F6450 Vakuová fyzika 2 Pavel Slavíček email: ps94@sci.muni.cz Vakuová fyzika 2 1/32 Osnova • Vázané plyny • Sorpčnívývěvy • kryogenní • zeolitové • sublimační • iontové • getrové - vypařované, nevypárované (NEG) • Měření ve vakuové fyzice • měření proudu plynu • měření tenze par plynu • Konstrukční prvky vakuových zařízení - vhodné materiály, spoje (pevné, rozebíratelné), el.průchodky, přenos pohybu do vakua, ventily, • Povlaková ní Vakuová fyzika 2 2/32 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 W.H.Kohl: Handbook of materials and techniques for vacuum devices, AIP Press, 1995 Vakuová fyzika 2 3/32 • T.A.Delchar: Vacuum Physics and Techniques, Chapman-Hall, 1993 • F.OHanlon: A Users Gaude to Vacuum Technology, Wiley (2003) • J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 • Zpravodaje CVS • Firemní katalogy Vakuová fyzika 2 4/32 Literatura - internet www.vakspol.cz www.svc.org www.fzu.cz www.shm-cz.cz lhc.web.cern.ch/lhc/ en.wikipedia.org/wiki/main_page www - stránky výrobců vakuové techniky Rozdělení vakua vakuum tlak [mbar] tlak [Pa] nízké (GV), hrubé, technické 103 - 10° 105 - 102 střední (FV) 10° - ÍO-3 102 - 10-1 vysoké (HV) 10-3 - io~7 10-1 - 10~5 velmi vysoké (UHV) 10~7 - ÍO-10 10~5 - 10~8 extrémně vysoké (XHV) < ÍO"10 <10"8 Rozdělení vakua vakuum střední (FV) vysoké (HV) (UHV) a (XHV) tlak [Pa] 102 - 10_1 10_1 - 1(T5 < ÍO-5 koncentrace [cm-3] 1016 - 1013 1013 - 109 < 109 střední dráha A [cm] 1(T2 - 101 101 - 105 > 105 monovrstva r [s] 1(T5 - 1(T2 10"2 - 102 > 102 typ proudění Knudsenovo molekulární molekulární Proč UHV a XHV vakuum? Vakuová fyzika 2 7/32 1.0e+06 1.0e+04 1.0e+02 03 CL ^ 1.0e+00 03 1 .Oe-02 1.0e-04 - 1.0e-06 1 1 1 1 1 1 Hg - U trubice McLeod loniz.man. - -□Boyle-1660 □ Hawksbee-1704 □ 1850 □ Geissler-1858 □ Sprengel-1865 □ Crookes-1876 □ Edison-1879 □ Fleuss-1894 □ Gimingham-1884 i i i Kahlbaum-1894 □ Gaede-1905 □ Gaede-1912 □ Sherwood-1918 i i i 1650 1700 1750 1800 1850 roky 1900 1950 2000 □ = Vakuová fyzika 2 8/32 Aplikace v mikroelektronice Moore's Law - The number of transistors on integrated circuit chips (1971-2016) Moore's law describes the empirical regularity that the number of transistors on integrated circuits doubles approximately every two years. This advancement is important as other aspects of technological progress - such as processing speed or the price of electronic products - are strongly linked to Moore's law. OurWorld in Data 20,000,000,000 10,000,000,000 5,000,000,000 1,000,000,000 500,000,000 100,000,000 g 50,000,000 Z3 o o 2 10,000,000 S 5,000,000 c CO 1,000,000 500,000 100,000 50,000 10,000 5,000 IBM z13 Storage Controller, 18-core Xeon Haswell-E5^ Xbox One main SoCv\, 61-core Xeon Phi 12-core POWERi 8-core Xeon Nehalem-EXv a t Six-core Xeon 7400A V < Dual-core Itanium 2^ .SPARC M 7 A22-coreXeon Broadwell-E5 i A A*-15-coreXeon Ivy !+V ♦ AIBM_z13 Pentium D Presler, 9 MB cache^ \ Itanium 2 Madison 6MA Pentium D Smithfieldv Itanium 2 McKinleyA ä Pentium 4 Prescott-2M^ AMDK8Ä ^Pentium Pentium 4 Northwood^ ^Barton Pentium 4 W lanelteA *_ ,. ,„_ . , ^ 'Pentium III Tuylatir- Pentium II Mobile DixonA AMD K7Q ^Pentium III Coppermine AMD K6-III AMD K6A ^Pentium III Katmai „ ím „ S APěritium IT Deschutes Pentium Prcw Pentium II ~ ^Klamath AMD Kč POWER6 Apple A8X (tri-core ARM64 1 mobile SoC") >re Core i7 Haswell-E __. Duo-core + GPU Iris Core i7 Broadwell-L §A T A VQuac|-core + qpij GT2 Core i7 Skylake K ♦ V ^ Tiuad-core + GPU Core i7 Haswell 'Core i7 (Quad) Apple A7 (dual-core AR M 64 "mobile SoC ') 'Core 2 Due? Wolfdale 2 Duo Con roe OCore2DuoWolfdal6 3M *Core2 Duo Allendale ^Pentium 4 Cedar Mill I Prescott AAlom AARM Cortex-A9 iunA ^R4000 11 explorer s j£-dita Lisp machine chipV Motorola 68020 A Intel 80286 ■T;A On, Alntel Intel 8086A ♦Intel 8088 A ARM 9TDMI TMS 1000 ZilogZaO Motorola 6809 <> ^RM 1 5C816 r^vjx NC4016 tlnwa 1,000 AÖ /.I/ /\> Afo A* „ s°>v ,°>v ^v n°>v nq> ,öf ^ & ^ #\^#'#,,> Year of introduction Data source: Wikipedia (https://en.wikipedia.org/wiki/Transistor_count] The data visualization is available at OurWorldinData.org. There you find more visualizations and research on this topic. tŕ ön° J> Licensed under CC-BY-SA by the author Max Roser. http://en.wikipedia.org/wiki/ < □ ► q, o Vakuová fyzika 2 9/32 10 pm 1(JT1 100 nm 10 nm 1970 Staphýococcus aureus bacterium Spermatozoon head Red blood cell cross-section Human immunodeficiency virus (HIV) http://en.wikipedia.org/wiki/ 4 = ► 5 ^) q, o Vakuová fyzika 2 Modular Process Zones Gate Valve Sputtering Chamber Door with Viewport Substrate Entry F.OHanlon: A Users Gaude to Vacuum Technology, Wiley (2003) <□► < ö ► < ^1 ► < ^1 ► 1: ^c\0 Vakuová fyzika 2 11 / 32 Urychlovače částic velká střední volná dráha LHC, synchrotrony, ... základní výzkum - časticová fyzika, materiály, biologie, medicína farmaceutický průmysl léčení rakoviny Vakuová fyzika 2 12 / 32 Synchrotron http://en.wikipedia.org/ Vakuová fyzika 2 □ 13 / 32 Elektronové mikroskopy katoda termoemisní < 10~2 Pa katoda autoemisní studená emise < 10~8 Pa Schottkyho katoda < 10"6 Pa prodloužení životnosti, vyšší stabilita, užší svazek elektronů výhody autoemise - nižší rozptyl energií elektronů menší větší rozlišení Vázané plyny Plyny, které jsou na povrchu, nebo uvnitř pevné látky, nebojsou uzavřeny v pórech a dutinách. Plyny se mohou v látkách rozpouštět a difundovat a tak pronikat z vnějšího prostředí stěnami do vakuového systému. Sorpce: • adsorpci - na povrchu • absorpci - difúze do objemu Příklad: Vliv adsorbovaných plynů na vakuum. Reaktor ve tvaru krychle o straně 10 cm je pokryt na vnitřních stěnách mono-molekulární vrstvou plynu. Je v něm plyn o tlaku 1 x 10~4 Pa a teplotě 300 K. Nějakým způsobem uvolníme všechen vázaný plyn ze stěn. Předpokládejme, že teplota plynu zůstane stejná. Jaký je výsledný tlak v reaktoru? Řešení: Počet molekul v objemu při tlaku P = 1 x 10-4 Pa: N — nV — i-V = 2,4 x 1013 kT Počet molekul na stěnách: jVi = 6 x S x Np iVi = 6 x 100 x 0,5 x 1015 = 3 x 1017 tlak uvolněných molekul: iVi Pi = nikT = -ykT = 1, 24 Pa □ {3 Požadavky na materiály používané ve vakuové technice: co možná nejmenší uvolňování plynů a par, nízká tenze par při pracovní teplotě malá schopnost pohlcovat a propouštět plyny dobré tepelné vlastnosti (4 - 700 K) dobré mechanické vlastnosti (pnutí, způsob opracování) vhodné elektrické a chemické vlastnosti (podle dané aplikace) VO 200 300 500 700 1000 2000 3000 5 <*> J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 Vakuová fyzika 2 19/32 Stainless steel blank cleaned 2.7 • ÍO"7 5.4- 10"8 Stainless steel polished cleaned 2 ■ 10"8 4 ÍO"9 Stainless steel pickled heated for 1 hour, 1.4 ■ 10 9 2.8 10"10 Stainless steel bead blasted vented with normal air 3 ■ 10-10 6.5 ■ ÍO11 Steel Ni plated polished cleaned 2 ■ ÍO"7 1.5 108 Steel Cr piated polished cleaned 1.3 10"8 2.2 ÍO"9 Steel rusted 6 ÍO"7 1.6 107 Steel blank cleaned 5- ÍO"7 1 ÍO7 Steel bead blasted cleaned 4- ÍO"7 8 ■ 10"8 Aluminium cleaned 6' ÍO"6 1.7 10s Brass cleaned 1.6 ÍO6 5.6 ÍO"7 Copper cleaned 3.5 ÍO7 9.5 ■ 10-8 firemní materiály firmy Pfeiffer <□► <ßi^ < t ^ -00,0 Vakuová fyzika 2 20 / 32 AFM - sklo Typická křivka čerpání vakuové komory Time (s) Delchar: Vacuum Physics and Techniques, Chapman Hall, \§93 Vakuová fyzika 2 22 / 32 Základní procesy probíhající mezi plynem a povrchem pevné látky o o O W99SS6 odraz molekuly adsorpce o desorpce o Q OTA difúze po povrchu oo QQ W99956 (XXXXXXJ chemická reakce na povrchu ÔÓOOÔÓU difúze do objemu 9999^9-^ difúze z objemu na povrch Plyny adsorbované na povrchu fyzisorpce - slabá vazba, Van der Waalsova vazba, dlouhý dosah m , R0 > 3 x 1(T10 E = A B i?9 R3 chemisorpce - silné chemické vazby, krátký dosah, 1 x 1CT10 m < Rq < 3 x 1CT10 m E = A>(1 — exp[—— i?o)]) Vakuová fyzika 2 25 / 32 kowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 19§1 chemlsorpce i J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 19£jl Vakuová fyzika 2 27 / 32 Koeficient ulpění i v\ = -nva Vlef = 7^1 =^ 7 = ^1 7 = 1, adsorpce každé molekuly, která dopadne na povrch 7 = 0, všechny molekuly se odrazí Vakuová fyzika 2 28 / 32 Stupeň pokrytí Nlp Ni - počet adsorbovaných atomů, N\p - počet volných míst v mono-molekulární vrstvě, pro méně přesné výpočty se bere Nlp = 0,5 x 1015 cm~2 • ů — 0, čistý povrch • ů — 1, zcela pokrytý povrch Koeficient ulpění 1,0 0,9 0,7 0,6 0,5 OA Q3 0,2 0,1 0 Cs (N1p ~0,38-101!') Wolfram (Ts = 30 OK) _j__ Plyny (T- 300K) COt - 0p5 - tO Hi 0,1 0,2 0,3 O/i 0/5 10" "i J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 Vakuová fyzika 2 = 1; -o^o Odhad na základě rozměrů molekul plyn He Ne H2 o2 Ar Nlp[1015 cm"2] 2,42 1,72 1,52 0,87 0,85 plyn N2 CO co2 H20 CH4 Nlp[1015 cm"2] 0,81 0,81 0,53 0,53 0,52 CO na wolframu Ts [K] 300 500 700 900 1100 Nlp[1015 cm"2] 7 0,56 0,45 0,44 0,40 0,42 0,35 0,33 0,33 0,19 0,3 wolfram, 300 K plyn 7 Nlp[1015 cm"2; ů N2 0,3-0,55 0,2-0,55 0,3-0,5 CO 0,2-0,6 0,5-0,65 0,3-0,6 o2 0,2-0,3 0,87 0,7 H2 0,2-0,3 0,4-0,7 0,4-0,5 Cs 1 0,38 —c 1 3-gl-:_