Partielles-Vakuum

Das Dalton-Gesetz besagt, dass die Summe aller Partialdrücke in der Luft gleich dem Gesamtdruck der Luft ist. Dabei beträgt der Helium-Partialdruck in der Luft 5,2x10³ mbar (5,2 ppm bzw. 5,2x10‾⁶ mbar·l/sec).

Weiterführend bedeutet dies, dass bei den klassischen Überdruck-Testgasverfahren die Messempfindlichkeit durch den Helium-Partialdruck in der Luft begrenzt wird. Im Gegensatz zum Überdruck-Testgasverfahren B3 der DIN EN 1779 wird bei dem UST-Verfahren zur Senkung des Helium-Partialdruckes die Prüfkammer mit einem heliumfreien Gas beaufschlagt. Dieses erlaubt es, den Helium-Partialdruck innerhalb der Prüfkammer auf kleiner 1x10 mbar (10 ppt bzw. 1x10¹¹ mbar·l/sec) zu reduzieren, sodass gegenüber der Luft ein partielles Vakuum besteht. 

Untersuchungen zeigten, dass der Nettofluss der Heliumatome im Partiellen-Vakuum mit dem Modell der Diffusion nicht beschrieben werden kann. Modellhaft wird bei der Diffusion angenommen, dass die Bewegungsrichtung eines einzelnen Atoms vollkommen zufällig ist. Aufgrund der Wechselwirkung mit anderen Atomen erfolgt eine ständige Richtungsänderung des Atoms. Über einen längeren Zeitraum stellt sich aufgrund der Tatsache, dass ein Sprung in eine bestimmte Richtung eine größere Wahrscheinlichkeit hat, ein Nettofluss von Heliumatomen in eine bestimmte Richtung ein. Es entsteht somit ein Nettofluss, bis sich ein stationärerZustand einstellt. Zumeist ist der Gleichgewichtszustand, bei der die Konzentration an jedem Punkt im Raum gleich hoch ist, die Gleichverteilung. Das dieser Nettofluss, insbesondere beim Edelgas Helium, nicht gänzlich ungerichtet ist, beweist die Tatsache, dass die Helium-Konzentration in Richtung des Weltraumes stetig zunimmt. Aufgrund der zu geringen Wechselwirkung des Edelgases Helium mit dem Gravitationsfeld der Erde strömt Helium stetig aus dem Erdinneren in den Weltraum ab. Dieses bedeutet, dass die Heliumkonzentration von 5,2 Heliumatomen pro eine Millionen Atomen (5,2 ppm) auf 9,9 Heliumatomen pro hundert Atomen (9,9%) ansteigt.

Messungen am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik zeigten, dass der Nettofluss des Edelgases Helium im Partiellen-Vakuum nicht durch Diffusion oder durch Graviton beschrieben werden kann. Es zeigte sich, dass der Nettofluss im Partiellen-Vakuum nur durch ein Modell einer gerichteten Nettoflusses beschrieben werden kann. Dieses bedeutet, dass das Heliumatom mit einer Geschwindigkeit von 1256 m/s gerichtet innerhalb des Partiellen-Vakuums in den Bereich mit der geringsten Heliumkonzentration strömt. Ausschlaggebend hierfür ist, dass die Wechselwirkung des Edelgases Helium mit anderen Atomen, gegenüber der Kraft des Partiellen-Vakuums, zu gering ist. Dies bedeutet, dass der Nettofluss nicht unbestimmt ist, sondern bestimmt. Somit steht der Nettofluss nicht in Beziehung zur spezifischen Dichte des Gasgemisches, sondern in Beziehung zur Kraft des Partiellen-Vakuums. Aufgrund der Kraft, die auch als Vakuumenergie bezeichnet werden kann, wird bewirkt, dass Heliumatome immer gerichtet in den Bereich des größten Helium-Vakuums strömen. Dieser Effekt, der sogenannte Partielle-Vakuum-Effekt, erlaubt es, den Nettofluss von Heliumatomen im Partiellen-Vakuum zu beschreiben.

Partielle-Vakuum-Effekt

Modellhafte Darstellung der Kraft des Partiellen-Vakuums 

Zudem erlaubt die Theorie des Partiellen-Vakuum-Effektes zu begreifen, warum das Heliumatom gerichtet im Raum zum Parteiellen-Vakuum strömt. Aufgrund der stetigen Schwingung des Raumes bewegt sich das Heliumatom mit 1256 m/s im Raum ungerichtet. Bei einem gänzlich von Heliumatomen befreiten Raum strömt aber das Heliumatom, aufgrund des sehr hohen Partiellen-Vakuum-Gradientens immer gerichtet in den Bereich des Raumes mit dem höchsten Partiellen-Vakuum. Strömen weitere Heliumatome in den Raum, so bedeutet dieses, dass aufgrund der stetigen Abnahme des Partiellen-Vakuum-Gradientens sich die Heliumatome immer weniger gerichtet in den Bereich des höchsten Partiellen-Vakuums bewegen. Der PV-Effekt erlaubt es zum einen, durch die Erzeugung eines Paritiellen-Vakuum-Gradienten  innerhalb eines verflüssigten Gases, das verflüssigte Gas gänzlich von Helium zu reinigen. Des Weiteren erlaubt der Partielle-Vakuum-Effekt das Strömungsverhalten von Helium, innerhalb einer mit einem von Helium befreiten Gases, zu berechnen.

Partiellen-Vakuum-Gradient

Theorie des Partiellen-Vakuum-Gradientens

 

Des Weiteren wird die Kraft des Partiellen-Vakuums klarer, in dem  über einen Tonzylinder mit verhältnismäßig schweren Luftmolekülen (O2, N2) ein Behälter mit dem Edelgas Helium gestülpt wird. Innerhalb einiger Sekunden strömt das Edelgas Helium in das Innere des Tonzylinders. Es entsteht dort ein Überdruck, welcher nun  mit einem U-Rohr-Manometer messbar ist. Nach einer gewissen Zeit diffundieren aber auch die Luftmoleküle nach außen und es stellt sich wieder ein Druckgleichgewicht ein.

Link: Diffusion von Helium