثافتـه العالي

ان المبادئ االساسية لتشغيل اجهزة قياس مستوى السائل البسيطة . تسمح بتصنيع اجهزة قياس اصغر بكثير ) من الماء " مرة اكبر كثافة 13.6( :هي كما يلي

. طوله متر وموضوع بشكل عموديU يتم تحضير انبوب زجاجي على شكل حرف -١ . يملئ االنبوب الى منتصفه بسائل الزئبق-٢ ).(Inlet) وصمام الدخول (Reference)صمام المصدر (م صمامان في نهايتي االنبوب يستخد-٣ . يفتح الصمام من جهة المصدر لالنبوب الى مضخة فراغ عالي-٤ . او اقل ومن ثم يغلق صمام المصدر5Torr-10 ضغط الهواء فوق الزئبق من جهة صمام المصدر ينخفض الى حوالي -٥ . ربط جهة صمام الدخول لالنبوب بمنظومة الفراغيمكن، عند هذه النقطة-٦بين ذراعي القياس والمصدر لالنبـوب سـيكون حـوالى ، (H)فان فرق ارتفاع العمود للزئبق ، عند الضغط الجوي " اذا كان النظام بدايتا -٧

760 mm . .فان الفرق في االرتفاع بين الذراعين لالنبوب سينخفض، اذا تم تفريغ نظام الفراغ الموصول بصمام الدخول لجهاز القياس-٨

. يوضح الرسم التخطيطي لجهاز المانوميتر الزئبقي5.2الشكل

5.2الشكل

قياس مستوى السائل اذا تم عزل نموذج من الغـاز يمكن توسيع معدل الضغط التي تقراء بها اجهزة :(McLeod Gauge) جهاز ماكلويد المراد قياس ضغطه في نظام الفراغ عن طريق كبسه بطريقة مسيطر عليها لتضخيم القوة المؤثرة على وحدة المساحة وبالتالي جعـل عمليـة

فقاعة معروفة الحجـم ، ، (mercury reservoir)تتم عملية القياس بجهاز ماكلويد باستخدام خزان زئبق متحرك .قياس الضغط سهلة ودقيقة(bulb) ، ومجموعة من االنابيب الشعرية(capillary tubes)5.3انظر الشكل . وانبوب يسمح بالتوصيل مع حاوية الفراغ.

. يوضح الرسم التخطيط لمنظومة ماكلويد5.3الشكل

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٤٧

الفقاعة ذات الحجم المعروف الموضوعة بشكل مباشـر تحـت لغاز من حاوية الفراغ لتملئ لان انزال خزان الزئبق سوف يسمح للغز بحركة في نفس . يتم بعدها عزل هذا النموذج من الغاز عن حاوية الفراغ بواسطة رفع خزان الزئبق عن المستوى المقطوع . االنبوب الشعري المغلق

: نجد(calibration constant: k) معايرة يمكن ان نبين انه لثابت. يتم كبس الغاز المحجوز الى االنابيب الشعرية المختومة، الوقت

". لمعدل الضغط مع دقة عالية جدايةعشرفوارز 4لقد كان انجاز جهاز ماكلويد في وقتها تطور تقني كبير حيث يغطي

يحة يتكون جهاز قياس الضغط من نوع انبوب بوردون من حاوية مفرغة محكمة مع صف :(Bourdon tube gauge)جهاز انبوب بوردون ان االنبوب المعدني المنحني يكـون . (pressure scale) وقراءات الضغط (indicator dial)زجاجية امامية تسمح برؤية الموشر المتحرك

هذا االلتواء ينتقل بشكل ميكانيكي الى دوران المؤشر بواسطة ميكانيكية . بتشوة مرن وان التواء نهايته يتناسب مع فرق الضغط خالل جدرانه . ادناه5.4انظر الشكل . (rack and pinion)نات وتروس مسن

5.4الشكل

التي تحمـي الميكانيكيـة (reference tubes)فالبعض يملك حاويات مفرغة وانابيب مصدر، هناك بعض االختالفات في التصاميم االساسية الـى 1atmيمكن ان تقراء بشكل دقيق معدل ضغط من ) "2ر الوجه قط(الغير مكلفة ، االجهزه الصغيرة . داخل الحاوية من بيئة نظام الفراغ

100Torr . 10الى حدود " يمكن ان تقراء ضغط نزوال )"9-8قطر وجه (االكثر حساسية ، االجهزة الكبيرةTorr . هذا النوع مـن االجهـزة كوسـيلة (High)ياس منظومات الفراغ العالي يمكن ايجاد هذا النوع من اجهزة الق ". نسبيا (rugged)ويتحمل الصدمات ، غير مكلف ، بسيط

. في منظومة الفراغ(gross pressure)الجمالي لتحديد ظروف الضغط ا

من استخدام غـشاء " يستفيد جهاز قياس ضغط الغشاء المدار ميكانيكيا :(Mechanical diaphragm gauge)جهاز الغشاء الميكانيكي يتم تـضخيم هـذا االنحـراف بواسـطة مجموعـة مـن العـتالت والبكـرات . ضغط خالله الى وجود فرق " ينحرف نسبتا ، معدني رقيق

(levers and pulleys)بما ان جهة الجهاز للغشاء معرض الـى بيئـة منظومـة . ويحول الى حركة دورانية للمؤشر امام وجه تاشير معيرلهذا النوع من " تخطيطيا" يوضح نموذجا 5.5الشكل . و الغازات الفعالة الماء ا ، فيجب اخذ الحذر للسيطرة على تعرض الجهاز للزيوت ، الفراغ .الجهاز

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٤٨

5.5الشكل :(Capacitance diaphragm gauges)جهاز غشاء المتسعة

بمانوميتر المتسعة هو نوع اخر من اجهزة قياس الضغط الذي يعتمد على الضغط التفاضلي على طـول الغـشاء " هذا النوع الذي يسمى احيانا بالنـسبة . العنصر المتغير في هذا النوع من االجهزة هو الغشاء المرن في مجهاد ذي ثالث اطـراف توصـيل . المرن كوسيلة لقياس الضغط

مع غياب ميكانيكيات تـاثير معـاكس وقـوى . يتم قياس التغير في المتسعة كدالة النحراف الغشاء وتترجم الى وحدات ضغط ، لفولتية داخلة .يمكن االعتماد عليها بالمقارنة مع جهاز الغشاء الميكانيكي، عاليةمضادة يعني دقة

:نذكر منها) 5.6انظر الشكل ( مانومتير المتسعة وبسلسلة من الحساسيات (heads) س تتوفر انوع عديدة من رؤؤ .للصدمات" الموديل االقل حساسية والذي يكون اكثر تحمال - ١ .5Torr-10 من لاس ضغوط اقبعض اكثر الوحدات حساسية التي تستطيع قي - ٢

.معدالت الضغط لرؤؤس مانوميتر المتسعة 5.6الشكل

يوضـح الرسـم 5.7الـشكل . هذه االجهزة تقيس ضغط بمبداء اظهار الحركة التراكمية للجزيئات وبالتالي فهي لست حساسة لنـوع الغـاز . التخطيطي لهذا النوع من االجهزة

5.7الشكل

بما ان حجم الغشاء صغير . سعة ان يقيس ضغط بشكل دقيق ضمن معدل ضغط حسب تصميم متحسس الضغط او الراس يستطيع مانوميتر المت لغـرض . فيمكن لقراءة الضغط ان تتاثر بتغير درجة الحرارة في البيئة المحيطة براس الجهـاز ، في رؤؤس مانوميتر المتسعة الحساس " جدا

يتر بالقرب من جهاز قياس ضغط ايوني من نوع الكاثود الحار او مـصئدة بـاردة لـسائل تفادي هذه المشكلة يجب عدم وضع راس المانوم

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٤٩

قامت بعض شركات التصنيع بتوفير مصادر تسخين في الجهاز التي ، ولتقليل تاثيرات درجات الحرارة المختلفة على قراءة الجهاز . النتروجين .تخدم في الحفاظ على درجة حرارة تشغيل ثابته

:(Thermal conductivity gauges)لة الحرارية أجهزة التوصي :(Thermocouple gauge)جهاز المزدوج الحراري

يـتم . يعتبر هذا النوع احد اكثر اجهزة قياس الضغط االساسية المستخدمة لقياس التغير في التوصيلية الحرارية للغاز لالستدالء على الـضغط حالما يـتم تقليـل الـضغط . داخل الجهاز حيث هناك مزدوج حراري ملحوم بلحام النقطة (filament)تجهيز تيار كهربائي ثابت الى شعيرة

والشعيرة بالتالي ستعمل عند درجـات حـرارة ، فان القليل من جزيئات الغاز سوف ترتطم مع الشعيرة المسخنة لوحدة الزمن ، بعملية التفريغ بما ان بعـض الجزيئـات . وتحول الى وحدات الضغط في قارئ الجهاز، لحرارييتم معاينة درجة حرارة الشعيرة باستخدام المزدوج ا . عالية

يوضـح 5.8الـشكل . فان هذه االجهزة تكون حساسة لنوع الغـاز ، افضل بمسالة الحصول على الطاقة الحرارية بالمقارنة مع البعض االخر .مقطع عرضي للجهاز وكذلك رسم تخطيطي لدائرة السيطرة

5.8الشكل

تحملهـا ، سـهولة اسـتخدامها ، سهولة نـصبها ، هزة المزدوج الحراري بشكل واسع في صناعة الفراغ وذلك بسبب كلفتها الواطئة تستخدم اج لمضخات الفراغ (foreline)التطبيقات المعروفة لهذا النوع من اجهزة الفراغ تتضمن قياس ضغط خطوط الدعم . للصدمات وحجمها الصغير

المعدل التشغيلي الغلب انواع اجهزة المزدوج الحـراري . الجهزة هي االستجابة البطيئة المالزمة الى تغير الضغطاهم المساوئ لهذه ا . العالية) تنحط(تتميز هذه االنواع بتحملها للصدمات وكونها يمكن االعتماد عليها ولكن نوعية قياس الضغط تتاثر بشدة . 3Torr-10 و 1atmيقع بين

علـى (pyrolyzed) زيت المضخة في داخل جسم الجهاز حيث يمكن ان تحصل لهذه المواد عملية تكـسير مثل، اذا تواجد أي سائل غريب .يتم عادة تثبيت االجهزة بشكل عمودي مع مدخل الجهاز ولهذا السبب فهي موجه نحو االسفل. الشعيرة الحارة :(Pirani Gauge)جهاز بيراني

ويتم فـي حاويـة . 1Torr في حاوية زجاجية محكمة مفرغة الى ضغط اقل من (compensator)يتم في هذا النوع احتواء شعيرة المصدر حالما تتعرض كثافة الغاز الى تغيرات شـعيرة . (gauge filament)زجاجية مشابهة مفتوحة عند نهاية الدخول للجهاز احتواء شعيرة الجهاز

الى تغير في مقامومتها الكهربائية وتقاس تلك باسـتخدام دائـرة ، ائي ثابتتتعرض شعيرة الجهاز المسخنة باستخدام جريان تيار كهرب ، الجهاز، وكما مع االجهزة القياس االخرى التي تقيس التوصيلية الحرارية للغـازات . واطسون ويتم عرض وحدات الضغط على قارئ خارجي قنطرة

. وقت للشعيرات المسخنة لتستجيب الى التغيرات في محيطهـا اذ يتطلب بعض ال . فان جهاز بيراني اليقراء التغيرات في الضغط بشكل تلقائي ).االسفل(ودائرة السيطرة ) االعلى( يوضح الرسم التخطيطي لجهاز بيراني 5.9الشكل

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٥٠

5.9الشكل

:(Convetron gauge)جهاز الحمل يحتـوي . هذا الجهاز الى الضغط الجـوي وزيادة معدل ، تحوير مفيد لجهاز التوصيل الحراري يسمح بقياس تيارات الحمل عند ضغوط عالية

ان . (kovar wire)هذا الجهاز بشكل نموذجي على واير متحسس من التنكستن مطلي بالذهب محاط باسطوانة مغطاة بطبقة مقاومة للحـرارة ان الحجم الكبيـر . ت الجهاز هذه االسطوانة الحافظة لدرجة الحرارة تساعد في تقليل التغيرات المؤثرة في درجة الحرارة المحيطة على قراءا

وتحسن كفاءة الجهاز عند نهاية الضغط العـالي ، )1atm الى 1Torr(داخل الحافظة توفر فراغ لتيارات الحمل لتتطور عند كثافات غاز عالية الجهـاز (Orientation)لذلك فان عمليـة تهيئـة ، بسبب ان هذا الجهاز يستخدم تيارات الحمل لالستدالء بضغط الغاز . من المعدل التشغيلي

.5.10بشكل افقي وكما هو مبين في الشكل " يجب تثبيت جسم جهاز الحمل دائما. مهمة

5.10الشكل

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٥١

:(Gas ionization gauges)اجهزة تاين الغاز اجهزة التاين التي . ازيمكن استنتاج كثافة الغاز وبالتالي الضغط من قدرة الغاز على التاين المتسبب من تصادم االلكترونات مع جزيئات الغ

. (to 10-10Torr 3-10)" سيتم مناقشنها هنا مصممة لالستخدام في معدل الفراغ المتوسط الى العالي جدا :(Hot cathode ionization gauge)جهاز تاين الكاثود الحار

ليه ويستخدم بشكل واسع في صناعات عمليـة ويتميز هذا النوع ببساطته ويمكن االعتماد ع ، (Bayard-Alpert) البرت-بايردويدعى بجهاز ومطلعين على عمل مكوناته ومـن ثـم ، سهل الفهم في حالة فحصنا كل مكون بشكل منفصل ) بثالث اقطاب (تصميم الصمام الثالثي . الفراغ

يمرر تيـار . (V)الشعيرة هنا هي عبارة عن شريط رقيق من التنكستن على شكل ملف او مقلوب حرف . نرى كيف تعمل مع بعضها البعض كهربائي ذي فولتية واطئة من مصدر قدرة الجهاز خالل الشعيرة حيث تسخن بنفس طريقة تسخين الشعيرة في مـصباح الـضوء المتـوهج

فان الـشعيرة تبعـث كميـات كبيـرة مـن ، باالضافة الى الحرارة والضوء). 1800oCدرجة الحرارة التشغيلية لشعيرة الجهاز هي حوالي ( يوضـح هـذه 5.11الشكل ". ت التي تستطيع التصادم مع ذرات الغاز ومن هذا التصادم ينبعث الكترون من ذرة الغاز لتجعله ايونا االلكترونا .العملية

5.11 الشكل

بقائـه الذي يـتم ا (electron collector) او جامع االلكترونات ("helical "grid) يتم اجتذاب االلكترونات من الشعيرة الى شبكة حلزونية الطاقة االضافية الداخلة الى االلكترونات بواسطة انحياز جامع االلكترونات هـو . بالمقارنة الى الشعيرة150Vتحت فولتية موجبة عند حوالى

تهـا صـفر يتم تجميع ايونات الغاز المتولدة عند جامع ايونات مشغل عند فولتية قيم ، "اخيرا. للتاكد من عملية تاين كفوءة للغازات في الجهاز . يوضح رسم تخطيطي للجهاز ودائرة السيطرة5.12الشكل . بالمقارنة مع جامع االلكترونات

5.12الشكل

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٥٢

في التشغيل ودقيقـة " سهلة نسبيا، تتميز هذه االجهزة بصغر حجمها. (9Torr-10-3-10)المعدل التشغيلي لجهاز التاين الكاثود الحار يقع ضمن ربما يودي الى ) الخ...، غازات العملية ، الزيوت الهيدروكاربونية (ان وجود ملوثات . الضغط المصمم لتشغيلها للقراءة عند معدل %10±الى

يمكن اعادة الجهاز الى سـابق عهـده بواسـطة اجـراء عمليـة طـرد للغـازات ، اذا حصل هذا . عرقلة عمل جهاز االيون بشكل صحيح (degassing) للتخلص من الملوثات الغير مرغوبة حيث يجهز تيار الى الكترودات الجهاز.

. اغلب انواع وحدات السيطرة في جهاز االيون التجارية توفر عملية ازالة الغاز وكذلك تمنع تشغيل الجهاز عند ضغط يمكن ان يتلف الجهـاز .وتستخدم هذه الخاصية للسيطرة على العملية ومنظومة الفراغ، زمن االستجابة الجهزة االيون سريعة

.(nude) والمكشوف (gas envelope) يبين نوعان من اجهزة تاين الكاثود الحار وهما المغلف 5.13الشكل

.من اجهزة التاين) االيسر(والمغلف ) االيمن(يبن النوع المكشوف 5.13الشكل . داخلهاةالمجرالى نظام الفراغ وربما يتداخل مع العملية " اذ يكون بارزا، "الجهاز المكشوف يكون اقل استعماال

:(Cold cathode ionization gauge)جهاز تاين الكاثود البارد يستخدم هذا الجهاز االلكترونات المنبعثة من اقطاب عند جهود . (to 10-8Torr 3-10)يعمل هذا الجهاز ضمن معدل الفراغ الوسط الى العالي

رغام االلكترونات المنطلقة للدوران ضمن مسلك حلزوني بواسـطة مجـال يتم ا. لغرض تايين الغاز في جسم الجهازkV 10كهربائية حوالي هذا سوف يزيد من احتمالية تصادم جزيئات الغاز بالكترونات المدار وتـصبح متاينـة . مغناطيسي قوي مجهز من قبل مغناطيس دائم خارجي

حيث ان عدد االلكترونـات ، ل كبير بوجود بيئة غير نظيفة ان دقة اجهزة الكاثود البارد يمكن ان تتاثر بشك . (counted)عدها " ويمكن الحقا ولكن يجب اخذ الحذر خالل ، يمكن تفكيك بعض موديالت اجهزة الكاثود البارد وتنظيفها . المنبعثة من الكاثود يعتمد على ظروف سطح الكاثود

يوضح 5.14الشكل التالي . ء قراءات ضغط خاطئة اذ ان أي خلل في الترصيف لالقطاب او المغناطيس ربما يؤدي الى اعطا ، عملية التجميع .رسم تخطيطي لهذا النوع من االجهزة

5.14الشكل

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٥٣

:(Momentum transfer pressure gauge) اجهزة انتقال العزم :(Spinning rotor gauge) جهاز الدوران المغزلي

از لسطح كرة من الفوالذ تدور وتسبح بتاثير مغناطيسي لالستدالء المتسبب من ضرب جزيئات الغ (drag)يستخدم في هذا النوع مبدأ السحب باستخدام مجموعة مـن 400RPM تجلب الكرة السابحة في الهواء الى سرعة دوران حوالى SRGوحدة السيطرة لجهاز . على ضغط الغاز

، يتم اطفاء ملفات التعجيـل ، )من ملفات الفحص مقاسة باستخدام مجموعة (حالما تصل سرعة الدوران الى قيمة ثابته . ملفات كهرومغناطيسية الشكل التـالي . (composition) ان معدل انخفاض دوران الكرة هو دالة لكثافة الغاز وتركيبها .(coast) ويسمح للكرة الفوالذية باالنسياب

. يوضح مقطع عرضي لهذا النوع من االجهزة(5.15)

5.15 الشكل

ويتطلـب ، مكلـف ، (delicate)يتميز هذا النوع بسهولة كـسره . (to 10-7 Torr 2-10)لمغزلي يقع بين ان معدل الضغط لجهاز الدوران ا .وفي قياسات فراغ محددة، لذلك فان استخداماته االساسية موجودة في معايرة باقي االجهزة. االنتظار بضع دقائق لكل قراءة ضغط

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٥٤

(Mechanical Vacuum Pumps)نيكية مضخات الفراغ الميكا: ٦الفصل وتوفير معلومات عن ادائها ، سيتم في هذا الفصل استعراض المبادئ االساسية لتشغيل العديد من مضخات الفراغ الميكانيكية الشائعة االستعمال

ـ . وشرح تقنيات الصيانة الوقائية المناسبة لها، وتطبيقاتها النموذجية Positive gas)از الموجبـة لقد تـم اسـتخدام مـضخات إزاحـة الغdisplacement pumps) اغلب انواع مضخات الفراغ القديمة سائل الزئبق مع انابيـب " تستخدم تقريبا!. ١٦٤٠ لنوع واحد او اكثر منذ عام

يـز بكونهـا بـسيطة المضخات الميكانيكية الحديثة يمكن ان توصف بالقوة العاملة لتكنولوجيا الفـراغ؛ وتتم . زجاجية وحاويات لتوليد الفراغ ان العديد من مضخات الفراغ التي مرت علينا . ويمكن ان تعمل لفترات طويلة بدون ان تعطل " غير مكلفة نسبيا ، تتطلب صيانة قليلة ، التصميم

تعمل من ان معدل سرع التفرغ للمضخات التجارية المتوفرة !. تشتغل بشكل مستمر لخمسة عشر سنة مع احتمال تبديل الزيت لمرات محدودة .300liter/sec الى اكثر من 0.5liter/secحوالي

:يمكن تصنيف مضخات الفراغ الميكانيكية الى نوعين اساسيين .(reciprocating pumps)المضخات الترددية )١ .(rotary pumps)المضخات الدوارة )٢

:تصنيف المضخات الميكانيكية حسب الخواص التالية" يمكن ايضا ).ت ذات المرحلة الواحدة او المركبةالمضخا(عدد المراحل )١ .مضخات االزاحة الموجبة الترددية )٢ ).ادارة مباشرة او باستخدام حزام ناقل(الوسيلة التي يتم فيها ادارة ماكنة المضخة )٣

: التاليةوتقسم الى االنواع. اما ادناه فتجد نبذة عن المضخات الميكانيكية الحديثة واهمها مضخات االزاحة الموجبة الميكانيكية :مضخات االزاحة الموجبة الترددية )١

: نذكر منها (diaphragm)مضخة الغشاء - ١ .(piston)المضخة المكبسية - ٢ .مضخات االزاحة الموجبة الدوارة )٢

: نذكر منها االنواع التالية

.(liquid ring) المضخة الحلقية السائلة - ١

.(sliding vane)مضخة الريش المنزلقة - ٢

(multi vane)الريش المضخة المتعددة - ٣

(rotary piston) الدوارة يةمضخة المكبسال - ٤

.(rotary plunger) الدوارة غطسمضخة ال - ٥

.(root) او رووتسمضخة التدوير - ٦

:(oil sealed)اما في هذا الكتاب فسوف نهتم بنوعين من المضخات الميكانيكية الزيتية المختومة .(sliding vane rotary pump)مضخة الريش المنزلقة الدوارة - ١ .(rotary piston pump)المضخة المكبسية الدوارة - ٢

:(theory of operation)نظرية التشغيل أي خالل عملية تشغيل المضخة بشكل دوري تخلق زيادة ونقصان في الحجـوم ، تعمل مضخات الفراغ الميكانيكية بمبداء ازاحة الغاز الموجبة

المدار بالمـاطور داخـل الجـزء الثابـت (rator)يتحرك الجزء الدوار ، في اغلب التصاميم . ى الجو وطرحهم ال ، الزالة الغازات من النظام (stator)االسطواني ذي القطر الكبير .

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٥٥

الى ضـغط االسـاس ، )الضغط الجوي ( (exhaust pressure) نسبة ضغط الغاز المطروح:(Compression Raio)النسبة االنضغاطية (base pressure)) غط يمكن الحصول عليه من مدخل مضخة التفريغاقل ض.(

:مثال :فان النسبة االنضغاطية لها، 15mTorrاذا استخدمت مضخة ميكانيكية واعطت ضغط اساس قيمته

. 51,000:1هناك طريقة شائعة لتقديم هذه المعلومة هو القول ان المضخة تملك نسبة انضغاطية مقدارها

كما ان سرعة التفريغ تنخفض بشكل سريع تحت هـذا . ك المضخات الميكانيكية الدوارة سرعة تفريغ ثابته تمل، 1Torrعند ضغوط اكبر من يزود اغلب مصنعي مضخات الفراغ الميكانيكية مع كتلوكات المنتج الخاصة بهم . الضغط وتصل الى قيمة صفر عند الضغط االساس للمضخة

. باداء المضخة وكما هو موضح في الشكل ادناه والخاصة(pump speed curve)منحيات سرعة المضخة

:(rotary Van Mechanical VP)مضخات الفراغ الميكانيكية ذي الريش الدوارة

وتملـك ، )(direct) او مدارة بشكل مباشر (belt)اما بحزام ناقل (على جزء دوار مدار بماطور ، "نموذجيا، تحتوي مضخات الريش الدوارة تصنع الـريش مـن . تحافظ على تماس مباشر مع الجدار الداخلي للجزء االسطواني الثابت(sliding vanes)منزلقة واحدة الى ثالث ريش

هناك قوة دفع نحو المركز تؤثر على الريش في الجـزء الـدوار . المعدن بالنسبة لمضخات الزيت المختومة ومن الكاربون للمضخات الجافة . يتم تجهيز بعض المضخات الميكانيكية بنوابض لتعزيز هذا الفعل. للجزء الثابتلغرض دفعها نحو السطح الداخلي المحكم

تتميز مضخات المرحلة . (double stage) او المرحلتين (single stage)يمكن تقسيم مضخات الريش الدوارة الى تصميم المرحلة الواحدة ان ضغط االساس المتوقع من مـضخة ميكانيكيـة ذي المرحلـة . قل كلفة وتملك جزء دوار وجزء ثابت واحد وكما انها ا ، الواحدة ببساطتها

ميناء العادم للمرحلة االولى يتصل مع ميناء الـدخول للمرحلـة الثانيـة ، بالنسبة الى تصميم المرحلتين . 20mTorrالواحدة جيدة هو حوالي ولكنها اكثر كلفـة مـن مـضخات 2mTorr-1الى مضخات المرحلتين يمكن ان تصل الى ضغط اساس . والذي يطرحه الى الضغط الجوي

وذي المـرحلتين ) االيـسر ( يوضح رسم تخطيطي مبسط لمضخة ريش دوارة زيتية محكمة ذي المرحلة الواحدة 6.1الشكل . المرحلة الواحدة ).االيمن(

6.1الشكل

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٥٦

عند ضغط اقل بسبب عدم التعرض الى ضغوط جزئيـة تعمل) ١المرحلة المعلمة (فان جهة الفراغ العالي للمضخة ، بالنسبة للتصميم المركب يجب مالحظة ان عملية تجهيز القليل من الزيت او عدم وجوده في المرحلة االولـى فـي المـضخة . عالية من االوكسجين في هذه المرحلة

يخـدم وجـود . ضخة الركبـة ان يؤدي الى صعوبات كبيرة في التشغيل الصحيح للم، "عمليا، المركبة لغرض الوصول الى ضغوط اقل يمكن :الزيت في المضخة الزيتية المحكمة في ثالث نتائج مهمة

.يوفر احكام للفراغ عند عادم المضخة )١ .يعمل كزيت تشحيم )٢

.يوفر مصدر تبريد للمضخة )٣

ل الريش الدوارة الحظ كيف تعم. يبين مجموعة من المخططات توضح التسلسل في دورة المضخة المنفردة لمضخة الريش الدوارة 6.2الشكل discharge)كيف يتم فتح وغلـق صـمام التفريـغ " الحظ ايضا. (stroke)مع الجزء الثابت لخلق زيادة ونقصان في الحجوم في كل دفعة

vlave)في كل دورة .

6.2الشكل

فانها تدور بسرعة " وديالت المدارة مباشرتا بينما الم ، 600RPM-400عند حوالي " تشغل مضخات الريش الدوارة المدارة بحزام ناقل نموذجيا 1500-1725 RPM .مـن %95يمكن القول ان حـوالي . ان اغلب مشاكل مضخات الريش الدوارة يمكن ان تعود الى صيانة الزيت الفقيرة

ماحية القريبة بين الريش بسبب وجود الس . المضخة وتبديل الزيت (flushing)جميع مشاكل المضخات الميكانيكية يمكن ان تحل بعملية تنفيس في اداء " هبوطا" فان مواد الدقائق الصلبة الداخلة الى المضخة يمكن ان تسبب تخديش السطوح المحكمة للفراغ مسببتا ، الدوارة والجزء الثابت

يرة ومرشحات توضع على تقوم العدبد من الشركات بانتاج مناخل صغ . يجب اخذ الحذر لتقليل دخول مثل هذه الدقائق ، لهذا السبب . المضخة .مدخل المضخة لتحقيق هذا الهدف

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٥٧

:(Rotary piston mech. vacuum pumps)مضخات الفراغ الميكانيكية المكبسية الدوارة

يعمـل ، عنـد كـل دورة . تعمل بمبداء االزاحة الموجبة للغاز 6.3المبينة في الشكل ) او الغاطسة الدوارة ( المضخات الميكانيكية المكبسية ضغطه وطرد الغاز ، بسحب الغاز الى الجزء الثابت(sliding valve) دوارة مع الصمام االنزالقي (eccentric)المكبس بحركة التمركزية

سرعة الدوران لهذا . فان مضخات نوع المكبسية الدوارة يمكن ان توجد بمرحلة واحدة او مركبة ، وكما في مضخات الريش الدوارة . الى الجو -0.003سماحية االبعاد بيم الجزء الثابت والمكبس لهذا التصميم يكون بحدود . RPM 800-600بحدود " المضخات يكون نموذجياالنوع من

يستخدم زيت ذي لزوجية عالية في هذا النـوع مـن . لوجود دقائق ملوثة فيها" بسبب هذا فان المضخات المكبسية تكون اكثر تحمال . "0.004 .مايتم تبريد المضخات المكبسية الدوارة الضخمة بالماء لزيادة عمرها وتحسين ادائها" وعادة. لعالية في االبعادالمضخات بسبب السماحية ا

6.3الشكل

:(Mechanical vacuum pump fluids)موائع مضخة الفراغ الميكانيكية العديد من العمليات غير متطابقـة مـع زيـت ، اغ اليوم في تكنولوجيا الفر . ان مائع المضخة المناسب يكون باهمية اختيار المضخة المناسبة

؟ اذا كنت تجري عملية يستخدم فيها كمية كبيرة من االوكسجين فان زيت مضخة صـناعي قليـل "فمثال. المضخة الهايدروكاربوني النموذجي فان احتمالية توليد مـزيج متفجـر مـع ، ونياذا اخترت في هذا المثال زيت هايدروكارب. الفعالية مع االوكسجين يكون هو االختيار المناسب

اذا تضمنت العملية المجرات استخدام غازات فعالة يجب هنا التفكير بجديـة ، بشكل مشابه ". االوكسجين وبخار زيت المضخة الحار وارد جدا يمكـن اختيـار موائـع المـضخة .حول الفعالية الكيمياوية لغازات العملية المفرغة التي سوف تتعرض الى بخار زيت المضخة الميكانيكية

ربما ترغب بتشغيل المضخة الميكانيكية ، عند بعض الظروف المحددة . الفلوروكاربونية لبعض التطبيقات وذلك بسبب فعليتها الكيمياوية القليلة المـضخات المحـورة يجب وضع عالمات علـى . ربما يتطلب زيادة السماحية بين االجزاء المتحركة ، لهذا الغرض . مع مائع بلزوجة عالية

كلمة اخيرة حول موائع المـضخات . حول التحوير والتطبيق الجديد لها " لخدمة خاصة لغرض اعالم االشخاص الذين سيعملون عليها مستقبال التعمل " لياالن العديد من انواع الموائع التجارية المتوفرة حا . الميكانيكية وهو يجب بحث الخواص التشخيصية للماء بشكل دقيق قبل استخدامه

. بشكل جيد اذا تم مزجها مع بعضها البعض :(Dry Mechanical Vacuum Pumps)مضخات الفراغ الميكانيكية الجافة

اسـتجاب مـصنعي ). من وجهة نظر االمان وتلوث انـضمة الفـراغ (تم في السنوات االخيرة االهتمام بدراسة موائع المضخات الميكانيكية تملك هذه المضخات لبعض التطبيقات خصائص مرغوبة ولكـن . سويق مضخات دعم ميكانيكية خالية من الزيوت مضخات الفراغ بتطوير وت

انهـا تمنـع امكانيـة اسـترجاع ) عادة لتـصميم الـريش لـدوارة (ان مميزات المضخات الجافة . هناك بعض العوارض يجب االنتباه اليها (backstreaming) ضافة الى ذلك يمكن استخدام المضخات الجافة لتفريغ وبامان كميات كبيـرة مـن باال. زيت المضخة الى حاوية الفراغ

امـا مـساوئ مـضخات الفـراغ . كما ان المضخات الجافة مناسبة لتفريغ ابخرة فعالة معينة غازات . االوكسجين بدون الخوف من االنفجار الـضوضائية ، ) اكثر من المضخات الزيتية المختومـة ولـنفس الـسعة مرات٥تبلغ حوالي (الميكانيكية الجافة فتتضمن كلفتها االولية العالية

.(ultimate pressure)وضغط االساس اعلى ، العالية

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٥٨

(Oil vapor diffusion pumps)مضخات بخار الزيت االنتشارية : ٧الفصل لقد اكتشف في السنوات العـشرة . ة واستخدم في حينها معدن الزئبق كمائع للمضخ 1916-1915اكتشف هذا النوع من المضخات حولي عام

ان هذه الزيوت مفيدة كونها تبقى في . إن بعض الزيوت تملك نقاط غليان عالية وضغوط بخار قليلة وبالتالي فهي موائع مضخات جيدة ، التاليةتغيـرات كبيـرة فـي مرت المـضخات االنتـشارية ب . المضخة لفترة طويلة وتسمح بالوصول الى ضغوط قليلة دون استخدام مصائدة باردة

لزيادة سرعة التفريغ وزيادة مقدرتها النتاج ضغوط قليلـة ) الغراض برنامج الفضاء(تصميماتها خالل الحرب العالمية الثانية وخالل الستينات هـا االبتدائيـة تتميز هذه المضخات ببساطتها وادائها العـالي وكلفت . باالضافة الى ان الزيوت قد أعطت الطريق النتاج موائع مضخات جديدة

مـستلزمات ، يستخدم هذا النوع من المضخات في مختبرات البحث والتطوير . الواطئة مما جعلها تبقى مصدر اساسي للفراغ العالي الصناعي قـادرة المصائد والمصدات المناسبة فانها ، فاذا استخدمت مضخات الفراغ االنتشارية مع الموائع الصحيحة. التصنيع ومحاكات الفضاء ، الطالء

.10Torr-10×2على انتاج فراغ بحدود :(Theory of operation)نظرية التشغيل

يحصل هـذا عنـدما تـصطدم . تعمل على اساس مبدا انتقال العزم، (vapor jet)تعتبر المضخات االنتشارية مضخات تدفق او نفث بخارية تحوي قاعدة المـضخة علـى مـسخن كهربـائي . رغوب خالل المضخةجزيئة بخار ثقيلة بسرعة عالية مع جزيئة غاز وتحركها باالتجاه الم هذا يعني انه قبل تـشغيل . يجب اجراء هذه العملية عند ضغط منخفض . يستخدم لتسخين مائع المضخة الى درجة غليانه وبالتالي ينتج البخار

اذا لم نحقق هـذا الـشرط فـان . 100mTorrأي حوالي ، الى ضغط مقبول(rough pumped)" يجب تفريغها مبدئيا، المضخة االنتشاريةحالما تصل درجة الحرارة الى نقطة غليان المائع فان البخار سـوف ينـدفع .لمائع المضخة " المضخة سوف التؤدي عملها او ربما تسبب تلفا

على شـكل سـتائر جزيئيـة ثم يخرج البخار عند كل اتجاه نفث نحو االسفل. (jet assembly)نحو اعلى االعمدة المركزية لمجموعة النفث (molecular curtain)يكون جسم المضخة مبرد بشكل كبير وبالتالي سوف يعمل على تكثيف المـائع علـى . التي تصطدم بجسم المضخة

ام المـاء باستخد" يتم تبريد اجسام المضخات نموذجيا ). منطقة التسخين (سطوحه الداخلية ويرجع المائع الى الوراء نحو االسفل باتجاه المرجل ظروف الجريان (حالما تدخل جزيئات الغاز من النظام بشكل عشوائي نحو المضخة . ولكن يستخدم في بعض االحيان الهواء الغراض التبريد

وبالتدريج سوف تصل الى منطقـة . بعض جزيئات هذا الغاز تصطدم وترسل الى النفث التالي . فانها تواجه النفث القادم من االعلى ) الجزيئي . حيث يتم طرحها الى الجو بواسطة المضخة الميكانيكية الساندة(foreline)دعم ال

:(Compression Ratio)النسبة االنضغاطية تملك المضخة االنتشارية خصائص تشابه الخصائص للمضخات المكبسية االخرى فـي انهـا تعمـل علـى اعطـاء ضـغط عـادم عـالي

(exhaust pressure)ة مع الضغط الداخل بالمقارن" نسبيا(Inlet pressure) .7-10×2لضغط داخل مقداره ، "فمثالTorr وضـغط داعـم فان كل مركـب ، بالنسبة لحالة االنضغاط في مزيج من الغازات . نجد ان النسبة االنضغاطية تكون بحدود واحد مليون ، 1Torr-10×2مقداره

مختلفة من النسب االنضغاطية العظمى ومعدالت جريان مختلفة لغازات تملك اوزان من الممكن ان تجد انواع . ربما يفرغ مع تاثيرات مختلفة النسبة االنضغاطية للهيدروجين تختلف بشكل كبيرعن النسبة االنضغاطية لالركون وذلك ببساطة بـسبب ان اوزانهـا ". فمثال. جزيئية مختلفة

يختلف عن الهواء فان النسبة االنضغاطية العظمى سوف تنحرف " جزيئيا" وزنا عندما يملك الغاز المفرغ ، باالضافة الى ذلك . الجزيئية مختلفة .ستبقى كما هي) critical discharge pressure: او ضغط التفريغ الحرج ((foreline)ولكن قيمة ضغط الدعم

:(Critical discharge pressure)ضغط التفريغ الحرج يتوقف عمل . بانه اعظم ضغط مسموح به عند منطقة الدعم خالل تشغيل المضخة االعتيادي يعرف ضغط التفريغ الحرج للمضخة االنتشارية

الذي يحصل هنا هو ان بخار مرحلة التفريغ للمضخة اليملـك طاقـة . التفرغ المتوقع للمضخة االنتشارية عندما يتعدى ضغط التفريغ الحرج معه بخار مائع " فان هذا الهواء سوف يسري خالل المضخة باالتجاه الخاطئ حامال كافية وكثافة لتوفير عائق للهواء في منطقة الدعم وبالتالي

التعمـل المـضخات . 0.5Torrفان ضغط الدعم االقصى المسموح به يكون بحـدود ، بالنسبة الغلب المضخات االنتشارية الحديثة . المضخة . طة المضخة الداعمةاالنتشارية بشكل جيد مالم يكون ضغط الدعم محصور تحت هذه الحدود بواس

!. هي ان التزيد قيمة الضغط في المنظومة عن قيمة ضغط التفريغ الحرج: القاعدة االساسية في تشغيل المضخة االنتشارية

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٥٩

:(Backstreaming)الجريان االسترجاعي . اكس الى اتجاه جريان الغاز المطلوب يمكن تعريف الجريان االسترجاعي على انه انتقال مائع المضخة خالل ميناء دخول المضخة وباتجاه مع

(plumbing)المـصدة وانابيـب التـصريف ، لكن يجب عدم تحديد الجريان االسترجاعي عند المضخة فقط وانما يجب ان تتضمن المصئدة وف التي يمكـن ان هناك عدد كبير من الظر . تؤثر على انتقال ابخرة مائع المضخة من جسم المضخة الى الحاوية " بسبب انها جميعا ، "ايضا

زيـادة سـعة الجريـان النافـذ ، زيادة ضغط التفريغ الحرج في منطقـة الـدعم ، هي" الظروف االكثر شيوعا . تسبب الجريان االسترجاعي (throughput) عمليـة االسـترجاع العكـسي " تعتبر دائما . والتسلسل الغير صحيح لعملية بداء او انهاء التفريغ ، االعظم لفترة زمنية طويلة

النصيحة التي يجب ان تعطى للعاملين مع هذا النوع من المـضخات هـي ان . (catastrophic)" لموائع المضخة الى بيئة العمل خلل كبيرا من مشاكل الجريان االسترجاعي المكلف يعود الى الخطا في %99حوالى . يعرفوا معداتهم بشكل جيد وان يتدربوا على تقنيات تشغيل مناسبة

. مناسبة التي تعمل على منع الصمام بالدوران فوق ضغط محـدد (interlock)يجب تجهيز نظام الفراغ بمنظومات تعشيق ، "رااخي. التشغيل ).غير ممكن الوصول اليه(ان هذا سوف يساعد على حماية نظامك كلما ترك

:(Baffles and Traps)المصدات والمصائد " اكثر انواع المصدات تدعى بالمعتمة بـصريا . العكسي لمائع المضخة الى حاوية الفراغان للمصدات غرض واحد محدد هو تقليل االسترجاع

(optically opaque) ان هذا يضمن ان الجزيئة تصطدم . التي تعني ان الشكل الهندسي الداخلي اليسمح للضوء بالمرور خاللها بشكل مباشرولكـن جميـع ، تعمل المصدات على عرقلة جريان الغازات المفرغـة . دمة منهعلى االقل مرة واحدة مع السطح بغض النظر عن االتجاه القا

يتم تثبيت المصدات مباشرة فوق فتحة المضخة وتستخدم عادة بالتوافق . من سرعة التفريغ %60الوحدات المصممة بشكل جيد تحتجز حوالي للمائع المتكثف وبالتالي تقليل كثافة البخـار فـي الفـضاء بـين المصدات المبردة بالماء يمكن ان تقلل من معدل اعادة التبخير . مع المصائدة

.يوضح شكل تخطيطي للمصدات والمصائد المستخدمة مع منظومة التفريغ االنتشارية 7.1الشكل . المصدة والمصئدة

7.1الشكل

واجز ضد جريان االبخـرة المتكثفـة مـن انها تسلك كح : هدفين اساسين (cryogenic) والزمهريرية (refrigerated)تخدم المصائد الثلجية . المنبعثـة مـن النظـام ) بشكل اساسي بخار الماء ( لالبخرة المتكثفة (cryopumps)المضخة الى النظام وكذلك تخدم كمضخات زمهريرية

ان . تفريـغ االوليـة من الغاز المتبقي بعـد عمليـة ال %90يمكن ان يشكل بخار الماء حوالي ، بالنسبة للمنظومات الغير محمصة النموذجية هنـاك نـوعين . المصائد المبردة تزيد من سرعة التفريغ البخرة الماء وبالتالي يمكن في العديد من الحاالت ان تخفض ضغط االساس للنظام

هذا النوع يمكن ان يكون علـى شـكل لـوح . االول يمكن ان يوضع في أي مكان ضمن حاوية الفراغ ، شائعين من مصائد سائل النتروجين تعمل عمـل (tubular)او مرتبة بشكل انبوبي ، (cylindrical) او اسطوانية (sphere)عبارة عن حاوية كروية ، (cryopanel)زمهريري . النوع االخر هو التصميم المعتم البصري ويوضع بين الحاوية ومدخل المـضخة . حيث تقنص الغازات المتكثفة (cold-finger)اصبع بارد

. عملية تصادم الغاز مع السطح البارد مرة واحدة على االقلتضمن هذه المصائد

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٦٠

:(Fluids)الموائع كانت اغلب الموائع تملك ضـغط ، 1960الى حد حوالي . تم اليوم تطوير العديد من موائع المضخات المستخدمة ضمن الثالثين سنة الماضية

لقد اصبحت خيارات موائع المضخات اكبر . ظام كان بحدود هذا المعدل وبالتالي فان ضغط االساس للن 8Torr-10 او 7Torr-10بخار مقداره التي وفرت استقرارية حرارية وكيمياوية غيـر (Polyphenyl ethers) استخدام مادة ايثرات البولي فينايل (Hickman)بعد ان نشر هيكمان

ان اسـتخدام أي . ذي الضغط البخاري الواطئ (DC705) خواص تشغيلية ممتازة لمائع اخر هو السيليكون نوع " كما وجدت ايضا . اعتياديةتم تطوير نوع من الموائع تسمى ، الى وقت قريب . 10Torr-10 او 9Torr-10من هذه الموائع سوف يوفر ضغوط اساس يمكن ان تصل الى

فيدة اخـرى فـي التطـابق مـع ان هذه الزيوت تضيف خاصية م. تستخدم في المضخات االنتشارية(fluorinated oils)بالزيوت المفلورة .الغازات التاكلية المستخدمة في بعض العمليات

:(Ultimate pressure)الضغط االقصى او (gas load)يمكن توضيح الضغط االقصى على انه حمـل الغـاز . هناك مالحظتين اساسيتين تخص الضغط االقصى للمضخة االنتشارية

الهليـوم ، الهيـدروجين ( ان حدود نسبة الضغط تكون عادة مرتبطة مـع الغـازات الخفيفـة .(pressure ratio limit)حدود نسبة الضغط الضغط االقصى للمضخة يعتمد على نـسبة التفريـغ ضـد ". مهما كان قليال، اليتوقف الفعل التفريغي لنفثات البخار عند أي ضغط ). والزنون

باالضافة الى ان المضخة نفسها يمكن ان تشارك في حمل الغاز اما من . لتفريغنسبة حمل الغاز الى سرعة ا " زائدا، الجزيئات المنتشرة للخلف ، "عمليا. من اجزائها(outgassing) او ازالة الغاز (cracked fractions)خالل الجريان االسترجاعي لبخار مائع المضخة واجزاء التكسير

يعود الى ضغط بخار مـائع " المحدد االول للضغط االقصى هو عادةان . فان الضغط االقصى للمضخة هو مجموعة مركبة من العناصر ، اذن .9Torr-10المضخة بالرغم من ان هذه الحدود ربما اليمكن مشاهدتها عند ضغط اقل من

:(Operation procedure)طريقة التشغيل :نذكر منها التالي، ص للعديد من النقاطان عملية تشغيل منظومات الفراغ العالية التي تستخدم المضخات االنتشارية تتطلب انتباه خا

تذكر اذا انحصرت قطرة من الزيت في . وخاصة في المنظومات الصغيرة" وهي مهمة جدا: (General Cleanliness) النظافة العامة -١ . لتبخيرها من هذا النظام" او اسابيعا" أي مكان في منظومة الفراغ فربما يتطلب اياما

يمكن ان تكون مهمة من وجهة نظر وجود بخار الماء المستمر فـي :(Humidity and Temperature)ارة الرطوبة ودرجة الحر-٢ ".عندما يتم فتح نظام الفراغ الى الجو فان زمن التفريغ سيكون اطول اذا كان الهواء رطبا. الجو مع غاز النتروجين (backfilling)لئ الحاوية يجب اجراء عملية م، ؟ فاذا امكن"مؤثرا" وهو ايضا:(Time exposure) زمن التعرض -٣

. فان هذا يساعد في تقليل كمية بخار الماء الممتز في نظام الفراغ، لزمن تعرض قصير. او االركون" خاصة، تطوير تقنية جيدة في تشغيل مرتب للصمامات" من المهم جدا:(Valve sequencing operations) تشغيل مرتب للصمامات -٤

من المفيد ان يكون هناك خريطة او رسم تخطيطي للمنظومة على لوحة السيطرة تبـين مواقـع . ومات التي تعمل بصمامات يديوية في المنظ لقد استخدم بشكل واسع صـمامات . يمكن ان يؤدي الى عملية صيانة مكلفة للنظام " واحدا" ان خطا تشغيليا . الصمامات وعمل كل واحدة منها

لمنع حوادث فتح الصمامات عن طريـق (interlocked)متسلسلة ولعدة سنوات وقد بنيت مع منظومات تعشيق داخلية اوتماتيكية للسيطرة ال .الخطاء

خالل عملية تفريغ الحاوية يتم طرح السؤال حول الـزمن الـصحيح لغـرض : (Roughing pumping time) زمن التفريغ الداعم -٥ ليس هنـاك متى يمكن ان يفتح صمام الفراغ العالي؟، بكلمات اخرى. لى المضخة االنتشارية ا(rough pump)التحويل من المضخة الداعمة

ان االنتقال مـن المـضخة الداعمـة الـى " عمليا. لهذا السؤال النه كل نظام يختلف مع اختالف احمال الغاز واختالف الحجوم " عاما" جوابافان المضخة الميكانيكيـة تفقـد بـسرعة تاثيرهـا ، ذه المنطقة من الضغط تحت ه . 150mTorr-50المضخة االنتشارية يتم عند ضغط بين

عنـدما يكـون " بالرغم من ثبوت قيمة الجريان النافذ للمضخة االنتشارية تقريبـا . التفريغي وان امكانية حصول عملية استرجاع عكسية تزداد نحو المضخة عند فتح صمام الفراغ العالي سوف يتغلب علـى ولكن الدفعة االولية من الهواء ، (100mTorr-1)الضغوط الداخلة عند معدل

.حمل المضخة االنتشارية بشكل مؤقت

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٦١

(Cryo-sorption pumps)الزمهريرية -المضخات االمتزازية: ٨الفصل . لنظام الفـراغ (rough pump)خالية من االهتزازات وغير مكلفة للتفريغ الداعم ، امينة، هادئة، يوفر هذا النوع من المضخات طريقة نظيفة

تعتبـر ). مثال اجهزة علم الـسطح (في منظومات الفراغ الحساسة للتلوث بالزيت من مضخات الدعم الميكانيكية " تستخدم هذه المضخات عادة ان جميع المضخات االمتزازية تعمل بمبـدأ اقتنـاص الغـاز . الزمهريرية هي جزء من تصنيف المضخات االمتزازية -المضخات االمتزازية

(gas capture) . قـوى (يتم ربط او تقييد الغازات واالبخرة المفرغة على سطوح فعالة موجودة في تلـك المـضخات بوسـائل فيزياويـةان هـذا . بترسيب مستمر للمادة وكما في المضخة االيونية الترذيذيـة " او تغرز ميكانيكيا ) االمتزاز الكيمياوي (وبوسائل كيمياوية ، )فاندرفالز

وتعمـل (saturated)" مشبعة"تصبح هذه المضخات ، باالستخدام. ضخات قنص الغاز تشترك بمجموعة من الخصائص التشغيلية النوع من م .وعندما يحصل هذا فان المضخة االمتزازية اما يعاد شحنها او تستبدل. على توقف او تقليل عملية تفريغ الغازات بشكل فعال

:(Theory of operation)نظرية التشغيل الزمهريرية عن طريق توفير مساحة سطحية كبيرة لمادة مبردة الى درجة حرارة تحـت نقطـة غليـان اغلـب -تعمل المضخات االمتزازية

وتزال من الطور الغازي ، المبرد تصبح مرتبطة به (micro-porous)ان جزيئات الغاز التي تصطدم بالسطح المسامي المايكروي . الغازاتالزمهريريـة مـن مـادة -مساحة السطح المنشط للمـضخة االمتزازيـة " تصنع نموذجيا . شكل فعال من منظومة الفراغ وبالتالي فانها تفرغ ب

أي حوالي ماقيمتـه (الى كتلتها " تملك نسبة مساحة سطحية كبيرة جدا، االلومينا االلكيلية-سيليكات، ان هذه المادة. (zeolite 13X)الزيواليت 103 m2/gm .(13ه المادة هي حوالي ان قطر مسامات هذÅ (1.3×10-9m)وجزيئـات ، بخار الزيـت ، التي هي حوالي بحجم جزيئة الماء

امـا الغـازات ذات . ان حجم المسامات هذه مناسبة لقنص الغازات الموجودة في الجو على االغلب ). مثال النتروجين واالوكسجين (غاز اكبر ويتم قنصها بشكل ، لحجم مسامة للزيواليتÅ 13والنيون فانها تملك اقطار جزيئية اصغر من الهليوم ، االوزان الذرية القليلة مثل الهيدروجين

. درجة حرارة االمتزاز وضغط الغـاز ، ان امتصاص الغازات بواسطة هذه المواد المازة تكون دالة لنوع الغاز . اقل فعالية من قبل هذه المواد مـن " الحظ أيضا. 8.1لممتز من قبل الزيواليت لكل غرام تزداد وكما هو موضح في الشكل عندما يتم تبريد غاز النتروجين فان كمية الغاز ا هناك نقطة اخرى يمكن استنتاجها من . فانه يفرغ بكفاءة اقل مقارنة مع النتروجين C° 195-هذا الشكل ان غاز الهليوم حتى عند تبريده الى

.لما قل ضغط الغاز فان كمية الغاز الممتز لكل غرام من المادة المازة تقل هي ان بصورة عامة ك8.1المعلومات الموضحة في الشكل

كدالة للضغط13X سلوك التفريغ للزيواليت 8.1الشكل

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٦٢

:(Range of operation)معدل التشغيل أي (ات عنـد الـضغط الجـوي بالتالي فيمكن استخدام هذه المضخات لقنص الغـاز ، "بما ان المساحة السطحية للمادة المازة تكون كبيرة جدا

على الغاز المفرغ ونـسبة حجـم الحاويـة الـى سـعة " او اقل اعتماداµ 20ويمكن الوصول الى ضغوط حوالي ، )اليتطلب مضخة داعمة .المضخات

:(Inspection and first use)الفحص واالستخدام االول ريرية قبل اجراء عملية التشغيل االولية لها وخاصـة فـي منظومـة الزمه-يفضل في بعض االحيان اجراء عملية فحص للمضخة الالمتزازية

مثل (اذا تم استخدام المكونات الداخلية . الفراغ الحرجة للتاكد من ان المضخة تحوي المادة المازة المناسبة وانها مملوءة الى المستوى المطلوب ؟ وما هي حالـة فلنجـات "الة جيدة؟ هل جسم المضخة يحدث صوتا هل تم تركيبها وهي بح ، )الخ ... grids: والشبكات، screens: الشاشات

التوجد خدوش على سطوح االحكـام (الفراغ والتوصيالت؟ هل تتطابق مع مكونات حاوية الفراغ؟ هل ان هذه المكونات بحالة ميكانيكية جيدة زمهريرية قبل اول استخدام لها وتجرى العملية عند يجب اجراء عملية تحميص لمضخة الفراغ االمتزازية ال ؟)(sealing surfaces)او الختم

. ساعة للتاكد من ازالة الماء الممتز على الزويواليت24 ولمدة oC 250درجة حرارة

زمهريرية- رسم تخطيطي لمضخة امتزاية8.2الشكل

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٦٣

:(Typical configuration)الترتيب النموذجي

.8.3لى حاويات الفراغ بصمامات رئيسية بالطريقة الموضح في الشكل ا" يتم ربط المضخات االمتزازية عادة

مضخات فراغ امتزازية مربوطة بحاوية فراغ8.3الشكل

:(operation)التشغيل سائل النتروجين الى جسم المضخة وتملـئ هـذه (dewar)يتم ربط حاوية ، الزمهريرية-بعملية غلق الصمام المؤدي الى المضخة االمتزازية

. دقيقة للوصول الى درجة الحرارة التشغيلية للمادة المازة30يسمح بوقت مقداره . من اعالها بسائل النتروجين"1/2لحاوية الى حوالي ا . يجب اخذ الحذر لتفادي انسكاب سائل النتروجين على البشرة

(Regeneration of cryo-sorption pumps): اعادة شحن المضخات االمتزازية الزمهريريةفان المادة المازة ستصبح مشبعة بجزيئات الغاز وبالتالي فان قابلية المضخة على ازالـة الغـاز مـن ، بعد استخدام المضخات لمرات متعددة يجب اجراء عملية اعادة شحن عن طريق غلق الصمام الى المضخة مـن النظـام ، عندما يحصل هذا . منظومة الفراغ سوف تتدهور بسرعة

يتم طرد الغازات من الزيواليت وسوف تطلق من جسم المضخة من خالل صمام تنفيس . الوصول الى درجة حرارة الغرفة ويسمح للمضخة ب كما يجب الحذر في حالة التخلص من بعض الغازات السامة او المتفجـرة . بالتالي يجب التاكد من ان هذا الصمام بحالة تشغيلية جيدة . الضغط

الزمهريرية فانه مـن الظـروري اجـراء -لة وجود كمية كبيرة من ابخار الماء المفرغة من المضخة االمتزازيةاما في حا. المنطلقة الى الجو . لعدة ساعات في مراحل عملية اعادة الشحنoC 250عملية تسخين الى درجة حرارة

:(Performance characteristics)تشخيص االداء التـي (ودرجة حرارة التشغيل للمضخة ، )Torr-literالمعرفة هنا بوحدات (ي سعة المضخة الزمهريرية ه-ان اهم قيمة للمضخات االمتزازية

).تحدد انواع المركبات الغازية المفرغة وباي كفاءة :(Pump capacity)سعة المضخة

مـن غـاز Torr-liters 30 فانه يمكن تفريغ مامقداره حوالي (195oC-) كل غرام من الزيواليت المبرد الى درجة حرارة سائل النتروجين النيون والهيدروجين اليمكن تفريغها النها تملك نقاط غليـان ، كما يجب التذكر انه عند درجة حرارة سائل النتروجين فان غازات الهليوم . الجو

.تحت درجة حرارة سائل النتروجين

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٦٤

(Sputter Ion Pumps) المضخات االيونية الترذيذية :٩الفصل باستثمرت خصائص المـضخة لجهـاز (Varian) عندما قامت شركة فارين 1950راع المضخة االيونية لم يحصل حتى عام ان عملية اخت

ان تاثير الترذيذ المتسبب من الفولتية العالية في جهاز البننك ناتج من دفن جزيئات " بينما كان معلوما ). بننك(قياس الضغط نوع الكاثود البارد فقد تم اهمال مفهـوم اسـتخدام هـذه ، الغازات مثل االوكسجين بواسطة معدن فعال مثل التيتانيوم(getter)ملية قنص الغاز المؤين وكذلك ع

بعد ان تم توفير المضخات االيونية الترذيذية التجارية تم تطبيقها في مجـال محاكـات طبيعـة . الميكانيكيات الزالة جزيئات الغاز من النظام لقـد . 11Torr-10 المضخات االيونية الى حاويات فراغ ضخمة مصنعة بحذر وتم الحصول على ضغوط تصل الـى تم تثبيت . الفراغ الحديثة

في انـواع " تستخدم المضخات االيونية الترذيذية حاليا . مالبس الفضاء ومكونات الصواريخ ، عمل هذا على دراسة مكونات االقمار الصناعية أي دراسة الطبقات االولـى ، (Surface science technique) وتتضمن تقنيات علم السطح (UHV)" مختلفة من تطبيقات الفراغ العالي جدا

: مثـال ذلـك الترسـيب بالحزمـة الجزيئيـة " (القليلة للسطح وكذلك عمليات ترسيب الغشاء الرقيق ذي النقاوة العالية تحت فراغ عالي جدا molecular beam epitaxy .(للمضخات الفراغ القانصة للغاز التي تعمل بدون الحاجة الى موائع " ذية مثاالتعتبر المضخات االيونية الترذي

" يستخدم هذا النـوع عـادة . (11torr-10)" هادئ وامين للوصول الى فراغ عالي جدا ، "نظيفا" هذا النوع يوفر مصدرا . او أي اجزاء متحركة تـستخدم هـذه . ضخات االنتشارية الزيتيـة والمـضخات التوربويـة على منظومات الفراغ الحساسة المكانية حصول تلوث بالزيوت من الم

المضخات بصورة عامة في المنظومات التي يكون فيها سرعة التفريغ غير مهم بالمقارنة مع النظافة المطلوبة والوصول الى ضـغط اسـاس ".قليل جدا

:(Sputter ion pump characteristics)خصائص المضخة االيوينية الترذيذية :كن وصف الخصائص التشغيلية للمضخة االيونية الترذيذية ببساطة بواسطة المعامالت الثالثة التاليةيم :(Pumping speed) سرعة التفريغ -١

لحمـل الغـاز (ultimate base pressure)وكما هو الحال مع أي مضخة فراغ عالية فان سرعة التفريغ ستحدد ضغط االسـاس المثـالي يفـرغ غـاز " فمـثال ). 9.1انظـر الجـدول (تملك سرعة تفريغ دالة لنوع الغاز المفرغ ، رى فان المضخات االيونية من جهة اخ . المعطى

.لذلك فانه من المهم ان يتم اختيار المضخة االيونية للتطبيق المناسب. من غاز االركون" الهيدروجين بمعدل اسرع نسبيا

. مقارنة لسرع التفرغ لغازات مختلفة9.1الجدول

:(Starting pressure) ضغط البداية -٢اجراء هذه العملية " يتم نموذجيا. قبل ان يتم تشغيلها) او اقلTorr 2-10 × 2 (يجب تفريغ المضخات االيونية الى قيمة اولية الى ضغط مقبول

لزيت الى حاوية الفـراغ او الـى جـسم باستخدام مضخة فراغ امتزازية زمهريرية او مضخة جافة لمنع أي امكانية لعملية استرجاع عكسية ل .استخدام مضخات فراغ ميكانيكية محكمة زيتية مع مصائد مناسبة للتفريغ االولي للمضخة االيونية وحاوية الفراغ" يمكن ايضا. المضخة

:(Operating principle) مبدأ التشغيل -٣ و متعددة الخاليـا ويمكـن ان توجـد بتـصميم صـمام ثنـائي او ثالثـي يمكن ان توجد المضخات االيونية الترذيذة بانواع الخلية الواحدة ا

(diode or triode) . كما هو الحال مع جميع مضخات قنص الغاز فان المضخة االيونية الترذيذية التتطلب مضخات دعـم وان لهـا عمـر .على سعتها" تشغيل محدد اعتمادا

:حاوية الفراغ بواسطة ثالث ميكانكيات محددةيمكن لهذه المضخة ان تعمل على تقليل الضغط في .(Chemisorption)االمتزاز الكيمياوي - ١ .(Ion burial)الدفن االيوني - ٢

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٦٥

.(Physicsl burial)الدفن الفيزياوي - ٣

هو معـدن فعـال بما ان التيتانيوم . من سطوح الكاثود ) تحرير الطاقة بعملية القصف االيوني (خالل عملية التشغيل يتم ترذيذ معدن التيتانيوم وبالتـالي ازالـة ، لتكوين مركبات مـستقرة ) االوكسجين والهيدروجين (مع جزيئات الغاز الفعال الموجود " بالتالي سوف يتفاعل كيميائيا " جدا

انبـوب االنـود باالضافة الى ذلك فانه يتم تايين جزيئات الغاز والذرات بااللكترونات المقيدة الى اوربتاالت فـي . الغازات من حاوية الفراغ عنـد التـصادم تـصبح . يتم تعجيل هذه الغازات المؤينة الى الكاثود باستخدام فولتية عالية من مجهز قدرة المضخة . بمغناطيس خارجي قوي

". ذرات التيتانيوم التي تعمل كقانص وكما تم شرحه سابقا(Sputter)وكذلك ترذذ ، ايونات الغاز مدفونة في كاثود التيتانيومسـترتفع درجـة حـرارة . التي تؤدي الى مرور تيار كهربائي عالي في المـضخة ، "دأ التشغيل تكون كمية الترذيذ الحاصلة كبيرة جدا عند ب

فان المضخة ستعمل علـى سـحب ، وبعد ان يتم تقليل ضغط الغاز . المضخة االيونية الترذيية او ربما تسخن خالل هذه المرحلة من التشغيل ان كمية التيار التي تسحبها المضخة االيونية الترذيذية خـالل التـشغيل . وستزداد فولتية التشغيل ، تيار من مجهز القدرة كمية اقل بكثير من ال

.يمكن ان يستخدم مع رسوم تحويل مجهزة من المصنع لتحديد الضغط في المضخةلية المطبقة بين االنود والكاثود تعمل على توليد الكترونات ان الفولتية العا . يوضح نموذج لمضخة فراغ ايوينة ترذيذية بخلية واحدة 9.1الشكل

. ان تصادم هذه االلكترونات االولية مع ذرات الغاز المتعادل يسبب في تاين الذرات . اولية التي تكون مقيدة الى اوربتاالت تدور ضمن االنود ). التيتانيوم(او ترذيذ مادة الكاثود / يتم تعجيل ايونات الغاز الموجبة الى الكاثودات وتؤدي الى دفن الغاز و

.مقطع عرضي لمضخة ايونية ترذيذية 9.1الشكل

تحصل عمليـة تـاين لـذرة الغـاز Cفعند الموقع . يوضح تفاصيل العمليات التي تحصل في المضخة االيونية الترذيذية (9.2)الشكل التالي فانـه Aاما عند الموقع ، لاليون مع الكاثود والتي تؤدي الى تحرير ذرة تيتانيوم فيحصل تصادم Bاما عند الموقع ، بواسطة االلكترون االولي

.تحصل عملية دفن اليون الغاز في الكاثود

9.2الشكل

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٦٦

(Partial pressure analysis) تحليل الضغط الجزئي: ١٠الفصل

انها تعطـي : ميع انواع هذه االجهزة تشترك بخاصة واحدةان ج. لقد تم في الفصول السابقة وصف العديد من انواع اجهزة قياس ضغط الفراغ

من جهة ثانية فان اجهزة تحليل الضغط الجزئي توفر معلومات اكثر حول الغازات الموجودة في منظومة الفراغ التي . قيمة ضغط الغاز الكلي معلومات المعطات بواسطة محلالت الـضغط الجزئـي ان ال). Residual gases: ان هذا النوع يدعى بالغازات المتبقية(تتبع عملية التفريغ

وحيثما يتوقع احدنا فان هـذا النـوع مـن ). تعطي الضغط الجزئي لكل غاز(او كمية ، )تحديد نوع الغازات الموجودة (يمكن ان تكون نوعية بالمقارنة مـع اجهـزة " تكون اكثر تعقيدا االجهزة التي تحدد وتقيس الضغوط الجزيئية للغازات المنفردة الموجودة في منظومة الفراغ العاملة

(Residual gas analyzers: RGA's)تعمل محلالت الضغط الجزئي او محلالت الغاز المتبقي كما يشار اليها عادة . قياس الضغط البسيطةثم اجراء عمليـة عـدة لكميـة على كتلها ومن " بعملية تأين نموذج من الغاز من منظومة الفراغ وفصل االيونات الى مجاميع محددة اعتمادا

تحليل الغازات (بالرغم من ان مبادئ المطياف الكتلي . ان التفاصيل لكل هذه الخطوات سيتم شرحها في هذا الفصل . االيونات في كل مجموعة م االستفادة منه حتى عـام فان التطبيق العملي في مجال تكنولوجيا الفراغ لم يت 1918منذ عام " كان معروفا ) المتأينة على مبدئ اختالف الكتل

(viton gasket) باستخدام المطياف الكتلي في البرهنة على ميزة استخدام مادة الفايتون كطـوق احكـام (Caswell)لقد قام كاسويل . ١٩٦٠. (getter pumps) والمضخات القانصة (Meissner coils) وكذلك تاثير ملفات مزنر (elastomer seals)على االنواع المطاطية االخرى

. نستطيع اليوم االختيار من انواع مختلفة من اجهزة التحليل الضغط الجزئي والتي تكون مربوطة بشكل مالئم الى مكونات الفـراغ القياسـية ليـة المستخدمة لمراقبة غازات محددة في حاويـة عم " بسيطة التشغيل والغير مكلفة نسبيا ، تتضمن هذه االجهزة انواع منها الوحدات الصغيرة

بالرغم من توفر بضع انوع من . من الغازات " المستخدمة لفحص دقائق صغيرة جدا " والمكلفة جدا " الحساسة جدا ، الى االجهزة الكبيرة ، الفراغالفـصل بالمجـال : بشكل تجاري لتحليل الضغط الجزئـي " الطرق المستخدمة لفصل االيونات فاننا سنصف هنا طريقتان مهمتان تستخدم حاليا

الشكل التـالي يوضـح االنـواع . (electric field separation) والفصل بالمجال الكهربائي (magnetic field separation)اطيسي المغن .(Temporal separation) والزمانية (Spatial separation)المعروفة الجهزة الفصل المكانية

والمطياف الكتلي نوع المغناطيـسي (quadrupole sector)وع رباعي االقطاب سنقوم وبشكل محدد بمناقشة مبادئ تشغيل المطياف الكتلي ن(magnetic sector) .الحزم االيونية على مبدأ نـسبة " النوع الذي يفصل فيزيائيا، ان كال هاذين النوعين يقع تحت تصنيف الفواصل المكانية

. (mass-to-charge ratio)الكتلة الى الشحنة تعتمد على الفرق في سرع االيونات التي تملك كتل مختلفة كوسـيلة (time of flight)مطاييف الكتلة نوع زمن الطيران من جهة مغايرة فان

ان كواشف النضوح لمطياف كتلة الهليوم هـي فـي الحقيقـة . يمكن فهم عمل هذا النوع من فواصل الكتل من عمل كاشف النضوح . للفصل . لكشف غاز الفحص مثل الهليوم" التي تدار دائما) مغناطيسيمن النوع ال" عادة(محلالت ضغط جزئي

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٦٧

:(Ionization of gas)تأين الغاز : والتـأين الكيميـاوي field emission: مثـل انبعـاث المجـال (بالرغم مـن تـوفر طـرق اخـرى لتـأين غـازات ضـغط الفـراغ

chemical ionization( ، ــتخداما ــات اس ــر التقني ــان اكث ــرون لم" ف ــصادم االلكت ــأين ت ــي ت ــي ه ــضغط الجزئ ــالت ال حل(electron-impact ionization) .او الى ، ان االلكترونات المنبعثة من شعيرة المعدن المسخن تكون مربوطة بكهربائية ستاتيكية الى االنود

ستصطدم بعض االلكترونـات بجزيئـات ، طريق الى االنودفي ال. V DC 150-50صفيحة جامع االلكترون بواسطة تسليط مجال كهربائي يمكن لبعض الجزيئات ان تنقـسم الـى . فتقوم بنزع واحد او اكثر من الكترونات الغالف الخارجي والتي تولد ايونات موجبة ، الغاز المتعادلة

تصنع الشعيرات المستخدمة في . لمطيافوتفحص با " وان كل جزء كايون موجب سوف تفصل كتليا ، خالل تلك العملية (fragments)اجزاء وكل واحدة منها تملك خواص مميزة تـصبح مهمـة عنـد ، محلالت الضغط الجزئي من انواع مختلفة من السبائك والمعادة المقاومة للحرارة

يتم اختيار . وكسيد الكاربون عند تسخين شعيرات التنكستن النقية ستبعث كميات من ثنائي اوكسيد الكاربون واول ا . اجراء العمل المحدد عليها يجب مالحظـة ان . لالستخدام عند وجود ضغوط جزئية عالية من االوكسجين (thorium) المعالجة بالثوريوم (Iridium)شعيرات االريديوم

ذا النـوع مـن عندما يحصل هذا فان انبعاث االلكترون من ه. تكون حساسة للتلوث بالهيدروكاربونات(thoriated iridium)هذه الشعيرات او (rhenium)االنـواع المختلفـة مـن الـشعيرات ذات االغـراض الخاصـة يمكـن ان تـصنع مـن الرينيـوم . الشعيرة سوف يهبط

(lanthanum hexaboride).

مكونات المؤين لجهاز التحليل الضغط الجزئي10.1الشكل

فان ، )V 70" مثال(بالنسبة لجهد تعجيل الكترون ثابت . االخرى للجهاز كايوناتالتخرج جميع الجزيئات التي تدخل المؤين وتخرج من الجهة ).10.1انظر الجدول (احتمالية التأين تعتمد على نوع الغاز

(eV electron 70) احتمالية التأين بتصادم االلكترون لغازات معروفة 10.1الجدول

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٦٨

لحـسن الحـظ فـان . فان استجابة كل غاز للكترونات بطاقات مختلفة يعتبر شيء نادر، طاةباالضافة الى امتالك احتماليات لطاقة الكترون مع

.مع الضغط الجزئي لهذا المركب الغاز" انتاج االيون بالتصادم مع االلكترون لكل غاز يتناسب طرديا :(Acceleration of ions)تعجيل االيونات

بواسطة تطبيق مجال كهربائي على مجموعـة (mass separator)جيلها باتجاه فاصل الكتلة يتم تع، حالما يتم توليد االيونات في جهاز التأينان الدرجـة التـي . (entrance aperture) او فتحة الـدخول (accelerating aperture) تدعى بفتحة التعجيل (apertures)من الفتحات

المعجلـة ، اليونات بشحنة منفـردة . على فتحة الدخول (Va)وفولتية التعجيل الشحنة على االيون ، تتعجل فيها االيونات هي دالة لكتلة االيون فـي . فان سرعة تعجيل االيونات تكون اعظم مايمكن لاليونات ذات الكتلة الواطئة واقل مايمكن لاليونات ذات الكتلة العالية (Va)بفولتية ثابتة

امـا القيمـة . قيمة اولية واطئة الى قيمة عالية لغرض المساعدة في فصل الكتلة بعض انواع المطاييف الكتلية يمكن تغيير فولتية التعجيل من .(kV DC 5-1)النموذجية لفولتية االنحياز على فتحات التعجيل فهي عند

:(Mass separation)فصل الكتلة ).القطاب والفصل بالمجال المغناطيسيالفصل بالمجال الكهربائي رباعي ا(سيتم التطرق في هذا الفصل الى نوعين من تقنيات فصل الكتلة

:(Magnetic sector mass separator)فاصل الكتلة المغناطيسي تهاجر ايونات في هذه الطريقة مـن المـؤين وتعجـل بواسـط شـق الـدخول . يعتبر النوع المغناطيسي االسهل للفهم من بين هذه االنواع

(entrance slit)وتحت تاثير هذا المجال المغناطيسي فان مسار ). بواسطة مغناطيس دائم" يولد عادة(ي والذي تدخل الى مجال مغناطيسي قو(Trajectory)الى المعادلة ادناه" هذه االيونات ستنحني طبقا .

:حيث ان

r = نصف قطر التكور لمسار االيون(m). B = شدة المجال المغناطيسي(Tesla).

M = الوزن الجزيئي لاليون(gm/mole). Va = جهد التعجيل(Volts).

z = شحنة االيون فانه فقط االيونات التي تملك نسبة كتلة الـى شـحنة ) لجهد تعجيل وشدة مجال مغناطيسي ( ولمجموعة من الظروف 10.2كما يقترح الشكل

. محددة سوف تملك المسار الصحيح للمرور خالل الشق قبل الوصول الى الكاشف

. مكونات فاصل كتلة من نوع المجال المغناطيسيرسم بسيط ل10.2 الشكل

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٦٩

. (exit aperture)عن فتحة الخروج " ان االيونات التي تملك نسبة كتلة الى شحنة كبيرة ستنحرف بشكل اقل بتاثير المغناطيس وتتارجح بعيدا

حرف بشكل كبير بواسـطة المجـال المغناطيـسي وبنفس الطريقة بالنسبة الى االيونات التي تملك نسبة كتلة الى شحنة اقل فان مساراتها ستن .من الوصول الى الكاشف بواسطة فتحة الخروج" وستمنع ايضا

(sweep voltages)للوصول الى عملية اختيار للكتلة بتغيير جهد التعجيل فقط سيتطلب مجهز قدرة قادر على توليد فولتيات اكتـساح ، "عملياوالى استخدام ، لحل العملي لهذه المشكلة هو تقسيم معدل الكتلة الى الشحنة الى قسمين او ثالثة اقسام ان ا . مستقرة على طول معدل فولتية كبير

، 0.1Tesla باستخدام مغناطيس دائم بـشدة 50 الى 2 من (AMU)مغانيط دائمية متعددة يتم في هذه الطريقة مسح معدل وحدة الكتلة الذرية يستخدم في بعض المطاييف الكتلية المكلفة مغانيط كهربائية . Tesla 0.25خدام مغناطيس بشدة باستAMU 300 الى 50بينما يتم مسح معدل

تملك المغانيط الكهربائية في هذه الوحدات شدة مجال متغير يعتمد على كمية التيار الكهربائي المار خـالل ملفـات . من المغانيط الدائمية " بدال . المغناطيس الكهربائي

:(Quadrupole mass separator)جال الكهربائي رباعي االقطاب فاصل الكتلة بالم

على نـسبة الكتلـة الـى " تستخدم مطاييف الكتلة رباعية االقطاب مجاالت كهربائية بتيارات مستمره ومتناوبة لغرض فصل االيونات اعتمادا .الشحنة

.ة والمتناوبة على شكل قضيب في فاصل الكتلة رباعي االقطاب تمثيل مبسط للدائرة الكهربائية المجهزة للفولتيات المستمر10.3الشكل

في مطياف الكتلـه ربـاعي (rod-shaped electrodes) او الكترودات بشكل قضيب (poles)فان هناك اربعة اقطاب ، وكما يفترض االسم

.على نسبة الكتلة الى الشحنة لاليونات" االقطاب الذي يعمل على فصل االيونات اعتمادامجموعـة واحـدة مـن االقطـاب . 10.3كما هو مبين في الشكل " هذه االقطاب مرتبة في المطياف بحيث ان كل زوج مربوط كهربائيا ان

بينما المجموعة االخرى من القطبين تكون بانحياز سالب باستخدام ، (DC)المتعاكسة تكون بانحياز موجب باستخدام مجهز قدرة بتيار مستمر يتم تثبيـت . ومطبق على مجموعتي االلكترودات(DC) موافق للفولتية (RF)هناك تيار متناوب بتردد راديوي . (DC)مجهز قدرة اخر نوع

يحوي كـل . هذه االقطاب في مواقع محددة بالنسبة لبعضها البعض والى المكونات االخرى للمطياف باستخدام دسكات سيراميكية مشكلة بدقة ان هذه المثبتات السيراميكية تسمح للقـضبان باعـادة التثبيـت . والعزل الكهربائي للقضبان االربعةوترصيف، دسك على اربعة ثقوب لتثبيت

.بشكل صحيح في المطياف بعد اجراء عملية تنظيف عليهالك يجمع االيونات التي تم (high-pass) كمرشح مرور سريع (DC)تعمل مجموعة القضبان التي تملك انحياز موجب بواسطة مجهز القدرة

المجموعة االخرى من القضبان التي تملك انحياز سالب المجهزة من مجهزة القدرة االخـر تعمـل . نسبة كتلة الى شحنة اكبر من قيمة محددة

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٧٠

ان هاتين المجموعتين مـن . ويجمع االيونات التي تملك ايونات بنسبة كتلة الى شحنة اقل من قيمة محددة (low-pass)كمرشح لمرور بطئ . وفر طرق مؤثرة تسمح بعملية عد وكشف االيونات التي تملك نسبة كتلة الى شحنة مرغوبةالقضبان ت

يوضح ايونات تملك قيمة قليلة من الكتلة الى الشحنة والتي تتاثر بقوة بواسطة تيار متناوب ذي التردد الراديوي الذي يطغي على 10.4الشكل .قضبان ذي انحياز موجب

ي كتلة الى شحنة قليلة يتذبذب تحت تاثير تطبيق مجاالت كهربائية مستمرة ومتناوبة ايون موجب ذ10.4الشكل

ان االيون الذي يـرتطم . ان مقدار التذبذب لهذه االيونات ينمو بسرعة كلما ينتقل االيون خالل فاصل الكتلة حتى يصطدم االيون باحد القضبان

بواسـطة تـاثير (filtered)يونات التي تملك نسبة كتلة الى شحنة عالية فيتم ترشـيحها اما اال . بالقضيب سيفقد شحنته واليمكن بالتالي كشفه في تأثرها في " ان هذه االيونات الكبيرة تكون اكثر بطئا . 10.5 وكما هو موضح في الشكل (DC)القضبان التي تملك انحياز كهربائي سالب

ان التاثير الكلي لالنحياز السالب علـى االيونـات . بالمقارنة مع االيونات االخف (RF AC)المجال الكهربائي المتناوب ذي التردد الراديوي . هو بسحبها بالتدريج باتجاه احد القضبان ذات االنحياز السالب عندما يمر االيون خالل فاصل الكتلـة (more massive ions)" االكثر كبرا

باختيار قيم مناسبة لجهد التعجيل وجهـود انحيـاز متنـاوب . شحنته واليمكن كشفه حالما يصطدم االيون مع االلكترود فانه سيفقد ، مرة ثانية او جهـود التيـار ، التـردد الراديـوي ، فولتية التعجيـل (يتم تغيير معامل واحد كل مرة ، "عمليا". ومستمر فيمكن خلق مرشح كتلة فعال جدا

.ويتم تسجيل تيار االيون لكل نسبة كتلة الى الشحنة، )المستمر

ايون موجب ذي نسبة كتلة الى شحنة عالية يتذبذب تحت تاثير تطبيق مجاالت كهربائية مستمرة ومتناوبة والذي ينجذب بقوة الى 10.5الشكل

.DCقضبان تحت انحياز سالب نوع

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٧١

:كاشف االيونات، ستصطدم بكاشف االيونـات " م اختيارها خارجا فان االيونات التي اليت ، )المغناطيسي ورباعي االقطاب (بالنسبة الى كل نوع من فاصل الكتلة

" وتظهر اخيـرا ، (pulse counting circuitry)وترسل الى دائرة عد نبضات " يتم تضخيم هذه االشارة كهربائيا. حيث تولد اشارة كهربائية .ضد نسبة الكتلة الى الشحنة) تيار ايون(كشدة

مـاتطبق انبـوب فـرادي " الوحدات الغير مكلفـة عـادة ، النوع البسيط . تلة التجارية يستخدم عدة انواع من كواشف االيون في مطاييف الك (Faraday cup) ،تستخدم اما مجموعة انبوب فرداي مع مضخم االلكترون الثانوي ، بينما االكثر كلفة(secondary electron multiplier)

بمصطلح التيـار الكهربـائي لكـل " ية كواشف االيون تحدد نموذجياان حساس. (channel electron multiplier)او مضخم الكترون القناة على افتراض وجود ايونات ، (6Amp/Torr-10×4 -5-10×1)يمكن ان تقع قيم حساسية الكواشف ضمن المعدل . (amps/Torr)مثل ، ضغط

علـى تـسجيل " يجب ان يكون قادرا(to 10-12Torr 2-10)ان الجهاز المستخدم الذي يعمل ضمن معدل ضغط تشغيلي بحدود . النتروجين .(to -10-12Amps 6-10)معدل تيار ضمن

:(Compound ion detector)كاشف االيون المركب حيث ان المعدل الواسع لتيارات االيون الممكنة يمكن معالجتها بتشغيل امـا ، (compound) يوضح كاشف من النوع المركب 10.6 الشكل

. (SEM)ضخم االلكترون الثانوي انبوب فرداي فقط او مع م

كاشف ايون لمطياف كتلي10.6الشكل

الـى 12-10قيـاس تيـارات ايـون مـن " يمكـن ايـضا . باستخدام انبوب فرداي فقط 12Amps-10 الى 6-10يمكن قياس تيارات ايون من 10-17Amps بواسطة تاريث انبوب فرداي وتطبيق انحياز سالب (-1 to -3 kV)سلسلة مقاومة مربوطة الـى داينـودات الى (dynodes)

باسـتخدام (to 10-17 Amps 12-10) يتم تضخيم تيار االيون القليل االولـي (SEM)خالل عملية تشغيل كاشف . مضخم االلكترون الثانويونـات ثانويـة نتيجـة هـذا ان االيونات التي تقصف ارضي انبوب فرداي تولد الكتر. (electron multiplication)مضاعف االلكترون

هذه الداينودات من مواد تنبعـث " تصنع عادة . SEMالى اول داينود في جهاز " ستنجذب هذه االلكترونات الثانوية الكتروستاتيكيا . االصطدام (Cu 2-4%, Be) (Copper-beryllium)ان سبائك بريليوم النحاس . العديد من االلكترونات خالل عملية القصف بااللكترونات" منها تلقائيا

ان االلكترونات المولـدة فـي الـداينود . لتوليد غشاء سطحي من اوكسيد البريليوم تعطي خاصية انبعاث االلكترون المفضلة " المعالجة حراريا سلـسلة مـن االول تنجذب باتجاه الداينود الثاني بواسطة تطبيق مجال كهربائي وعند اصطدامها مع سطح الداينود الثاني ستولد مـرة ثانيـة

.(106-105)يمن الحصول على حصيلة اشارة تقع بين ، في هذه الحالة. االلكترونات الثانوية لكل الكترون قادم

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٧٢

:(channel electron detector)كاشف االيون الكترون القناة وع من الكواشف يعطـي حـصيلة هذا الن. (channel electron detector)هناك نوع اخر من كاشف االيون يسمى بكاشف الكترون القناة

.(electron multiplication)أي مضاعفة االلكترون : المشروح سابق (SEM)بنفس الميكانيكية التي وصفت بها لنوع كاشف

. مضخم الكترون القناة مع الكترون القناة10.7الشكل

علـى " سلسلة من االلكترونات الثانوية التي تنجذب الكتروستاتيكيا "يتم في مضخم الكترون القناة سقوط االيون على كاثود على شكل قمع مولدا

ان المقاومـة . يصنع االنبوب من زجاج خاص يحوي اوكسيد الرصاص واكاسـيد البزمـوث ". طول انبوب تضخيم االلكترون المقوس نزوال يصنع هذا النـوع . (SEM) من المقاومات في جهاز العالية المالزمة للزجاج يوفر مقاومة كهربائية مشابهة الى تلك المصنعة بواسطة سلسلة

: من الكواشف على شكل انبوب مقوس لسببين .يمنع االيونات الموجبة من االنتقال باالتجاه المعاكس خالل االنبوب - ١ .زيادة العدد المؤثر للداينودات لعملية مضاعفة االلكترونات - ٢

اما مشاكل هذه . ان مضخم الكترون القناة يمكن ان يتحمل تعرض مستمر للهواء هو (SEM)ان اهم ميزة لهذا النوع من الكواشف على نوع كما يجب الحذر في حالة وجود مجاالت مغناطيـسية . االجهزة فهي ان كلتيهما تملكان زمن عمل محدودة والذي تكون بحدود سنة الى سنتين

االلكترونات ضمن أي نـوع مـن (trajectory) تؤثر على اتجاه يمكن ان، "من المضخات االيونية مثال، (stray magnetic fields)شاردة . مضخم االلكترون

و كـشف mass selection: اختيـار الكتلـة ، acceleration: التعجيـل ، ionization: التايين(ان نهاية هذه السلسلة المعقدة من الخطوات

ان اغلب هذه االجهزة تعطي هذه المعلومات . ة لنسبة الكتلة الى الشحنةهو تمثيل البيانات على شكل شدة اشارة كدال) ion detectionااليون .10.8 على شكل رسم مشابه للرسم الموضح في الشكل (CRT)كناتج على شاشة

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٧٣

. بيانات تحليل الضغط الجزئي ماخوذة من حاوية تحوي زيت هايدروكاربوني10.8الشكل

:(Operation of partial pressure analyzers)تشغيل محلالت الضغط الجزئي

ومـن " يكون مكلفا ، حتى النوع البسيط منها ، ان اجهزة من هذا النوع . يجب اخذ الحيطة والحذر عن استخدام اجهزة محلالت الضغط الجزئي :على حاويةبالتالي يجب اخذ االسئلة التالية بنظر االعتبار عند تركيب جهاز التحليل . السهولة اتالفه عن استخدامه بشكل خاطئ

)بيانات نوعيه مقابل بيانات كمية(مانوع التشخيص الذي احاول ان اقيسه لبيئة الفراغ؟ - ١ ماهي القيمة العظمى للضغط في المطياف؟ - ٢

المتوقع؟(AMU)ماهو معدل الكتلة للغاز - ٣

؟ وماهي درجة الحرارة المطلوبة؟(baked-out)هل تحتاج الحاوية والمطياف الى عملية تحميص - ٤

اك امكانية حصول تلوث لمحلل الضغط الجزئي؟ كيف يمكن تقليل هذه االحتمالية؟هل هن - ٥

لمحلل الضغط الجزئي كافية لهذا التطبيق؟(resolution)هل ان الدقة - ٦

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٧٤

(Thin Film Deposition Processes)عمليات ترسيب األغشية الرقيقة : ١١الفصل

ان عملية ترسيب . العمليات التي تجرى تحت تلك البيئة : اسباب العمل بجهد للحصول على بيئة فراغ سوف نوجه اهتمامنا في هذا الفصل الى :االغشية الرقيقة ادت الى تاثير كبير على مستوى التكنولوجيا المفيدة في حياتنا ونذكر منها التالي

.)من عدسات الكاميرات الى النظارات الشمسية" ابتداء(االداء البصري المطور ) ١ .االلكترونيات الدقيقة) ٢

.الى قادح السيارة وانظمة المراقبة) من ساعة اليد الى فرن المايكروف" ابتداء(انتاج الدوائر الدقيقة ) ٣

.طالء الزينة) ٤

.صناعة الحواسيب) ٥

.الزجاج المعماري) ٦

.حماية العدد ومكونات االنابيب الصحية) ٧

: ترسيب االغشية تحت بيئة الفراغ :بالظهور حسب الترتيب التالي" تقنيات االغشية الرقيقة قد تطورت تاريخياان

التبخير الحراري-١ التسخين بالمقاومة الحرارية-١,١ التسخين بالحث-١,٢

التسخين بالحزمة االلكترونية-١,٣

الترذيذ - ٢ الصمام الثنائي-٢,١ الصمام الثالثي -٢,٢ الماكنترون-٢,٣ الحزمة االيونية-٣ عمليات القوس-٤ التخديش بالليزر-٥

:11.1وبصورة عامة هناك ثالث خطوات في أي عملية ترسيب باالغشية الفيزياوية وكما هو موضح في الشكل . انتاج مادة البخار من المادة المصدر-١ . انتقال مادة البخار من المصدر نحو القاعدة-٢ .غشية الرقيقة المترسبة تكثف مادة البخار على القاعدة لتشكيل اال-٣

11.1الشكل

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٧٥

:اما لماذا تجري العمليات تحت الفراغ فهناك سببين اساسيين .تتضمن العمليات في الفراغ كميات كبيرة من الحرارة فاذا تواجد االوكسجين فان أي معدن فعال سيؤدي الى تكوين اكاسيد مع االوكسجين) ١نتقال للبخار من المصدر الى القاعدة قد يؤدي الى تقليل معدل الترسيب الكلي وقد يؤدي الـى منـع ان التصادم مع جزيئات الغاز خالل اال ) ٢

.نمو الغشاء الكثيف

عند الوصول الى القاعدة فان المادة المتبخرة تتكثف عليها بترتيب معقد من االحداث التى تحدد العديـد مـن الخـواص الفيزياويـة للغـشاء .(Nucleation and Growth) خطوات النمو لالغشية الرقيقة بصورة عامة بعمليات تدعى بالتنوي والنمو يتم االشارة الى. المترسب او الجزيئات التي تصل سطح القاعدة تفقد طاقة حرارة نتيجة امتصاصها من قبل (ad atoms)ان الذرات من نوع : (Nucleation)التنوي .القاعدةالتي تملكها هذه الذرات والسطح فان الذرات تتحرك على السطح حتى تفقد الطاقـة الحراريـة المطلوبـة على كمية الطاقة الحرارية " اعتمادا

.(Adam mobility)للحركة على السطح ويشار اليها عادة بمصطلح داخل الكيميـاوي ان الت. فان نمو الغشاء على السطح يكون على شكل صفائح مستمرة تغطي سطح القاعدة(nuclei)عندما يستمر تكون النوى

.بين الذرات والسطح تحدد قوة االصرة بين الغشاء والقاعدةان ". فمثال الذهب اليعمل على تكوين اصرة كيمياوية مع اوكسيد السيلكون وبالتالي فان التصاقية غشاء الذهب على الزجـاج يكـون ضـعيفا

وتـسمى هـذه العمليـة (500Å)دة الكروميوم او النوبيوم وبسمك علمية تحسين هذه االلتصاقية ربما يتم بواسطة ترسيب غشاء اولي من ما ان الكروميوم والنبيوم يكونان اواصر كيمياوية مع اوكسيد السيلكون فـي الزجـاج . ثم يتم طالء الذهب فوق طبقة الرابط (Binder)بالرابط

.وكذلك تكون اواصر معدنية مع طبقة الذهب التالية :سيب تحت الفراغ على عمليات اخرى للوصول الى الخواص التاليةيفضل عادة اختيار عمليات التر

.الوصول الى نقاوة عالية - ١ .التصاقية عالية بين الغشاء الرقيق والقاعدة - ٢

.السيطرة على الشد الميكانيكي في الغشاء - ٣

.ومتعددة الطبقات من مواد مختلفة" ترسيب طبقات اغشية رقيقة جدا - ٤

.القليل من الغاز المحصور - ٥

:م المعامالت التي يتم السيطرة عليها للوصول الى الهدف المنشود فهياما اه .(ad atoms)الطاقة الحركية لذرات - ١ .درجة حرارة القاعدة - ٢ .معدل ترسيب الغشاء الرقيق - ٣

.الطاقة الزائدة المطبقة الى الغشاء خالل النمو - ٤

.تشتت الطاقة خالل انتقال مادة البخار - ٥

:(Thermal Induced Evaporation)" التبخير المحتث حراريا لخلق سحابة من مادة البخار التي تنتقل فـي (charge) او الشحنة (source material)يتم في هذه العملية ادخال حرارة الى المادة المصدر

تكثـف مـن الطـور سوف ت (clusters)وعند وصولها الى القاعدة فان الذرات والجزيئات والشقوق . اتجاهات بخطوط مستقيمة نحو القاعدة اما من ناحية االبعاد المايكروسكوبية فان الحرارة الموقعية من هذه . يتم امتصاص حررة التكثف من قبل القاعدة . البخاري لتكوين غشاء صلب

ارة في اذابـة من البالستك حيث يمكن ان تسبب هذه الحر) القاعدة(وهذا مايحصل عند اختيار مادة اساس ". العملية يمكن ان تكون كبيرة جدا ولكن مع الخبرة فانه يمكن التحكم بالمسافة ومعدل الترسيب الذي يسمح بطالء المواد الحساسة للحـرارة دون . البالستك اثناء علمية الترسيب

.ان تسبب في اذابتها

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٧٦

:(Resistance Evaporation)التبخير بالمقاومة الكهربائية يتم . لغرض تبخيرها ) معدن او سبيكة او مزيج او مركب (يتم في نظام الفراغ تسخين الشحنة . راريةتعتبر من اسهل انواع تقنيات التبخير الح

الدخال مصدر القدرة الـى (Feed through) باستخدام مجهز قدرة ومجهز نافذ (VDC, 1-10A 40-10)استخدام فولتية قليلة وتيار عالي يتم تسخين الشعيرة الى درجـة حـرارة . التي تكون بتماس مع الشحنة (Filament)شعيرة ثم تمرر القدرة الكهربائية خالل ال . حاوية الفراغ

ان اهم متطلبات المادة للحصول على عملية تبخير حرارية كفوءة هي ان الشحنة يجب ان تملك ضـغط بخـاري . (2000oC-1000)حوالي ).1.1انظر الجدول (عند درجة حرارة التشغيل للشعيرة

11.1جدول

عند درجة الحـرارة . جميع المواد تتبخر تحت الفراغ حتى عند درجة حرارة الغرفة ولكن اضافة الحرارة ببساطة سوف يعجل من العملية ان ان العالقة بين ضغط بخار التوازن للمـادة ودرجـة الحـرارة . المحددة فان ضغط البخار المنبعث من قبل المادة يدعى بضغط بخار التوازن

: المبين ادناه11.2شكل يتبع ال" عموما

11.2الشكل

بـشكل . لناخذ الكادميوم كمثال فانه يملك ضغط بخار عالي بشكل مميز عند جميع درجات الحرارة بالمقارنة مع بقية المعادن المبينة في الشكل . يملك اقل ضغط بخار لهذه المعادن عند جميع درجات الحرارة(Rhenium)مشابه فان الرينيوم

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٧٧

ويتم عادة اختيـار حاويـة جـرة (very high)” الى عالية جدا(high)تحت ظروف فراغ عالية " التبخير الحراري تجري نموذجياان عمليةالجرس الجراء هذه العملية لحجم مختبري حيث توفر مرونة تصميمية باالضافة الى فائدة انه يمكن مراقبة العملية بشكل مباشر وتحت كلفـة

).11.3شكل انظر ال" (معقولة جدا

11.3الشكل

:ان اهم خصائص هذه الشعيرة هي. يتم تصميم الشعيرة من معادن مقاومة للحرارة مثل التنكستن والتنتاليوم او سبائك اخرى .تملك نقطة ذوبان عالية - ١ .ذوبانية قليلة لمواد الشحنة - ٢

.الشعيرة قابلة للتبلل بمواد الشحنة - ٣

.يجب ان تتحمل الصدمات الحرارية - ٤ وكل نوع مـصمم (Boxes)ومنها السلك الخطي والملف والبودقة والصندوقي ) 11.4انظر الشكل (ك العديد من انواع اشكال الشعيرات هنا

الشعيرات الملفية تصنع من معادن حرارية والتي تحمل بالشحنة بواسطة تعليق جزء صغير من مساحة السلك ليكون بتماس مع . لتطبيق محدد للـشحنة المعلقـة " ان التسخين السريع جدا . اجراء عملية تسخين معادن فانها تسبب في تبخير الشحنة من الشعيرة الملفية عند. المادة الشحنة

.وتسقط من الشعيرة" ربما تسبب في ان الشحنة ستذوب موقعيا

11.4الشكل

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٧٨

:مشاكل عملية التبخير بواسطة تسخين المقاومة الحرارية .شوائب التي يمكن ان تترسب مع الغشاء المتكثفان المصدر يمكن ان يولد - ١باالخص اذا كانت العناصر فـي الـسبيكة تملـك (ان تركيب الغشاء الرقيق للسبيكة المترسبة ربما يختلف عن تلك لمادة الشحنة - ٢

).ضغوط بخارية مختلفة

.كمية المادة المتبخرة لكل عملية تبخيرية تكون محددة - ٣ .ناتجة من الطاقة المشعة من المصدر التي ربما تؤثر عليهاان القاعدة سوف تتعرض لحرارة - ٤

:(Induction Heated Thermal Evaporation)التبخير الحراري بتقنية التسخين بالحث ان . (RF)يتم في هذه التقنية امرار تيار كهربائي خالل مادة شحنة موصلة للكهربائية عن طريق تطبيق تيار متناوب ذي تـرددات راديويـة

التيار المتناوب يمرر خالل ملـف . على حجم الشحنة " اعتمادا (50kW-1)هذا التيار الراديوي يولد بواسطة مجهز قدرة ضمن مدى ).11.5انظر الشكل (من النحاس الذي يحيط ببودقة سيراميكية مقاومة للحرارة

11.5الشكل

فاذا تم اختيـار . يراميكية حيث يكون من المهم اختيار نوع مادة البودقة للتطبيق المحدد يتم في جميع انواع التبخير الحراري استخدام بوادق س .مع البودقة وبالتالي تتلف كل من هذه المكونات الموجودة في نظام الترسيب في الفراغ" غير صحيح للبودقة فان الشحنة ربما تتفاعل كيميائيا

.لية للبوادق الحرارية المستخدمة ونوع المعدن لها التالي يبين اعظم درجة حرارة تشغي11.2الجدول

11.2الجدول

:مشاكل التبخير بالحث .يجب ان تكون الشحنة موصلة للكهربائية - ١ .وكبير الحجم" يمكن ان يكون مجهز القدرة الراديوي واجهزة التنغيم مكلفة جدا - ٢

.يمكن ان يحصل تداخل كيمياوي بين الشحنة والبودقة - ٣

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٧٩

: بالحثمميزات التبخير .عملية تلوث قليلة للغشاء المترسب - ١ .سيطرة اكبر لمعدل الترسيب - ٢

.يمكن تحميل شحنة كبيرة لكل مرحلة ترسيب - ٣

(Electron Beam Evaporation):التبخير بالحزمة االلكترونية هناك . الحرارية لغرض تبخير الشحنةيتم في عملية التبخير الحراري هذه توليد حزمة من االلكترونات الطاقية من شعيرة مسخنة تجهز الطاقة

انحيـاز (ان جميع انواع انظمة التبخير الحرارية بالحزمة االلكترونية لهـا انـود . العديد من المتغيرات في عملية التبخير بالحزمة االلكترونية .11.6، انظر الشكل ) اما مؤرث او انحيازة سالب بالمقارنة مع االنود(وكاثود ) موجب

11.6الشكل

:سيتم التطرق الى نوعين اساسيين من هذه المبخرات (Work accelerated)مبخرات الحزمة االلكترونية المعجلة بالشغل ) ١ (Self accelerated)" مبخرات الحزمة االلكترونية المعجلة ذاتيا) ٢

:)Work accelerated(مبخرات الحزمة االلكترونية المعجلة بالشغل kV 40-10)الى مادة الشحنة بواسطة تطبيق انحياز فولتية علي ) 11.7الشكل (نبعثة من شعيرة التنكستن في هذا النوع توجه االلكترونات الم

DC) . يتم استخدام فتحة تبئير(Focusing aperture)تساعد على تقليل الحرارة المنتشرة خارج محور تحرك االلكترونات داخل الحاوية .

11.7الشكل

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٨٠

بعض انواع مبخرات الحزمة االلكترونية المعجلة بالشغل تـستخدم ". واستخداما" ن تشكيالت مبخرات الحزمة االلكترونية تصميماتتوفر العديد م . ملفات كهرومغناطيسية لغرض توجيه وتركيز الحزمة االلكترونية

:)Self accelerated(" مبخرات الحزمة االلكترونية المعجلة ذاتياهذا يسمح بتبخيـر مـواد . ود مساعد لغرض منح الطاقة الحركية الى االلكترونات المنبعثة من قبل الشعيرة او الكاثود يستخدم في هذا النوع ان

11.8الشكل . الشحنة التي التكون موصلة للكهربائية مثل فلوريد الكالسيوم المستخدم في طالء عدسات الكاميرات لتحسين خصائصها البصرية .التالي يوضح هذه المنظومة

11.8الشكل

تستخدم مـسيطرات مـسح . ان مسدس التعجيل الذاتي يملك مجموعة من المغانيط الكهربائية المستخدمة لمسح حزمة االلكترون خالل التبخير لتـالي ان مسيطرات المسح هذه تعمل على تغيير التيار في المغـانيط الكهربائيـة وبا . اوتوماتيكية للنوعين المذكورين وبانوع تجارية مختلفة

. والتي هي عبارة عن موجات جيبية بابعاد ثنائية(Lissajous)تجرف الحزمة على شكل نمط (Sputter Deposition of Thin Film):الترسيب بالترذيذ لالغشية الرقيقة

ترذيذ تتـضمن جعـل المـادة على غرار عملية التبخير الحراري الذي يتم فيها تسخين مادة لزيادة ضغط بخار التوازن فان عملية الترسيب بال تتـوفر ). (Target)الذي نشير اليه عادة بالهدف (تتحول الى الطور البخاري بواسطة التداخل الفيزياوي للدقائق المتصادمة مع مادة المصدر

مثل اشرطة التـسجيل (ية لترسيب غشاء رقيق لالستخدام في تطبيقات اجهزة الحفظ المغناطيس " العديد من انوع تقنيات الترذيذ المستخدمة حاليا .باالضافة الى االغشية الرقيقة البصرية) واقراص الحاسوب

):Diode Sputtering(ترذيذ الصمام الثنائي بعد ان يتم تفريغ حاوية الفراغ الى قيمة ضغط االساس لغرض تقليـل . يوضح نموذج مبسط لمنظومة ترذيذ نوع الصمام الثنائي 11.9الشكل

يتم المحافظة على ضغط غاز . الى الحاوية ) اغلب االحيان االركون (يتم ضخ غاز العملية ، قبل غازات الجو او بخار الماء التلوث للغشاء من لغـرض الـتحكم ) (upstream)بجريان نحو االعلى( باستخدام مجموعة من مسيطرات الجريان الكتلي (mTorr 100-1)العملية عند حدود ان هذا الـصمام موضـوع مباشـرة علـى ). (downstream)بجريان نحو االسفل (ى استخدام صمام بوابة باالضافة ال ، بخليط غاز العملية

المضخة التربوية ومجهزة بمسيطر الذي يمكن ان يعطي سيطرة على الضغط بزمن حقيقي وسريعة باستخدام مـانوميتر متـسعات كمـصدر ان االلكترونات المنبعثة من قبل الهدف تصطدم لجزيئات . على الهدف مطبق(V DC 5000-500)يتم استخدام انحياز كهربائي عند . تحسس

عنـدما . يتم تعجيل االيونات الموجبة باتجاه الكاثود بواسطة تطبيق انحياز سـالب . غاز العملية بالقرب من الهدف والتي يمكن ان تؤين الغاز هناك الكترونات ثانوية وايونات وضـوء . كافية لضخ ذرات مادة الكاثود تصطدم االيونات الموجبة بالكاثود فان الطاقة الحركية المنتقلة تكون

.تنبعث خالل عملية التصادم) فوق النفسجي واشعة سينية، مرئي، تحت الحمراء(

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٨١

11.9الشكل

لعملية يكون بحـدود وبما ان ضغط غاز ا. تهاجر باتجاه السطوح في منظومة الفراغ حيث تتكثف لتكون اغشية) المترذذة( ان المواد المحقونة (1-100 mTorr)بهذا التشتت فان المادة المتـرذذة تفقـد خاصـية . فانه تحصل كمية كبيرة من التشتت للمواد المترذذه بواسطة غاز العملية

مليـة الترذيـذ يـدعى ان التوهج المرئي المحيط بالكاثود اثناء ع . االتجاهية لها وربما تصبح متعادلة اذا تم تاينها وكذلك تفقد طاقتها الحركية ان الضوء المرئي للبالزما يملك لون يكون خاصية لغاز العملية وللمادة التي يحصل فيها . او البالزما(Glow discharge)بالتفريغ المتوهج

من متطلبـات ان واحد. يمكن استخدام هذا الضوء المرئي لغرض فحص التركيب الكيمياوي للبالزما باستخدام مطياف الضوء المرئي . ترذيذ .العناصر والمركبات العازلة يمكن ان ترذذ بتقنيات اخرى. تقنية الترذيذ لثنائي الصمام هي ان الكاثود يجب ان يكون موصل للكهربائية :المعامالت التشغيلية النموذجية للترذيذ ثنائي الصمام ذو التيار المستمر هي

1mA/cm2كثافة التيار عند الكاثود

mTorr 80-3) اركون(ة ضغط غاز العملي

VDC 3000-انحياز الكاثود cm 8-2مسافة العمل

يجب مالحظـة ان معـدل . (Å/min 400-60)على تركيب الكاثود فان هذه المجموعة من المعامالت يجب ان تعطي معدل ترسيب " اعتمادا .تاكل الكاثود يمكن ان نتوقعها عند حدود اكبر من معدل الترسيب على القاعدة

يمكن ان يتفاعل بعضها مع الغازات المتبقية لتكوين نواتج ثانويـة قابلـة . عض مواد الترذيذ تتكثف على السطوح الداخلية لحاوية الفراغ ان ب .للتطاير التي يمكن ازاحتها بالتفريغ

: ترذيذ السبائك والمركباتبصورة عامة فان تركيب االغشية الرقيقة . ان تنجز بعملية الترذيذ ترسيب االغشية الرقيقة للسبائك المعدنية ولبعض المركبات الكيمياوية يمكن

يمثل نموذج مبسط يتكون من 11.10الشكل . بعد فترة توازن اولية ) الهدف(المرسبة بالترذيذ سوف يكون لها تركيب كيمياوي مشابه للمصدر عندما يتم ترذيـذ " بدايتا. (B) اكبر منها من المادة (A)مادة فاذا فرضنا ان الحصيلة الترذيذية ل . (B) و (A)هدف لسبيكة مكونة من مركبين

لكن بعد فترة زمنية فـان . نتيجة حصيلتها الترذيذية العالية (A)من مادة " المادة مركب الكاثود هذا فان البخار المتصاعد سيكون اكثر تركيزا ا يحصل هذا فان الغشاء الرقيق المرسب سوف يملك نفس تركيب عندم. (B) والكثير من تركيز (A)سطح الكاثود سوف يبدا بالتحلل من مادة

.الهدف

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٨٢

11.10الشكل

:خصائص مادة الترذيذ في الطور البخاريشقوق متعادلـة ، الكترونات، )موجبة وسالبة (ايونات ، يحوي على ذرات متعادلة ) الكاثود(ان البخار المتصاعد من مصدر الترسيب المترسب

تملك هذه الـذرات طاقـات حركيـة قيمتهـا حـوالي . من تلك فان الغالبية العظمى تكون من ذرات متعادلة . ذراتلذرات وشقوق مشحونة ل ان هذه الطاقة االضافية هي السبب وراء االلتصاقية . مرة اكبر بالمقارنة مع الذرات المتعادلة المولدة من مصادر التبخير الحراري (50-100)

" ويعود السبب في ذلك الى الضغط العالي نـسبيا . لمرسبة بالترذيذ بالمقارنة مع اغشية التبخير الحرارية لنفس المادة التي يتم ايجادها لالغشية ا ان الغالبية العظمى للتصادمات فـي الطـور . في حاوية الترسيب بالترذيذ وهذا يعني ان معدل المسار الحر للمركبات المترذذة تكون قصيرة

هذا يؤثر على . اد المترذذة بين الهدف والقاعدة تؤدي الى تقليل كمية الطاقة الحركية للمركبات المترسبة عند وصولها الغازي التي تعانيها المو عندما تفقد الذرات المرذذة طاقة بالتصادمات الغاز فيطلـق . وبالتالي على الكثافة والتركيب البلوري للغشاء الرقيق(ad atom)حركية ذرات

. أي ان طاقتها الحركية قلت لتساوي تلك المتوقعه لنفس الذرات عند درجة الحرارة(Thermalized)عليها انها سخنت (Magnetron Sputter Deposition):الترسيب بالترذيذ الماكنتروني

ـ ان المغنـاطيس . ذيتم في هذه العملية زيادة معدل الترسيب عن طريق استخدام مجاالت مغناطيسية الحتواء البالزما بالقرب من هدف الترذيالمثبت بالقرب او تحت هدف مصدر ترذيذ الصمام الثنائي يمكن ان يستخدم الحتواء االلكترونات المنبعثة من الكاثود لغرض الدوران بـالقرب

دون الحاجـة الـى تاينها الذي يزداد بشدة " هناك احتمالية ان يصطدم هذا االلكترون في المدار بجزيئات غاز العملية مسببا . من حدود الكاثود هنا لغرض التشغيل الـصحيح لمـصدر " ان شدة المجال المغناطيسي وموقع المغناطيس بالنسبة للكاثود يكون مهما . زيادة ضغط غاز العملية

لتركيـب ا" يوضح حلقة البالزما المولدة على مستوى الماكنترون وكذلك المقطع العرضي للماكنترون مبينا 11.11الشكل . الترذيذ الماكنتروني .المغناطيسي تحت الكاثود

11.1الشكل

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٨٣

كمية كبيرة من الحرارة والتـي تتبـدد " بما ان البالزما تكون محددة الموقع فان كثافة التيار يمكن ان تكون كبيرة عند سطح الكاثود ومولدتا رة على درجة الحرارة ولمنع تلف المغـانيط الدائميـة ان التبريد الفعال للكاثود بالماء يوفر طريقة للسيط . بشكل غير فعال باالشعاع الحراري

لقـد وجـد مـصدر . يوضح بشكل تفصيلي تصميم مصدر الترذيذ المـاكنتروني 11.12الرسم التخطيطي الموضح في الشكل . تحت الكاثود المصدر تبدا من وحدات ترسـيب ان منظومات الترسيب باستخدام هذا . الترسيب الماكنتروني ذو التيار المستمر تطبيقات واسعة في الصناعة

التي تـستخدم سلـسلة مـن مـسدسات الترذيـذ 150footاالغشية الرقيقة االلكترونية المدمجة الى حاوية الطالء للزجاج المعماري بطول الكـاثود يتم منع الترذيذ لجميع مـساحات المـسدس ماعـدا . لزجاج بعدة طبقات للدورة الواحدة4x8 footالماكنتروني لطالء صفاح بطول

لهذا الدرع باالضافة الى خطوط التبريد بالماء من الفولتية العالية المطبقـة علـى " يتم العزل كهربائيا. باستخدام درع او حاجز سطحي ارضي يجب مالحظة ان في بعض مسدسات الترذيذ االلكتروني فانه يمكن اسـتخدام خطـوط التبريـد بالمـاء . الكاثود باستخدام عوازل سيراميكية

عنـد منطقـة التجهيـز " في توصيل قدرة الفولتية العالية الى الكاثود وهي معزولة كهربائيا ) المصنعة عادة من انابيب الفوالذ المقاوم للصدا ( .يحصل تحت بعض الضروف ترذيذ هذه الخطوط والتي قد تؤدي الى حصول تلف لخطوط التبريد بالماء ضمن حاوية الفراغ. للفراغ

11.12الشكل

: معدالت النموذجية للمعامالت التشغيلية لمصادر الترسيب بالترذيذ الماكنترونيال mA/cm2 50-10كثافة التيار للكاثود

to 50 mTorr 3) اركون(ضغط غاز العملية to -2000 VDC 400-انحياز الكاثود to 20 cm 2مسافة العمل

:(Laser Ablation)االجتثاث بالليزر يتم في هـذه العمليـة اسـتخدام . سبائك ومركبات، يزر نبضي ذي كثافة طاقة عالية لترسيب اغشية رقيقة ولعناصر مختلفة تم استخدام حزم ل

انظـر (مصدر ليزر خارج حاوية الفراغ لتوليد حزمة يتم تبئيرها وامرارها خالل فتحة في الحاوية وارتطامها على هدف ضمن حاوية الفراغ شـقوق ، ايونـات ، هذه المادة المجتثة تتكون من ذرات متعادلة . مادة من سطح الهدف ) اجتثاث(ة كافية لنسف يتم توليد طاق ). 11.13الشكل

وبالتالي تسمح للمشغل بـشكل دقيـق ، "كمية المادة المرسبة لكل نبضة ليزر يكن متماسك جدا. (macro particles)لذرات ودقائق ماكروية "). التبخير بالحزمة االلكترونية والترذيذ مثال(رسيب هنا قليل بالمقارنة مع التقنيات االخرى ان معدل الت. بترسيب اغشية باسماك محددة

نجم الربيعي. د......تكنولوجيا الفراغ

٨٤

:معدل المعامالت التشغيلية المستخدمة عادة موضحة ادناه t0 500 mJ 100 قدرة الليزر

to 0.25 cm2 0.1حجم بقعة الليزر على الهدف to 50 ns 5زمن النبضة

to 308 nm 250الطول الموجي to 20 Hz 1تردد النبضة

11.13الشكل

بالبحث والتطوير وذلك بسبب معدل الترسيب الواطئ ومسالة االمان المرتبطة " محددة مختبريا " ان عملية االجتثاث بالليزر كتقنية ترسيب حاليا المرسبة بتقنية االجتثاث بالليزر تتـضمن االغـشية بعض االغشية . باالضافة الى تكاليف االجهزة ، باستخدام ليزرات االشعة الفوق البنفسجية

.(amorphous metallic layers)طالء السيراميك والطبقات المعدنية الالبلورية ، الرقيقة للمواد الفائقة التوصيل