Vakuová fyzika 1, RSlavíček 1 F4160 Vakuová fyzika 1 Pavel Slavíček email: ps94@sci.muni.cz Vakuová fyzika 1, RSlavíček 2 Osnova: • Úvod a historický vývoj • Volné plyny - statický stav plynů - dynamický stav plynů • Získávání vakua - vývěvy s transportem molekul z čerpaného prostoru - vývěvy s periodicky se měnícím prostorem - vyvěvy s neproměnným pracovním prostorem - paroproudové vývěvy • Měření vakua - měření celkových tlaků - měření parciálních tlaků - hledání netěsností ve vakuových systémech Vakuová fyzika 1, RSlavíček 3 Navazující přednášky: • Vakuová fyzika 2 - F6450 - Vázané plyny - Sorpčnívývěvy - Měření ve vakuové fyzice * měření proudu plynu * měrění tenze par - Konstrukční prvky vakuových zařízení • Experimentální metody a speciální praktikum A 1 - F7541 Vakuová fyzika 1, RSlavíček 4 Literatura • J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 • L. Pátý: Fyzika nízkých tlaků, Academia, Praha 1968 • V. Sítko: Vakuová technika, SNTL, Praha 1966 • Jaroslav 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 • Zpravodaje CVS • Firemní katalogy • internet, www - stránky výrobců vakuové techniky,... Vakuová fyzika 1, RSlavíček 5 Úvod • Vakuum je označení pro stav systému, který obsahuje plyny, nebo páry, pokud je jejich tlak menší než tlak atmosférický. • Jednotky tlaku: • Pa[Nm~2] - jednotka v soustavě SI • 1 bar = 105 Pa • 1 mbar = 100 Pa • 1 torr = 133, 322 Pa • 1 atm = 101325 Pa = 760 torr (fyzikální atmosféra) Vakuová fyzika 1, RSlavíček 6 Historický vývoj • 1643 - E.Torricelli, první vakuum • 1654 - O. von Guericke, magdeburské polokoule • 1855 - Geissler, výboje v plynech, rtutová vývěva • 1874 - H.G.Mac-Leod, kompresní manometr • 1892 - Fleussova pístová vývěva, průmyslová výroba žárovek • 1906 - Pirani, tepelný manometr • 1912 - W. Gaede, molekulární vývěva Vakuová fyzika 1, RSlavíček 7 • 1913 - W. Gaede, difúzni vývěva • 1916 - Buckley, ionizační manometr • 1925 - Fyzika nízkých tlaků, jako samostatný obor • 1936 - Penning, výbojový manometr s magnetickým polem • 1954 - Alpert - omegatron • 1958 - Becker, turbomolekulární vývěva Vakuová fyzika 1, RSlavíček 8 Využití vakua • Věda a výzkum - diagnostické metody * elektronový mikroskop * hmotový spektrometr * optický vakuový spektrometr - plazmochemické reaktory - urychlovače částic - CERN, LHC délka 27km - termojaderné reaktory - ITER, objem 834 m 3 Vakuová fyzika 1, RSlavíček 9 • Průmyslové aplikace - vytváření tenkých vrstev - výroba elektronických součástek - osvětlovací technika - žárovky, zářivky - chemický průmysl - čisté látky - metalurgie • přesně definované podmínky procesu, izolace studovaného procesu od okolí, velká střední volná dráha Vakuová fyzika 1, RSlavíček 10 Závislost tlaku na nadmořské výšce výška [km] tlak [mbar] tlak [Pa] 0 103 105 11 102 104 50 io-2 10° 100 10-3 ío-1 200 io-6 io-4 500 io-8 ÍO"6 1000 10-io io-8 2000 io-15 io-13 Závislost tlaku na nadmořské výšce 1e+06 1e-14 1-1-1-1-1 0 500 1000 1500 2000 vyska [km] Vakuová fyzika 1, RSlavíček 12 Rozdělení vakua vakuum tlak [mbar] tlak [Pa] nízké hrubé, technické 103 - 10° 105 - 102 střední 10° - 10-3 102 - ío-1 vysoké 10-3 _ 1Q-7 ío-1 - ÍO-5 extrémně vysoké < io-7 < ÍO-5 Vakuová fyzika 1, RSlavíček 13 Rozdělení vakua vakuum nízké střední vysoké extrémně vysoké tlak [Pa] 105 - 102 102 - 10_1 10"1 - 10~5 < 10-5 koncentrace [cm-3] 1019 - 1016 1016 - 1013 1013 - 109 < 109 střední dráha A [cm] < 10~2 10~2 - 101 101 - 105 > 105 monovrstva r [s] < 10-5 10" 5 - 10" 2 10-2 - 102 > 102 typ proudění viskózni Knudsenovo molekulární molekulární Vakuová fyzika 1, RSlavíček 14 Teoretické základy vakuové fyziky Plyny • Plyny volné - plyny v statickém stavu, konstantní teplota a tlak v celém objemu - plyny v dynamickém stavu, různé teploty a tlak • Plyny vázané - plyny vázané na povrchu, nebo v objemu pevné látky Vakuová fyzika 1, RSlavíček 15 Volné plyny v statickém stavu Ideální plyn, předpoklady: • molekuly a atomy plynu jsou velmi malé ve srovnání se vzdáleností mezi nimi • molekuly a atomy plynu na sebe nepůsobí přitažlivými silami • molekuly a atomy plynu jsou v neustálém náhodném pohybu • molekuly a atomy plynu se neustále srážejí mezi sebou navzájem a se stěnami nádoby • tyto srážky jsou dokonale pružné Vakuová fyzika 1, RSlavíček 16 Základní pojmy a zákony • tlak plynu: nárazy molekul a atomů plynu na rovinnou stěnu o povrchu S se projevují, jako tlaková síla F na stěnu p = ^ • molekulová (atomová) hmotnost M : poměr hmotnosti molekuly dané látky a hmotnosti atomu uhlíku *2C • Avogadrův zákon: Stejné objemy různých plynů obsahují při temže tlaku a teplotě stejný počet molekul. • Mol je počet gramů stejnorodé látky číselně rovný molekulové hmotnosti • 1 mol různých plynů má při stejném tlaku a teplotě vždy týž objem, za tzv. normálních podmínek = 22415cm3mo/_1. • normální podmínky : tlak p = 101324 Pa; teplota T = 273 K Vakuová fyzika 1, RSlavíček 17 • Avogadrovo číslo určuje počet molekul v jednom molu NA = 6, 023.1023mo/_1, tento počet je pro všechny látky stejný. • Loschmidtovo číslo je podíl Avogadrova čísla a objemu molu NL = ^r1 = 2, 69.1019 (za normálních podmínek), udává počet molekul * m v objemu 1 cm3. • Daltonův zákon parciálních tlaků p = y%=i Pí Vakuová fyzika 1, RSlavíček 18 Stavová rovnice plynu stavová rovnice pro ideální plyn, látkové množství n kilomolů pV — = nR T R - je univerzální plynová konstanta, R = kNA R = 8310 [Jkmol^K-1], k = l^AO-^JR-1], NA = 6,023.1026[femoZ-1] > v m — = n R = —R T M Vakuová fyzika 1, RSlavíček 19 Maxwelluv rozdělovači zákon 1 dN fv(v,T,m0) — N dv pravděpodobnost, že dN molekul má rychlost v intervalu < v, v + dv > fv(v, T, m0) - 4tt y- j vzexp pravděpodobnost, že molekula má při dané teplotě rychlost v intervalu < 0, oo > 2kT /•OO / fv(v)dv = 1 Jo Vakuová fyzika 1, RSlavíček 20 nejpravděpodobnější rychlost střední kvadratická rychlost p ^ 2kT m0 V o = \ / Vrt = 2"p~\ 3feT m0 strední aritmetická rychlost 4 —v 7T \ 8kT Tvm0 Maxwelluv rozdělovači zákon Teplota T=300 K, M=28, N2 1400 v [ms" ] Maxwelluv rozdělovači zákon - různé plyny Teplota T=300 K 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 v [ms"1] Maxwelluv rozdělovači zákon - různé teploty Vakuová fyzika 1, RSlavíček 24 Střední volná dráha je průměrná vzdálenost mezi dvěma po sobě následujícími srážkami molekul(atomů) plynu. střední volná dráha molekul _ 1 ~~ V2ri7vd2 n - je koncentrace, d - efektivní průměr molekuly zpřesnění A = VŽnTrd2 1 + ^ T\ je Sutherlandova konstanta pro daný plyn Vakuová fyzika 1, RSlavíček 25 Střední volná dráha - Sutherlandova konstanta Plyn Ne Ar H e iV2 o2 co2 HrO T\[K] 55 145 80 110 125 254 650