F6450 Vakuová fyzika 2 Pavel Slavíček email: ps94@sci.muni.cz Vakuová fyzika 2 1/32 Osnova • Vázané plyny • Sorpčnívývěvy • kryogenní • zeolitové • sublimační • iontové • getrové - vypařované, nevypárované (NEG) • Měření ve vakuové fyzice • měření proudu plynu • měření tenze par plynu • Konstrukční prvky vakuových zařízení - vhodné materiály, spoje (pevné, rozebíratelné), el.průchodky, přenos pohybu do vakua, ventily, • Povlaková ní Vakuová fyzika 2 2/32 Literatura J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 L. Pátý: Fyzika nízkých tlaků, Academia, Praha 1968 V. Sítko: Vakuová technika, SNTL, Praha 1966 J. Král: Cvičení z vakuové techniky, ČVUT Praha 1996 V. Dubravcová: Vákuová a ultravákuová technika, Alfa, Bratislava 1992 A. Roth: Vacuum technology, Elsevier, 1990 W. Espe: Technológia hmot vákuovej techniky, Slovenská akadémia vied, Bratislava 1960 W.H.Kohl: Handbook of materials and techniques for vacuum devices, AIP Press, 1995 Vakuová fyzika 2 3/32 • T.A.Delchar: Vacuum Physics and Techniques, Chapman-Hall, 1993 • F.OHanlon: A Users Gaude to Vacuum Technology, Wiley (2003) • J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 • Zpravodaje CVS • Firemní katalogy Vakuová fyzika 2 4/32 Literatura - internet www.vakspol.cz www.svc.org www.fzu.cz www.shm-cz.cz lhc.web.cern.ch/lhc/ en.wikipedia.org/wiki/main_page www - stránky výrobců vakuové techniky Rozdělení vakua vakuum tlak [mbar] tlak [Pa] nízké (GV), hrubé, technické 103 - 10° 105 - 102 střední (FV) 10° - ÍO-3 102 - 10-1 vysoké (HV) 10-3 - io~7 10-1 - 10~5 velmi vysoké (UHV) 10~7 - ÍO-10 10~5 - 10~8 extrémně vysoké (XHV) < ÍO"10 <10"8 Rozdělení vakua vakuum střední (FV) vysoké (HV) (UHV) a (XHV) tlak [Pa] 102 - 10_1 10_1 - 1(T5 < ÍO-5 koncentrace [cm-3] 1016 - 1013 1013 - 109 < 109 střední dráha A [cm] 1(T2 - 101 101 - 105 > 105 monovrstva r [s] 1(T5 - 1(T2 10"2 - 102 > 102 typ proudění Knudsenovo molekulární molekulární Proč UHV a XHV vakuum? Vakuová fyzika 2 7/32 1.0e+06 1.0e+04 1.0e+02 03 CL ^ 1.0e+00 03 1 .Oe-02 1.0e-04 - 1.0e-06 1 1 1 1 1 1 Hg - U trubice McLeod loniz.man. - -□Boyle-1660 □ Hawksbee-1704 □ 1850 □ Geissler-1858 □ Sprengel-1865 □ Crookes-1876 □ Edison-1879 □ Fleuss-1894 □ Gimingham-1884 i i i Kahlbaum-1894 □ Gaede-1905 □ Gaede-1912 □ Sherwood-1918 i i i 1650 1700 1750 1800 1850 roky 1900 1950 2000 □ = Vakuová fyzika 2 8/32 Aplikace v mikroelektronice Microprocessor Transistor Counts 1971-2011 & Moore's Law 3 o u ĺ-o -I—■ 'l/l 1= ŕ 2,600,000,000 -i 1,000,000,000- 100,000,000 10,000,000 1B-ÖK» ERÍRC TS ÜH-Cwe CD« 17 1,000,000 100,000 10,000 2,300 irJflfi.. ■ ■ ■ "l Man um 7 Ih 9M5 cschD# curve shows LransisLor iůunl doubling ůvůřy vij íir.-i +10-r^-A Xjocil WňUiTlňťlfl-EX fl-Cíim PÍKWER7 ľ- JuBjlJTfl UM ^uad-L-nne Manům iu«uia i niiŕľiiiiiiHiiliiiľr . "&R-Ciira Otfnran : J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 Vakuová fyzika 2 19/32 Stainless steel blank cleaned 2.7 • ÍO"7 5.4- 10"8 Stainless steel polished cleaned 2 ■ 10"8 4 ÍO"9 Stainless steel pickled heated for 1 hour, 1.4 ■ 10 9 2.8 10"10 Stainless steel bead blasted vented with normal air 3 ■ 10-10 6.5 ■ ÍO11 Steel Ni plated polished cleaned 2 ■ ÍO"7 1.5 108 Steel Cr piated polished cleaned 1.3 10"8 2.2 ÍO"9 Steel rusted 6 ÍO"7 1.6 107 Steel blank cleaned 5- ÍO"7 1 ÍO7 Steel bead blasted cleaned 4- ÍO"7 8 ■ 10"8 Aluminium cleaned 6' ÍO"6 1.7 10s Brass cleaned 1.6 ÍO6 5.6 ÍO"7 Copper cleaned 3.5 ÍO7 9.5 ■ 10-8 firemní materiály firmy Pfeiffer <□► <ßi^ < t ^ -00,0 Vakuová fyzika 2 20 / 32 AFM - sklo Typická křivka čerpání vakuové komory Time (s) Delchar: Vacuum Physics and Techniques, Chapman Hall, \§93 Vakuová fyzika 2 22 / 32 Základní procesy probíhající mezi plynem a povrchem pevné látky o o O W99SS6 odraz molekuly adsorpce o desorpce o Q OTA difúze po povrchu oo QQ W99956 (XXXXXXJ chemická reakce na povrchu ÔÓOOÔÓU difúze do objemu 9999^9-^ difúze z objemu na povrch Plyny adsorbované na povrchu fyzisorpce - slabá vazba, Van der Waalsova vazba, dlouhý dosah m , R0 > 3 x 1(T10 E = A B i?9 R3 chemisorpce - silné chemické vazby, krátký dosah, 1 x 1CT10 m < Rq < 3 x 1CT10 m E = A>(1 — exp[—— i?o)]) Vakuová fyzika 2 25 / 32 kowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 19§1 chemlsorpce i J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 19£jl Vakuová fyzika 2 27 / 32 Koeficient ulpění i v\ = -nva Vlef = 7^1 =^ 7 = ^1 7 = 1, adsorpce každé molekuly, která dopadne na povrch 7 = 0, všechny molekuly se odrazí Vakuová fyzika 2 28 / 32 Stupeň pokrytí Nlp Ni - počet adsorbovaných atomů, N\p - počet volných míst v mono-molekulární vrstvě, pro méně přesné výpočty se bere Nlp = 0,5 x 1015 cm~2 • ů — 0, čistý povrch • ů — 1, zcela pokrytý povrch Koeficient ulpění 1,0 0,9 OJB 0,7 0,6 0,5 OA 0,3 0,2 0,1 0 Cs (N1p = 0,38- )o,a) Wolfram (Ts = 30 i OK) 1 Plyny (T* 300K) - CQt __(N, f ■ 0,55 ■ 10 Hl V 0,2 0,3 O/i 0j5 10a J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 Odhad na základě rozměrů molekul plyn He Ne H2 o2 Ar Nlp[1015 cm"2] 2,42 1,72 1,52 0,87 0,85 plyn N2 CO co2 H20 CH4 Nlp[1015 cm"2] 0,81 0,81 0,53 0,53 0,52 CO na wolframu Ts [K] 300 500 700 900 1100 Nlp[1015 cm"2] 7 0,56 0,45 0,44 0,40 0,42 0,35 0,33 0,33 0,19 0,3 wolfram, 300 K plyn 7 Nlp[1015 cm"2; ů N2 0,3-0,55 0,2-0,55 0,3-0,5 CO 0,2-0,6 0,5-0,65 0,3-0,6 o2 0,2-0,3 0,87 0,7 H2 0,2-0,3 0,4-0,7 0,4-0,5 Cs 1 0,38 —c 1 3--:_