Si definisce Vuoto la situazione fisica in cui la pressione è inferiore a quella atmosferica ( 1 atm= 1.01 105 Pa)

Il vuoto (più o meno spinto) esiste in natura (sulla superficie lunare la pressione è di circa 10-6 Pa, mentre nello spazio interstellare la pressione è talmente bassa che si preferisce dare la densità di molecole per m3, pari a circa 1 molecola/cm3 )

Ma il vuoto può essere prodotto artificialmente per scopi industriali o scientifici, e oggi i modi per produrre e misurare il vuoto hanno assunto grande importanza nella moderna tecnologia in svariati campi (industria microelettronica, alimentare, metallurgica, farmaceutica … )

I vantaggi che si ottengono compiendo certi processi in vuoto sono molteplici:

a) 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)

b) accrescere notevolmente il libero cammino medio delle molecole di gas o vapori onde permettere alle molecole, atomi o ioni di raggiungere una superficie o un bersaglio opportuno, senza urti con molecole estranee (ad es. nei processi di metallizzazione sotto vuoto e nelle macchine acceleratrici di particelle).

c) favorire l’isolamento termico (per es. dewars)

d) eliminare i gas disciolti o certe sostanze contenute in un dato materiale (per es. degassazione di oli e liofilizzazione)

e) 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).

f) simulare particolari situazioni fisiche (camere di simulazione spaziale per prove su satelliti e navi spaziali).

Esempi di applicazione del vuoto Intervallo di pressione in cui si 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

Il livello di vuoto necessario dipende dal processo che si vuole realizzare

La condizione di vuoto si può raggiungere in un volume limitato dello spazio, da qualche cm3 come nelle lampadine fino a qualche centinaio di m3 come nei grandi acceleratori di particelle. Per ottenerlo, è necessario utilizzare particolari dispositivi, detti pompe da vuoto, in grado di trasportare le molecole di un gas da un posto all’altro. E’ da notare che il vuoto, specie se molto spinto (P < 10-4 Pa), può essere creato solo utilizzando materiali particolari, che abbiano una pressione di vapore sufficientemente bassa.

Comunemente, si utilizzano camere da vuoto costruite in acciaio o alluminio, e tutti i materiali presenti in tali camere devono avere la stessa caratteristica (pressione di vapore bassa). Sono quindi esclusi liquidi, molte materie plastiche, materiali organici … ; vanno bene materiali metallici, ceramiche, vetro …

Lo schema semplificato di un apparato da vuoto è il seguente:

Camera da vuoto

Piniziale = 105 Pa

Pfinale = 10-5 Pa

Pompa 1

Pompa 2

Flusso del gas

Atmosfera

Le molecole estratte dalla camera a vuoto vengono trasferite all’atmosfera mediante il lavoro di 1 o più pompe.

Esistono diversi tipi di pompe che funzionano in diversi intervalli di pressionee si basano su differenti principi fisici:

a) Pompe rotative: dall’atmosfera fino a circa 10-1 Pa

b) Pompe turbomolecolari da 1 Pa fino a circa 10-7 Pa Pompe a diffusione da 10-1 Pa a circa 10-7 Pa

c) Pompe ioniche da 10-4 Pa fino a circa 10-8 Pa

Pompe a sublimazione di Titanio

Criopompe … per scendere fino a 10 -10 Pa

Per approfondimenti:

http://www.aiv.it/ita/vuoto/serve.asp Sito Associazione Italiana Vuoto

http://it.wikipedia.org/wiki/Vuoto_%28fisica%29

Ovviamente, accanto alla tecnologia per produrre il vuoto è necessario svilupparne una per misurare il grado di vuoto raggiunto.

Anche in questo caso, non esiste un misuratore adatto a coprire tutto l’intervallo di pressioni necessario, ma esistono differenti tipi di misuratori adatti a particolari intervalli di pressione. Ad esempio, il manometro a mercurio di Torricelli può essere utilizzato per pressioni sino a circa 1 Pa.