F4160 Vakuová fyzika 1 Pavel Slavíček email: ps94@sci.muni.cz F4160 1 / 23 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 □ B> 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 □ B> 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, ... □ g - = ^ -OQ.O F4160 4/23 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 rnbar = 100 Pa • 1 torr = 133,322 Pa • 1 atm = 101325 Pa = 760 torr (fyzikální atmosféra) • 1 at = 98066.5 Pa = 0.96784 atm (technická 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 1" http://www.svc.org/HistoryofVacuumCoating/History-of-Vacuum-Coating.cfm" • 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 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 F4160 8/23 LHC Overall view of the LHC exoeriments. 2" http://lhc.web.cern.ch/lhc/" F4160 9/23 ITER3 'www.iter.org" □ s1 - F4160 10 / 23 • Průmyslové aplikace • vytváření tenkých vrstev • výroba elektronických součástek • osvětlovací technika - žárovky, zářivky • chemický průmysl - čisté látky • metalurgie • vakuové manipulátory, pinzety... • přesně definované podmínky procesu, izolace studovaného procesu od okolí, velká střední volná dráha F4160 11 / 23 Tenké vrstvy http:// www. shm-cz.cz/; □ s F4160 12 / 23 TiN- adhesive layer TiAIN - layer with max. hardeness TiAICO I -layerwith optimal stechiometry AITiCO II-layerwith low friction coeffiecient - LUBRIK '' http: //www.shm-cz .cz/" □ g> 13 / 23 Zrcadlové plochy Si0z(l2'W'5cm) *-5Jt/o □ S1 14 / 23 Hubble Space Telescope 6 • výroba 1977-1979 • broušení 1979-1981 • průměr 2,4 m, celková hmotnost lit • přesnost broušení 30 nm • odrazné vrstvy - AI 76.2 nm, fluorid hořčíku - 25.4 nm • vypuštění - 24.4.1990, let STS 31 6http://en. wikipedia.org/wiki/Hubble_Space_Telescope F4160 15 / 23 Výroba CD-ROM, DVD, 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 7" http://www.pfeiffer-vacuum.net/" □ g 16 / 23 Molecular Beam Epitaxy kryopanefy chlazené kapalným dusíkem elektronové délo pro RHEED ohřev podložky a motor s pramennou rychlosti f měrka monitorující tok svazků mechanismus — přenosu vzorku kvádru póiový hmotnostní spektometr rotující držák podložky 'http://www.fzu.cz/oddeleni/povrchy/mbe/index.html" 17 / 23 Experiment na orbitálni dráze • tlak na oběžné dráze raketoplánu ( 500 km) ÍO-8 torr za štítem o průměru 3.6 m , 10~14 torr • 1994 - WSF1 - porucha orientace, STS60 9 • 1995 - WSF2 - porucha MBE, STS69 • 1996 - WSF3 - úspěch 7 vrstev GaAs/AlGaAs, STS80 http://mek.kosmo.cz/piljety/usa/sts/sts-60/index.htm t F4160 18 / 23 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 10"6 10"4 500 io-8 10"6 1000 10-io ÍO"8 2000 IQ"15 ÍO"13 F4160 19 / 23 Závislost tlaku na nadmořské výšce 1e+06 10000 100 1 _ 0.01 es Q_ - 1e-04 J9 1e-06 1e-08 1e-10 1e-12 1e-14 0 500 1000 1500 2000 vyska [km] Tlak na Měsíci InPa = 10"9Pa Tlak v mezihvězdném prostoru 100/iPa — 3/Pa, 10_4Pa — 3.10_15Pa □ s1 - - i ^oao F4160 20 / 23 Rozděleni vakua 1 vakuum tlak [mbar] tlak [Pa] nízké , 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 F4160 21 / 23 Rozděleni vakua 2 vakuum tlak [mbar] tlak [Pa] nízké , 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 _lo-io 10"5 - 10"8 extreme vysoké (XHV) < io-10 <10"8 F4160 22 / 23 Rozděleni vakua vakuum nízké střední (FV) vysoké (HV) UHV, XHV tlak [Pa] 105 - 102 102 - 10"1 10"1 - 1(T5 < ícr5 n [cm-3] 1019 - 1016 1016 - 1013 1013 - 109 <109 A [cm] 105 t[s] < 1(T5 ícr5 -ícr2 10-2 - 102 >102 proudění viskózni Knudsenovo molekulární molekulární F4160 23 / 23