1 Vakuová fyzika 1 Pavel Slavíček email: ps94@sci.muni.cz 2 Osnova: ˇ Úvod a historický vývoj ˇ Volné plyny ˇ Získávání vakua ˇ Měření vakua ˇ Navazující přednášky: ­ Vakuová fyzika 2 Vázané plyny Sorpční vývěvy Měření ve vakuové fyzice Konstrukční prvky vakuových zařízení ­ Experimentální metody a speciální praktikum A 1 3 Literatura ˇ J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 ˇ L. Pátý: Fyzika nízkých tlaků, Academia, Praha 1968 ˇ V. Sítko: Vakuová technika, SNTL, Praha 1966 ˇ V. Dubravcová: Vákuová a ultravákuová technika, Alfa, Bratislava 1992 ˇ A. Roth: Vacuum technology, Elsevier, 1990 ˇ Zpravodaje CVS ˇ Firemní katalogy 4 ˇ Vakuum je označení pro stav systému, který obsahuje plyny, nebo páry, pokud je jejich tlak menší než tlak atmosférický. ˇ Jednotky tlaku: ˇ Pa[Nm-2 ] - jednotka v soustavě SI ˇ 1 bar = 105 Pa ˇ 1 mbar = 100 Pa ˇ 1 torr = 133, 322 Pa ˇ 1 atm = 101325 Pa = 760 torr 5 Historický vývoj ˇ 1643 - E.Torricelli, první vakuum ˇ 1654 - O. von Guericke, magdeburské polokoule ˇ 1855 - Geissler, výboje v plynech ˇ 1874 - H.G.Mac-Leod, kompresní manometr ˇ 1906 - Pirani, tepelný manometr ˇ 1912 - W. Gaede, molekulární vývěva ˇ 1913 - W. Gaede, difúzní vývěva ˇ 1916 - Buckley, ionizační manometr ˇ 1936 - Pennig, výbojový manometr s magnetickým polem ˇ 1958 - Becker, turbomolekulární vývěva 6 Využití vakua ˇ Věda a výzkum ­ diagnostické metody ­ plazmochemické reaktory ­ urychlovače částic ­ termojaderné reaktory ˇ Průmyslové aplikace ­ vytváření tenkých vrstev ­ výroba elektronických součástek ­ osvětlovací technika 7 Závislost tlaku na nadmořské výšce výška [km] tlak [mbar] tlak [Pa] 0 103 105 11 102 104 50 10-2 100 100 10-3 10-1 200 10-6 10-4 1000 10-10 10-8 2000 10-15 10-13 8 Rozdělení vakua vakuum tlak [mbar] tlak [Pa] nízké 103 - 100 105 - 102 hrubé, technické střední 100 - 10-3 102 - 10-1 vysoké 10-3 - 10-7 10-1 - 10-5 extrémně vysoké < 10-7 < 10-5 9 Vlastnosti plynů ˇ Plyny volné ­ plyny v statickém stavu ­ plyny v dynamickém stavu ˇ Plyny vázané ­ plyny vázané na povrchu, nebo v objemu pevné látky 10 Volné plyny v statickém stavu ˇ Avogadrův zákon: Stejné objemy různých plynů obsahují při témže tlaku a teplotě stejný počet molekul. ˇ Mol je počet gramů stejnorodé látky číselně rovný molekulové hmotnosti ˇ Jeden mol různých plynů má při stejném tlaku a teplotě vždy týž objem, za tzv. normálních podmínek Vm = 22415cm3 mol-1 . ˇ Avogadrovo číslo určuje počet molekul v jednom molu NA = 6, 023.1023 , tento počet je pro všechny látky stejný. ˇ Loschmidtovo číslo je podíl Avogadrova čísla a objemu molu NL = NA Vm = 2, 69.1019 (za normálních podmínek), udává počet molekul v objemu 1 cm-3 . ˇ normální podmínky : tlak p = 101324 Pa; teplota T = 273 K 11 0 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.001 0.0012 0.0014 0.0016 0.0018 0.002 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 fv v [ms -1 ] Teplota T=300 K, M=28, N2 Maxwellův rozdělovací zákon 12 fv = 1 N dN dv fv = 4 m 0 2kT 3/2 v2 exp - m0v2 2kT n ejpravděpodobnější rychlost vp = 2 kT m0 střední kvadratická rychlost ve = 3 2 vp = 3 kT m0 střední aritmetická rychlost va = 4 vp = 8 kT m0 13 0 0.0005 0.001 0.0015 0.002 0.0025 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 fv v [ms -1 ] Teplota T=300 K M=39, Ar M=20, Ne M=4, He Maxwellův rozdělovací zákon - různé plyny 14 střední kinetická energie molekul 1 2 m0v2 ef = 3 2 kT vztah mezi tlakem, koncentrací a teplotou p = nkT střední volná dráha molekul = 1 2nd2 n - je koncentrace, d - efektivní průměr molekuly stavová rovnice pro ideální plyn pV T = p0V0 T0 15 stavová rovnice pro ideální plyn, látkové množství m molů pV T = mR R - je univerzální plynová konstanta, R = kNa Daltonův zákon parciálních tlaků p = ji =1 pi počet srážek molekul se stěnou o ploše 1 cm2 za dobu 1 s 1 = 1 4 nva va je střední aritmetická rychlost 16 Volné plyny v dynamickém stavu ve vakuovém systému jsou různé teploty, nebo tlaky, dochází k přenosu energie, nebo k proudění plynů Proudění plynů ˇ turbulentní (vířivé) ˇ laminární (viskózní) ˇ molekulární Knudsenovo číslo Kn = X ˇ Kn > 100 turbulentní nebo laminární proudění ˇ 1 < Kn < 100 přechodová oblast, Knudsenovo proudění ˇ Kn < 1 molekulární proudění 17 ˇ laminární proudění - nízké vakuum ˇ Knudsenovo proudění - střední vakuum ˇ molekulární proudění - vysoké a extrémně vysoké vakuum Proud plynu je množství plynu procházející za 1 s určitým průřezem I = p d V d p Tok plynu S = d V d p tok plynu na hrdle vývěvy se označuje jako čerpací rychlost vývěvy I = pS 18 Vakuová vodivost [cm3 s-1 , m3 s-1 ] G = I p2 - p1 Vodivost kruhového potrubí ˇ pro molekulární proudění GM = AD3 L ˇ pro laminární proudění GL = Aps D4 L ˇ pro Knudsenovo proudění G = GL + aGM ­ D - průměr potrubí ­ L - délka potrubí ­ A - číselná konstanta závislá na zvolených jednotkách a proudícím plynu ­ a - koeficient, pro vzduch a teplotu 300 K, a . = 0, 9 19 Příklad: Vývěva připojená trubicí s vodivostí G, pak platí: I = G(p2 - p1), I = p1S1, I = p2S2 můžeme vyjádřit S2 S2 = S1 1 1 + S1 G S2 < S1 pokud S1 je čerpací rychlost vývěvy, pak čerpací rychlost na konci trubice S2 je vždy menší. Závěr: Vývěvu musíme spojovat s čerpaným systémem trubicí s co největší vodivostí. 20 Vázané plyny ˇ adsorpce - proces ulpívání molekul na povrchu ­ fyzisorpce ­ chemisorpce ˇ absorpce - proces pronikání molekul do pevné látky ˇ koeficient ulpění - = 1ef 1 ­ 1ef - počet efektivních srážek ­ 1 - počet všech srážek ˇ stupeň pokrytí - S = N1 N1p ­ N1 - počet adsorbovaných molekul na jednotce povrchu ­ N1p - počet volných míst na jednotce povrchu pro monomolekulární vrstvu ˇ orientační hodnota N1p = 0.5 1015 cm-2 21 doba pobytu molekul na povrchu tp = tp0 exp W des RTs d oba úplného pokrytí povrchu monomolekulární vrstvou tp = N1p 1ef = N1p 2 k Na TM0 1 p počet desorbovaných molekul plynu z povrchu 1 cm2 za 1 s des = N tp0 exp - Wdes RTs 22 vakuum nízké střední vysoké extrémně vysoké tlak [mbar] 103 - 100 100 - 10-3 10-3 - 10-7 < 10-7 koncentrace [cm-3 ] 1019 - 1016 1016 - 1013 1013 - 109 < 109 střední dráha [cm] < 10-2 10-2 - 101 101 - 105 > 105 monovrstva [s] < 10-5 10-5 - 10-2 10-2 - 102 > 102 typ proudění viskózní Knudsenovo molekulární molekulární 23 Rozdělení vývěv ˇ Transportní vývěvy ˇ Sorpční vývěvy Základní parametry vývěv ˇ Mezní tlak ˇ Rozsah pracovních tlaků ˇ Čerpací rychlost ˇ Maximální výstupní tlak 24 Transportní vývěvy ˇ Mechanické vývěvy ­ S periodicky se měnícím pracovním prostorem Pístové Membránové Rotační olejové ­ S neproměnným pracovním prostorem Rootsovy Molekulární Turbomolekulární ˇ Paroproudové vývěvy ­ Vodní vývěvy ­ Ejektorové ­ Difúzní ˇ Založené na tepelné transpiraci, nebo ionizaci molekul 25 Rotační vývěva 26 Rotační vývěva ˇ pracuje od atmosférického tlaku ˇ mezní tlak kolem 10-2 Pa ˇ počet otáček 300 - 600 min-1 ˇ do čerpaného prostoru se dostávají páry oleje ˇ vibrace ˇ olej ­ utěsňuje a vyrovnává nerovnosti povrchu ve vývěvě ­ zmenšuje tření, zlepšuje chlazení ­ vyplňuje škodlivý prostor ˇ požadavky na olej ­ nízká tenze par 10-3 Pa ­ vhodné mazací vlastnosti ­ stálost proti štěpení a oxidaci 27 Membránová vývěva 28 Membránová vývěva ˇ pracuje od atmosférického tlaku ˇ mezní tlak 102 Pa ˇ suchá vývěva, bez oleje ˇ zpravidla více komor ­ řazení sériové - nižší mezní tlak ­ řazení paralelní - větší čerpací rychlost 29 Rootsova vývěva 30 Rootsova vývěva ˇ potřebuje předčerpat na tlak asi 102 Pa ˇ mezní tlak 10-3 Pa ˇ počet otáček 1000 min-1 ˇ suchá vývěva, bez oleje ˇ velká čerpací rychlost ˇ mezera mezi rotory 10-1 mm ˇ vícestupňové provedení pracuje i od atmosférického tlaku 31 Molekulární vývěva 32 Molekulární vývěva ˇ potřebuje předčerpat na tlak asi 101 Pa ˇ mezní tlak 10-4 Pa ˇ počet otáček 10000 min-1 ˇ suchá vývěva, bez oleje ˇ mezera mezi rotorem a tělem vývěvy 10-1 mm 33 Turbomolekulární vývěva 34 Turbomolekulární vývěva ˇ potřebuje předčerpat nejčastěji membránovou, nebo rotační vývěvou ˇ mezní tlak 10-9 Pa ˇ počet otáček až 90000 min-1 ˇ suchá vývěva, bez oleje ˇ mezera mezi rotorem a statorem 100 mm ˇ čerpá selektivně, lépe čerpá těžší molekuly 35 Difúzní vývěva 36 Difúzní vývěva ˇ potřebuje předčerpat nejčastěji rotační vývěvou ˇ mezní tlak 10-7 Pa ˇ pracovní kapalina Hg, parafín, nejčastěji olej ˇ požadavky na pracovní kapalinu ­ nízká tenze par ­ stálost při provozu - odolnost proti štěpení ­ odolnost proti oxidaci ˇ jednoduchá konstrukce; jedno, nebo vícestupňové provedení 37 K zamezení vniku olejových par do čerpaného prostoru se používají: ˇ lapače par - zpravidla chlazené vodou ˇ vymrazovačky - nejčastěji chlazené tekutým dusíkem Použití těchto zařízení snižuje čerpací rychlost vývěvy. V současné době je trend nahradit rotační olejové vývěvy suchými vývěvami (membránové, scroll,... ), které nepoužívají při čerpání olej, nebo jiné kapaliny a nahradit difúzní vývěvy turbomolekulárními vývěvami. 38 Sorpční vývěvy ˇ Kryogenní vývěvy ˇ Zeolitové vývěvy ˇ Sublimační vývěvy ˇ Iontové vývěvy ˇ Getrové vývěvy 39 HeN2 Kryogenní vývěva 40 Kryogenní vývěva ˇ dominantní proces je kondenzace ˇ dobře čerpá všechny plyny, které při dané teplotě kondenzují ˇ většina plynu - kryokondenzace ˇ Ne, H2, He - kryosorbce ˇ chlazení kapalné He - 4K, H2 - 20K, N2 - 77K, pracuje od 105 Pa ˇ získávání vysokého a extrémně vysokého vakua ˇ velká čerpací rychlost 41 Zeolitová vývěva 42 Zeolitová vývěva ˇ dominantní proces je fyzisorpce ˇ dobře čerpá H2O, N2, O2, uhlovodíky ˇ špatně čerpá plyny např. Ne, He, H2, ... ˇ velký povrch, 1g 1000m2 , pracuje od 105 Pa ˇ dutiny a kanálky 1nm ˇ dá se regenerovat při vysoké teplotě ˇ zvětšení účinnosti snížením teploty zeolitu (tekutý dusík 77 K) 43 Sublimační vývěva 44 Sublimační vývěva ˇ dominantní proces je chemisorpce ˇ dobře čerpá H2, H2O, N2, CO, CO2, O2 ˇ nečerpá inertní plyny např. Ne, Ar, ... ˇ opakované vytváření čistého povrchu kovu, pracuje od 10-4 Pa ˇ získávání vysokého a extrémně vysokého vakua ˇ zvětšení účinnosti snížením teploty pohlcujícího povrchu Prodleva při rozprašování titanu (90s puls) tlak [Pa] 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 prodleva 5min 15min 30min 1h 8h 45 - + B A K Iontová vývěva 46 Iontová vývěva ˇ procesy chemisorpce, difúze do objemu,ionizace a následná implantace iontů, trapping částic ˇ dobře čerpá H2, H2O, N2, CO, CO2, O2 ˇ čerpá i inertní plyny např. Ne, Ar, ... ˇ čistý povrch kovu, rozprašování Ti katody, doutnavý výboj v magnetickém poli , pracuje od 10-4 Pa ˇ získávání vysokého a extrémně vysokého vakua ˇ různé konstrukční provedení ­ se studenou katodou ­ se žhavenou katodou 47 Getrová vývěva 48 Getrová vývěva ˇ dominantní proces je chemisorpce a difúze do objemu ˇ dobře čerpá H2, H2O, N2, CO, CO2, O2 ˇ nečerpá inertní plyny např. Ne, Ar, ... ˇ čistý povrch kovu, aktivace vyšší teplotou, pracuje od 10-4 Pa ˇ získávání vysokého a extrémně vysokého vakua ˇ složení kovu ­ jedna složka - Ti, Zr ­ dvě složky - ZrFe,..., aktivace 700 - 900 C ­ tři složky - ZrVFe( 450 C), TiZrV( 200 C)