Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 1 F4160 Vakuová fyzika 1 Pavel Slavíček email: ps94@sci.muni.cz Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 2 Osnova: ˇ Úvod a historický vývoj ˇ Volné plyny ­ statický stav plynů ­ dynamický stav plynů ˇ Získávání vakua - vývěvy s transportem molekul z čerpaného prostoru ­ vývěvy s periodicky se měnícím prostorem ­ vyvěvy s neproměnným pracovním prostorem ­ paroproudové vývěvy ˇ Měření vakua ­ měření celkových tlaků ­ měření parciálních tlaků ­ hledání netěsností ve vakuových systémech Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 3 Navazující přednášky: ˇ Vakuová fyzika 2 - F6450 ­ Vázané plyny ­ Sorpční vývěvy ­ Měření ve vakuové fyzice měření proudu plynu měrění tenze par ­ Konstrukční prvky vakuových zařízení ˇ Experimentální metody a speciální praktikum A 1 - F7541 Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 4 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 Jaroslav Král: Cvičení z vakuové techniky, ČVUT Praha 1996 ˇ V. Dubravcová: Vákuová a ultravákuová technika, Alfa, Bratislava 1992 ˇ A. Roth: Vacuum technology, Elsevier, 1990 ˇ W.Espe: Technologia hmot vákuovej techniky, Slovenská akadémia vied, Bratislava 1960 ˇ Zpravodaje CVS ˇ Firemní katalogy ˇ internet, www - stránky výrobců vakuové techniky, ... Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 5 Úvod ˇ Vakuum je označení pro stav systému, který obsahuje plyny, nebo páry, pokud je jejich tlak menší než tlak atmosférický. ˇ Jednotky tlaku: ˇ P a[Nm-2 ] - jednotka v soustavě SI ˇ 1 bar = 105 P a ˇ 1 mbar = 100 P a ˇ 1 torr = 133, 322 P a ˇ 1 atm = 101325 P a = 760 torr (fyzikální atmosféra) Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 6 Historický vývoj ˇ 1643 - E.Torricelli, první vakuum ˇ 1654 - O. von Guericke, magdeburské polokoule ˇ 1855 - Geissler, výboje v plynech, rtuťová vývěva ˇ 1874 - H.G.Mac-Leod, kompresní manometr ˇ 1892 - Fleussova pístová vývěva, průmyslova výroba žárovek ˇ 1906 - Pirani, tepelný manometr ˇ 1912 - W. Gaede, molekulární vývěva Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 7 ˇ 1913 - W. Gaede, difúzní vývěva ˇ 1916 - Buckley, ionizační manometr ˇ 1925 - Fyzika nízkých tlaků, jako samostatný obor ˇ 1936 - Penning, výbojový manometr s magnetickým polem ˇ 1954 - Alpert - omegatron ˇ 1958 - Becker, turbomolekulární vývěva Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 8 Využití vakua ˇ 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 m3 Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 9 ˇ Průmyslové aplikace ­ vytváření tenkých vrstev ­ výroba elektronických součástek ­ osvětlovací technika - žárovky, zářivky ­ chemický průmysl - čisté látky ­ metalurgie ˇ přesně definované podmínky procesu, izolace studovaného procesu od okolí, velká střední volná dráha Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 10 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 10-4 500 10-8 10-6 1000 10-10 10-8 2000 10-15 10-13 Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 11 Závislost tlaku na nadmořské výšce 1e-14 1e-12 1e-10 1e-08 1e-06 1e-04 0.01 1 100 10000 1e+06 0 500 1000 1500 2000 tlak[Pa] vyska [km] Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 12 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 Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 13 Rozdělení vakua vakuum nízké střední vysoké extrémně vysoké tlak [P a] 105 - 102 102 - 10-1 10-1 - 10-5 < 10-5 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 Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 14 Teoretické základy vakuové fyziky Plyny ˇ Plyny volné ­ plyny v statickém stavu, konstantní teplota a tlak v celém objemu ­ plyny v dynamickém stavu, různé teploty a tlak ˇ Plyny vázané ­ plyny vázané na povrchu, nebo v objemu pevné látky Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 15 Volné plyny v statickém stavu Ideální plyn, předpoklady: ˇ molekuly a atomy plynu jsou velmi malé ve srovnání se vzdáleností mezi nimi ˇ molekuly a atomy plynu na sebe nepůsobí přitažlivými silami ˇ molekuly a atomy plynu jsou v neustálem náhodném pohybu ˇ molekuly a atomy plynu se neustále srážejí mezi sebou navzájem a se stěnami nádoby ˇ tyto srážky jsou dokonale pružné Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 16 Základní pojmy a zákony ˇ tlak plynu: nárazy molekul a atomů plynu na rovinnou stěnu o povrchu S se projevují, jako tlaková síla F na stěnu p = F S ˇ molekulová (atomová) hmotnost M : poměr hmotnosti molekuly dané látky a 1 12 hmotnosti atomu uhlíku 12 6 C 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 1 mol různých plynů má při stejném tlaku a teplotě vždy týž objem, za tzv. normálních podmínek Vm = 22415cm3 mol-1 . ˇ normální podmínky : tlak p = 101324 P a; teplota T = 273 K Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 17 ˇ Avogadrovo číslo určuje počet molekul v jednom molu NA = 6, 023.1023 mol-1 , 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 cm3 . ˇ Daltonův zákon parciálních tlaků p = j i=1 pi Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 18 Stavová rovnice plynu stavová rovnice pro ideální plyn, látkové množství n kilomolů pV T = nR R - je univerzální plynová konstanta, R = kNA R = 8310 [Jkmol-1 K-1 ], k = 1.38.10-23 [JK-1 ], NA = 6, 023.1026 [kmol-1 ] pV T = nR = m M R Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 19 Maxwellův rozdělovací zákon fv(v, T, m0) = 1 N dN dv pravděpodobnost, že dN molekul má rychlost v intervalu < v, v + dv > fv(v, T, m0) = 4 m0 2kT 3/2 v2 exp - m0v2 2kT pravděpodobnost, že molekula má při dané teplotě rychlost v intervalu < 0, > 0 fv(v)dv = 1 Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 20 nejpravděpodobnější rychlost vp = 2kT m0 střední kvadratická rychlost ve = 3 2 vp = 3kT m0 střední aritmetická rychlost va = 4 vp = 8kT m0 Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 21 Maxwellův rozdělovací zákon 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 Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 22 Maxwellův rozdělovací zákon - různé plyny 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 Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 23 Maxwellův rozdělovací zákon - různé teploty 0 0.0005 0.001 0.0015 0.002 0.0025 0.003 0.0035 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 fv v [ms-1 ] Plyn M=28, N2 T=100 K T=300 K T=1000 K Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 24 Střední volná dráha je průměrná vzdálenost mezi dvěma po sobě následujícími srážkami molekul(atomů) plynu. střední volná dráha molekul = 1 2nd2 n - je koncentrace, d - efektivní průměr molekuly zpřesnění = 1 2nd2 1 1 + T T T je Sutherlandova konstanta pro daný plyn Vakuová fyzika 1, P.Slavíček 25 Střední volná dráha - Sutherlandova konstanta Plyn Ne Ar He N2 O2 CO2 H2O T[K] 55 145 80 110 125 254 650