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Il Vuoto

A cosa serve

Il termine “vuoto” viene riferito alla situazione fisica che si verifica in un am biente ove la pressione gassosa è minore di quella atmosferica.
Poiché la pressione rappresenta dimensionalmente una forza per unità di super ficie, la sua unità di misura è il pascal (simbolo: Pa) che rappresenta la pressione che si ha quando la forza di un newton (simbolo: N) si esercita sull’unità di superficie, misurata in metri quadrati (simbolo: m2).
Quindi si ha:

pascal = newton / metro2    —>    Pa = N / m2

nel Sistema Internazionale di unità di misura (simbolo: SI), che non è solo adottato dalla comunità internazionale, ma per legge deve essere usato anche nel nostro Paese.

In pratica però si usano spesso anche unità quali il millibar (mbar) pari a 100 Pa e il mm Hg o torr, che è pari a circa 133,322 Pa ed è un’unità non coerente con il Sistema Internazionale di unità di misura ma è tollerata per misure di pressione del sangue.

A seconda che la pressione sia poco o molto inferiore a quella atmosferica (cioè 101325 Pa), i fenomeni che si verificano possono risultare assai diversi come assai di versi possono essere i mezzi per ottenere e misurare quella pressione. Di solito si distinguono diversi campi di vuoto e si dà loro una denominazione specifica in relazione a vari intervalli di pressione sub-atmosferica, come appare dalla tabella 1.

Tabella 1 — Usuale denominazione dei diver si campi di vuoto

Denominazione Intervallo di pressione in Pa
Basso vuoto 105 — 102
Vuoto medio 102 — 10-2
Alto vuoto 10-2 —10-6
Ultra-alto vuoto < 10-6
Vuoto estremo < 10-10

Il vuoto può esistere in natura oppure può essere prodotto deliberatamente per determinati scopi scientifici o tecnici. Il “vuoto naturale” si ha per esempio nello spazio. E noto ormai con buona precisione che l’atmosfera lunare, per esempio, è essenzialmente costituita da gas del tipo H2, He, Ne, Ar ad una pressione totale intorno a 10-6 Pa. Nello spazio interstellare ed intergalattico la pressione diventa ancora più piccola, tanto che si preferisce parlare in termini di densità delle particelle gassose (cioè numero di atomi o molecole contenute nell’unità di volume) invece di pressione. Nello spazio interstellare, entro il nostro sistema galattico, si ha infatti una densità di particelle gassose (principalmente idrogeno) dell’ordine di un atomo in un cm3; nello spazio intergalattico questa densità è molto minore, ma non nulla, e, secondo le migliori stime, corrisponde ad un atomo di idrogeno in un m3.

Per quanto riguarda l’atmosfera terrestre è pure noto che la pressione diminuisce via via che ci si allontana dal livello del mare. La variazione della densità atmosferica con l’altezza è stata determinata con precisione grazie all’uso dei satelliti artificiali.Nella tabella 2 sono riportate la pressione (p), la densità (N), la temperatura (T), rilevate alle varie altezze (h) rispetto al livello del mare.

Tabella 2 — Variazione della pressione atmosferica e della densità di particelle in funzione delle diverse altezze rispetto il livello dei mare

h (km) p (Pa) T (K) N (cm-3)
0 1,01325 x 105 288 2,58 x1019
10 3,6 x 104 217 4,10 x 1018
50 85,3 276 2,20 x 1016
100 0,33 x 10-1 207 8,9 x 1012
500 1,3 x 10-5 1550 5 x 107
1000 0,99×10-8 1600 5×105

Per molte applicazioni il vuoto rappresenta un ambiente di lavoro ideale e talvolta indispensabile. Sotto questo aspetto, l’ambiente extraterrestre può essere considerato, teoricamente, un ottimo laboratorio. Allo stato attuale e per molte applicazioni è chiaro però che non è pensabile usare quelle zone dello spazio a “vuoto naturale” come ambienti pratici di lavoro, anche se igrandi laboratori spaziali forse potranno aprire grandi possibilità. È necessario in pratica produrre il vuoto nei laboratori e nelle industrie che ne sono interessate, attraverso opportuni dispositivi e in determinati recipienti. È di questo vuoto “artificiale” che si intende trattare nelle attività dell’Associazione Italiana del Vuoto.

La creazione artificiale del vuoto è un vecchio problema, ma solo negli ultimi decenni grandissimi progressi sono stati compiuti nell’ottenimento e nella misura di vuoti sempre più spinti. Oggi, si raggiungono pressioni anche inferioria 10-10 Pa in particolari ambienti quali per esempio parti di macchine acceleratrici di particelle.

La forte spinta migliorativa è derivata non solo da esigenze puramente scientifiche ma anche da precise richieste di alcuni settori della tecnologia (come quelli relativi alla produzione dei film sottili, delle camere di simulazione spaziale, ecc.).

Le ragioni per cui si desidera produrre il vuoto sono molteplici e principalmente possono essere, a grandi linee, così riassunte:

Impedire processi chimico-fisici causati dall’azione dei gas atmosferici (per es. durante la fusione di particolari metalli reattivi, come il Ti; in tubi termoionici per permettere un elevato cammino medio degli elettroni, evitare scariche nel gas e reazioni chimiche sul filamento caldo).

  • Accrescere notevolmente il libero cammino medio delle molecole di gas o vapori onde permettere a date molecole, atomi o ioni di raggiungere una superficie o un bersaglio opportuno, senza urti con molecole estranee (ad es. nel processo di metallizzazione sotto vuoto e nelle macchine acceleratrici di particelle).
  • Ridurre la frequenza di collisione di molecole e atomi che compongono il gas con le superfici per allungare i tempi di contaminazione delle superfici stesse (studi di struttura e composizione di superfici solide; preparazione di film sottili) o favorire l’isolamento termico (per es. dewars)
  • Eliminare i gas disciolti o certe sostanze contenute in un dato materiale (per es. degassazione di oli e liofilizzazione) o i gas adsorbiti su una data superficie (per es. “pulizia” di tubi elettronici e acceleratori di particelle).
  • Ridurre la concentrazione di uno o più gas particolari al di sotto di un livello critico (per es. riduzioni di O2, H2O e idrocarburi in tubi elettronici o in sistemi in cui si studia la scarica nei gas).
  • Simulare particolari situazioni fisiche come quelle che si verificano nello spazio planetario (camere di simulazione spaziale per prove su satelliti e navi spaziali).

La tecnica di produzione del vuoto si applica quindi ad un grande numero di impianti con scopi e necessità di livello di vuoto anche molto diversi come appare, a titolo d’esempio, nella tabella 3.

Tabella 3

Esempi di applicazione del vuoto Intervallo di pressione in cuisi opera comunemente (Pa)
Simulazione spaziale 105 – 10-4
Preparazione di film sottili 10-1 – 10-8
Tubi elettronici (cinescopi,valvole termoioniche, collettori solari, ecc.) 10-1 – 10-6
Metallurgia (fusioni e leghe sotto vuoto, metallizzazione, ecc.) 105  – 10-1
Macchine acceleratrici di particelle 10-4 – 10-11
Fisica dei plasmi e macchine per fusione nucleare 105  – 10-8
Studio di superficie (struttura, composizione) 10-4 – 10-9
Catalisi eterogenea (studio di meccanismi di reazione, studio di superfici) 10-4 – 10-9
Liofilizzazione 101  – 10-1
Isolamento termico 10-1 – 10-3

Produrre il vuoto significa asportare molecole di gas o vapore contenute in un determinato recipiente o sistema (inteso come complesso di apparecchiature e di camere nelle quali si intende produrre la condizione di vuoto). Ciò implica che, per operare consapevolmente nella tecnica del vuoto, occorre conoscere non solo il comportamento dei gas e i dispositivi per la produzione e la misura del vuoto coi loro principi di funzionamento ma anche il comportamento dei materiali strutturali usati.

La tecnica del vuoto abbraccia quindi diversi settori della scienza, oltre che della tecnica, che comprendono la teoria cinetica dei gas, i fenomeni di ionizzazione, la chimica-fisica delle superfici, il trasporto di materia nei solidi ed il moto dei gas.