F4160 Vakuová fyzika 1 Pavel Slavíček email: ps94@sci.muni.cz n &> - = ■= -00*0 Osnova: • Úvod a historický vývoj • Volné plyny • statický stav plynů • dynamický stav plynů • Získávání vakua - vývevy s transportem molekul z čerpaného prostoru • vývevy s periodicky se měnícím prostorem • vývevy s neproměnným pracovním prostorem • paroproudové vývěvy • Měření vakua • měření celkových tlaků • měření parciálních tlaků • hledání netěsností ve vakuových systémech □ &> Navazující přednášky: • Vakuová fyzika 2 - F6450 • Vázané plyny • Sorpční vývěvy • Měření ve vakuové fyzice • měření proudu plynu • měření tenze par • Konstrukční prvky vakuových zařízení • Experimentální metody a speciální praktikum A f - F754f • Fyzika nízkých teplot - F8450 n &> - = ■= -00*0 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 • Zpravodaje CVS • Firemní katalogy • internet: www - stránky výrobců vakuové techniky, ... 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) • 1 psi = 6890 Pa • ípsf = 47.8 Pa Historický vývoj 1643 - E.Torricelli, první vakuum 1654 - O. von Guericke, Magdeburské polokoule 1855 - Geissler, výboje v plynech, rtuťová vývěva 1874 - H.G.Mac-Leod, kompresní manometr 1892 - Fleussova pístová vývěva, průmyslová výroba žárovek 1892 - Dewarova nádoba 1906 - Pirani, tepelný manometr 1912 - W. Gaede, molekulární vývěva 1913 - W. Gaede, difúzni vývěva 1916 - Buckley, ionizační manometr 1925 - Fyzika nízkých tlaků, jako samostatný obor 1926 - olejová difúzni vývěva • 1929 - kapacitní manometr • 1936 - neopren • 1936 - Penning, výbojový manometr s magnetickým polem • 1950 - Bayard-Alpert - ionizační manometr se žhavenou katodou • 1954 - Alpert - Omegatron • 1958 - Becker, turbomolekulární vývěva • 1967 - komerční kvadrupolový spektrometr "http://www.svc.org/HistoryofVacuumCoating/History-of-Vacuum- Coating.cfm" n &> - = ■= -00*0 Využití vakua • Věda a výzkum • diagnostické metody • elektronový mikroskop • hmotový spektrometr • optický vakuový spektrometr plazmochemické reaktory • urychlovače částic - CERN, LHC délka 27 km • termojaderné reaktory - ITER, objem 834 m3 n &> - = ■= -00*0 " http://lhc.web.cern.ch/lhc/" □ g š -OQ.O /fr www.iter.org' □ s> • 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 " http://www.shm-cz.cz/" □ S - = -e -o<\(y Ti N- adhesive layer TiAIN - layer with max. hardeness TiAICO I -layerwith optimal stechiometry AITiCO II -layerwith low friction coeffiecient - LUBRIK " http://www.shm-cz.cz/" □ s Zrcadlové plochy ~Si02(2.2-W'5cm) <—Cr(*3-10~scm) —Skla Hubble Space Telescope • broušení 1979-1981 • průměr 2,4 m; celková hmotnost 11 t • přesnost broušení 30 nm • odrazné vrstvy - AI 76.2 nm, fluorid hořčíku - 25.4 nm • vypuštění- 24.4.1990, let STS 31 □ s •T) C\0 Výroba CDROM, DVD, ... É. s^«- Multi Layer Metalizer ► DVD-RAM, DVD±RW, DVD Blue-ray, ■ and CD-RW sputtering system ». 9 sputtering chambers, 9 relaxation chambers, and 1 load-lock ► Very high layer uniformity ► Low disk temperature ► Disk rotates during the deposition for minimum layer's roughness ► All-in-one plug & play system 'http: //www. pfeiffer-vacuum.net/'1 - 1 ^^r> Molecular Beam Epitaxy kryo panely chlazené kapalným dusíkem elektronové dělo pro RHEED ohřev podložky a motor s pramennou rychlostí měrka monitorujíc! tok svazků kvádru pólový hmotnostní spektometr rotující držák podložky " http://www.fzu.cz/oddeleni/povrchy/mbe/index.html" Experiment na orbitální dráze - MBE • tlak na oběžné dráze raketoplánu ( 500 km) 10~8 torr • za štítem o průměru 3.6 m , 10~14 torr • 1994 - WSFl - porucha orientace, STS60 • 1995 - WSF2 - porucha MBE, STS69 • 1996 - WSF3 - úspěch 7 vrstev GaAs/AlGaAs, STS80 Tlak na Měsíci lnPa = 10"9Pa Tlak v mezihvězdném prostoru 100/xPa - SfPa, 10"4Pa - 3.10"15Pa Závislost tlaku na nadmořské výšce výška [km] tlak [mbar] tlak [Pa] 0 103 105 11 102 104 50 10"2 10° 100 10"3 ÍO"1 200 10"6 ÍO"4 500 ÍO"8 10"6 1000 10-io ÍO"8 2000 ÍO"15 ÍO"13 Závislost tlaku na nadmořské výšce 1000 vyska [km] 2000 □ ö1 - = = -4~) c\ (y Rozdělení vakua 1 vakuum tlak [mbar] tlak [Pa] nízké (GV), hrubé, technické 103 - 10° 105 - 102 střední (FV) 10° - 10"3 102 - 10"1 vysoké (HV) 10"3 - 10"7 10"1 - 10"5 velmi vysoké (UHV) < 10"7 < 10"5 Rozdělení vakua 2 vakuum tlak [mbar] tlak [Pa] nízké (GV), hrubé, technické 103 - 10° 105 - 102 střední (FV) 10° - 10"3 102 - 10"1 vysoké (HV) KT3 - KT7 10"1 - 10"5 velmi vysoké (UHV) 10-7 _10-1° 10"5 - 10"8 extreme vysoké (XHV) < IQ"10 <10"8 Rozdělení vakua vakuum nízké střední vysoké extrémně vysoké tlak [Pa] 105 - 102 102 -ícr1 ícr1 -ícr5 < KT5 n [cm-3] 1019 - 1016 1016 - 1013 1013 - 109 <109 A [cm] 105 t[s] < KT5 ícr5 -ícr2 KT2 - 102 >102 proudění viskózni Knudsenovo molekulární molekulární