Torr

Formale Definition

Der Torr (Symbol: Torr) ist eine Druckeinheit, die genau als 1/760 einer Standardatmosphäre definiert ist. Da eine Standardatmosphäre 101.325 Pascal entspricht, entspricht ein Torr genau 101.325/760 Pascal oder ungefähr 133.322 Pa. Der Torr ist nach Evangelista Torricelli benannt, dem italienischen Physiker, der 1643 das Quecksilberbarometer erfand.

Der Torr ist fast gleich einem Millimeter Quecksilber (mmHg), aber die beiden Einheiten sind nicht identisch. Ein mmHg ist definiert als der Druck, der von einer 1 mm hohen Quecksilbersäule bei 0 °C unter standardmäßiger Erdbeschleunigung ausgeübt wird, was ungefähr 133.322 387 415 Pa entspricht. Ein Torr entspricht genau 133.322 368 421 Pa. Der Unterschied beträgt weniger als 0,000015 % — vernachlässigbar für alle praktischen Zwecke — existiert jedoch, weil der Torr algebraisch definiert ist (1/760 atm), während das mmHg physikalisch definiert ist.

Primärer Bereich

Der Torr wird hauptsächlich in der Vakuumwissenschaft verwendet, wo er als praktische Einheit für Drücke weit unterhalb des atmosphärischen Drucks dient. Der atmosphärische Druck entspricht 760 Torr, und Vakuumsysteme arbeiten typischerweise im Bereich von Hunderten von Torr bis hinunter zu 10⁻¹⁰ Torr oder weniger. Der weite dynamische Bereich des Torr und die historische Assoziation mit Vakuumtechnologie haben ihn zur dominierenden Einheit in diesem Bereich gemacht.

Nach Torricelli benannt

Die Einheit ist nach Evangelista Torricelli (1608-1647) benannt, einem italienischen Mathematiker und Physiker, der in den letzten Monaten von Galileos Leben unter Galileo Galilei studierte. Torricellis größte Errungenschaft war die Erfindung des Quecksilberbarometers im Jahr 1643, das demonstrierte, dass die Atmosphäre messbaren Druck ausübt. Der Einheitenname "torr" wurde 1950 von der Internationalen Organisation für Normung (ISO) vorgeschlagen und ist seitdem im allgemeinen Gebrauch.

Aussprache und Plural

Der Torr wird ausgesprochen wie "bore" oder "more." Der Plural von Torr ist "torr" — nicht "torrs." Dies folgt der Konvention für Einheiten, die nach Personen benannt sind: ein torr, zwei torr, 760 torr. Das Symbol ist "Torr" mit einem großen T, gemäß der Konvention, dass Einheitensymbole, die von Eigennamen abgeleitet sind, mit einem Großbuchstaben beginnen.

Torricellis Barometer

Im Jahr 1643 füllte Evangelista Torricelli ein Glasrohr (ungefähr 1 Meter lang, an einem Ende verschlossen) mit Quecksilber, stellte es in eine Schüssel mit Quecksilber auf den Kopf und beobachtete, dass die Quecksilbersäule auf ungefähr 760 mm fiel. Der Raum über dem Quecksilber — jetzt als Torricellis Vakuum bezeichnet — war eines der ersten künstlichen Vakuums, die jemals geschaffen wurden. Torricelli schloss korrekt, dass die Atmosphäre auf das Quecksilber in der Schüssel drückt und die Säule stützt und dass die Höhe der Säule den atmosphärischen Druck misst.

Torricelli schrieb an seinen Freund Michelangelo Ricci: "Wir leben am Boden eines Ozeans aus Luft." Diese poetische Beschreibung erfasste eine revolutionäre Einsicht — die Atmosphäre hat Gewicht, und ihr Druck kann gemessen werden. Torricellis Experiment löste jahrzehntelange Debatten darüber, warum Saugpumpen Wasser nicht höher als ungefähr 10 Meter heben konnten, eine Einschränkung, die Ingenieure seit der Antike verwirrte.

Entwicklung der Vakuumwissenschaft

Der Torr wurde zur natürlichen Einheit für die Vakuumwissenschaft, als sich das Feld entwickelte. Frühe Vakuumpumpen, entwickelt von Otto von Guericke (1654) und Robert Boyle (1659), waren nach modernen Maßstäben grob, konnten jedoch den Druck auf einige Torr reduzieren. Ende des 19. Jahrhunderts erreichten Heinrich Geisslers Quecksilberverdrängungspumpen Drücke unter 0,01 Torr, was die Entdeckung von Kathodenstrahlen und Röntgenstrahlen ermöglichte. Moderne Turbomolekularpumpen und Ionenpumpen können Drücke unter 10⁻¹¹ Torr erreichen.

Formalisierung

Der Torr wurde 1950 von der ISO formell als Druckeinheit angenommen, definiert als 1/760 einer Standardatmosphäre. Diese Definition wurde gewählt, um 760 Torr genau 1 atm gleichzusetzen, was die langjährige Konvention vereinfachte, den atmosphärischen Druck als "760 mm Quecksilber" zu messen. Die Einheit wurde von wissenschaftlichen Organisationen weltweit unterstützt und bleibt die dominierende Druckeinheit in der Vakuumwissenschaft.

Vakuumsysteme

Der Torr ist die Standardeinheit in der Vakuumtechnik in den meisten Teilen der Welt (wobei der Millibar in einigen europäischen Anwendungen als Alternative verwendet wird). Vakuumpumpen werden nach ihrem Enddruck in Torr bewertet: Rotationskolbenpumpen erreichen 10⁻³ Torr, Turbomolekularpumpen erreichen 10⁻¹⁰ Torr, und Kryopumpen erreichen 10⁻¹² Torr. Vakuummessgeräte — Pirani, Penning, Ionengauge und Kapazitätsmanometer — zeigen alle den Druck in Torr an.

Halbleiterfertigung

Die Halbleiterindustrie ist stark auf Vakuumsysteme angewiesen und verwendet den Torr umfassend. Chemische Dampfabscheidungsprozesse (CVD) arbeiten bei 0,1-10 Torr. Physikalische Dampfabscheidung (PVD/Sputtern) erfordert 10⁻³-10⁻² Torr. Ionenimplantationskammern arbeiten bei 10⁻⁶-10⁻⁵ Torr. Prozessrezepte in Halbleiterfabriken geben Drücke in Torr oder Millitorr (mTorr) an.

Dünnschichtabscheidung

Beschichtungstechnologien — von anti-reflektierenden Beschichtungen auf Brillen bis hin zu dekorativen Beschichtungen auf Uhren — verwenden Vakuumabscheidung bei Drücken, die in Torr gemessen werden. Thermische Verdampfung arbeitet bei 10⁻⁵-10⁻⁶ Torr. Elektronenstrahlverdampfung erfordert ähnliche Drücke. Magnetron-Sputtern arbeitet bei 1-10 mTorr.

Wissenschaftliche Forschung

Teilchenbeschleuniger, Oberflächenwissenschaft und Massenspektrometrie arbeiten alle unter Vakuumbedingungen, die in Torr gemessen werden. Der Large Hadron Collider am CERN arbeitet bei Drücken unter 10⁻¹⁰ Torr in seinem Strahlrohr. Oberflächenanalysetools (XPS, AES, STM) erfordern Ultrahochvakuum unter 10⁻⁹ Torr, um Oberflächen während der Analyse sauber zu halten.

Glühbirnen und Vakuumröhren

Glühlampen enthalten Inertgas bei reduziertem Druck, typischerweise 500-700 Torr (leicht unter dem atmosphärischen Druck). Der reduzierte Druck verringert den konvektiven Wärmeverlust von dem Glühfaden. Leuchtstoffröhren enthalten Quecksilberdampf bei ungefähr 0,003-0,01 Torr. Neonreklamen arbeiten bei 1-20 Torr — der genaue Druck beeinflusst die Helligkeit und Farbe des Glühens.

Lebensmittelverpackung

Vakuumverpackungen entfernen Luft auf Drücke von ungefähr 10-50 Torr, wodurch die Haltbarkeit verlängert wird, indem Oxidation und mikrobielle Wachstums reduziert werden. Die Gefriertrocknung (Lyophilisation) von Lebensmitteln wie Instantkaffee und Astronauteneiscreme beinhaltet die Druckreduzierung auf ungefähr 0,1-1 Torr, während das Produkt gefroren ist, wodurch das Eis direkt in Dampf sublimiert.

Blutdruck

Obwohl typischerweise in mmHg und nicht in Torr ausgedrückt, sind Blutdruckmessungen numerisch in beiden Einheiten gleichwertig. Ein normaler Blutdruck von 120/80 mmHg entspricht im Wesentlichen 120/80 Torr. Sphygmomanometer (Blutdruckmanschetten) verwendeten historisch Quecksilbersäulen, die den Druck direkt in mmHg maßen, obwohl moderne digitale Geräte die gleichen Werte elektronisch berechnen.

Thermosflaschen

Vakuumisolierte Behälter (Dewar-Flaschen, Thermosflaschen) halten ein Vakuum von ungefähr 10⁻³-10⁻⁴ Torr zwischen ihren doppelten Wänden. Dieses Vakuum reduziert den Wärmeübergang durch Leitung und Konvektion erheblich und hält heiße Getränke heiß und kalte Getränke kalt für Stunden. Die verspiegelte Innenseite minimiert den strahlenden Wärmeübergang.

Oberflächenwissenschaft

Die Oberflächenwissenschaft erfordert Ultrahochvakuumbedingungen (UHV) unter 10⁻⁹ Torr, um saubere Oberflächen zu untersuchen. Bei atmosphärischem Druck (760 Torr) wird eine saubere Metalloberfläche in ungefähr 3 Nanosekunden von einer Monolage von Gasmolekülen bedeckt. Bei 10⁻⁶ Torr dauert dies etwa 1 Sekunde. Bei 10⁻¹⁰ Torr dauert es etwa 3 Stunden — lange genug, um eine detaillierte Oberflächenanalyse durchzuführen. Diese Beziehung zwischen Druck und Oberflächenkontaminationsrate treibt die Notwendigkeit für extremes Vakuum in der Oberflächenwissenschaft voran.

Massenspektrometrie

Massenspektrometer benötigen Vakuumbedingungen, damit Ionenstrahlen reisen können, ohne mit Hintergrundgasmolekülen zu kollidieren. Quadrupol-Massenspektrometer arbeiten bei 10⁻⁵-10⁻⁶ Torr. Zeitfluginstrumente (TOF) erfordern 10⁻⁶-10⁻⁸ Torr. FT-ICR-Massenspektrometer, die Ionen über längere Zeiträume einfangen, benötigen Drücke unter 10⁻⁹ Torr.

Plasmaphysik

Plasmaverarbeitung — verwendet in der Halbleiterätzung, Plasmareinigung und Fusionsforschung — spezifiziert Bedingungen in Torr. Plasmaätzen arbeitet bei 0,01-1 Torr. Plasma-unterstützte CVD arbeitet bei 0,1-10 Torr. Fusionsreaktoren benötigen ein anfängliches Vakuum unter 10⁻⁸ Torr vor der Plasmazündung.

Weltraumsimulation

Weltraumsimulationskammern replizieren das Vakuum des Weltraums, um Raumfahrzeuge und Instrumente zu testen. Der Druck in niedriger Erdumlaufbahn beträgt ungefähr 10⁻⁷ Torr. Interplanetarer Raum liegt bei etwa 10⁻¹⁴ Torr. Weltraumsimulationskammern erreichen 10⁻⁷-10⁻¹⁰ Torr, kombiniert mit thermischen Zyklen und Simulation von Sonnenstrahlung, um Geräte vor dem Start zu testen.