Vakuová technika technologie Vítězslav Otruba 2011 prof. Otruba 1 Vakuová technika 2 }Důvody práce v ultravysokém vakuu: }Je třeba omezit počet srážek elektronů s částicemi zbytkových plynů. Dostačuje 10-4 Pa (střední volná dráha desítky metrů) }Omezení sorpce plynů na povrchu pevných vzorků: }Kinetická teorie plynů – počet molekul dopadajících na povrch vzorku z plynné fáze n=0,71.p.Navt(π.R.T.M)-1/2 }Za předpokladu 100% sorpce platí za laboratorní teploty a vzduch: tmono~10-4/p [s;Pa] }Při tlaku 10-7 Pa se pokryje vzorek monomolekulární vrstvou přibližně za 1000 s. Dosažení ultravysokého vakua 3 }Klasické rotační a difusní vývěvy s oleji s malou tenzí par (např. polyfenylenether) }Iontové vývěvy čerpají plyn po jeho ionizaci Towsendovým nebo vf výbojem, příp. svazkem elektronů. Ionty jsou čerpány elektrickým polem k předvakuu. }Pro zvýšení účinnosti ionizace elektrony jsou molekuly (atomy) ionizovány na kruhových drahách (orbitronová vývěva) }Jsou chemisorbovány na aktivním povrchu kovu (Ti) připraveném sublimací nebo katodovým naprašováním (iontově sorpční nebo getrovací vývěvy) }Kryogenní a turbomolekulární vývěvy Měření tlaku plynu při ultravysokém vakuu 4 }Ionizace zbytkových plynů svazkem elektronů a měření proudu vzniklých iontů (systém Bayard – Alpert) do } 10-9 Pa }Kvadrupólový hmotnostní spektrometr pro tlaky do } 10-12 Pa Přehled témat 2011 prof. Otruba 5 }I. Vakuová technika }1. Úvod }2. Proudění plynů, sorpce a desorpce }3. Metody získávání vysokého vakua }4. Ultravakuová technika }5. Měřeníení nízkých tlaků }II. Speciální technologie }1. Svařování elektronovým svazkem }2. Pájení ve vakuu Úvod, jednotky, obor tlaků, význam vakua 2011 prof. Otruba 6 }Vakuum - prostředí obsahující plyny nebo páry o tlaku nižším než je tlak atmosférický. V ČR je jednotkou tlaku Pa (N/m2) } Atmosférický tlak = 760 mmHg = 101 kPa ≈ 105 Pa V kosmickém prostoru 10-13 až 10-14 Pa Obory tlaků 2011 prof. Otruba 7 }Nízké vakuum 105 Pa ÷ 10-1 Pa - sušení, impregnace, vakuová metalurgie }Vysoké vakuum 10-2 Pa ÷ 10-6 Pa - elektronky, elektronové mikroskopy, urychlovače }Ultravakuum (UHV) 10-7 Pa ÷ 10-10 Pa - výzkum povrchů }Extravysoké (XHV) < 10-10 Pa - nanotechnologie Stupně vakua 2011 prof. Otruba 8 Ultravysoké a extrémní vakuum je zajímavé především pro velmi dlouhé volné dráhy částic a používá se proto v urychlovačích částic, v termojaderných zařízeních a podobně. Vytváří se několikastupňovými vývěvami a vyžaduje speciální materiály a technologie. Vyskytuje se ve vesmírném prostoru za hranicemi zemské atmosféry. Průměrná hustota vakua mezihvězdného prostoru se odhaduje na 1 atom (v drtivé většině vodíku) na 1 m³. Význam vakua 2011 prof. Otruba 9 }Umožňuje částicím nebo tělesům volný pohyb v prostoru bez srážek s molekulami nebo atomy plynu } (při 10-4 Pa je střední volná dráha molekul 50 m) }2. Uchování čistého povrchu } (při 10-4 Pa se vytvoří monomolekulární vrstva za 1 s) Střední volná dráha molekul 2011 prof. Otruba 10 Proudění plynu 2011 prof. Otruba 11 Doba čerpání 2011 prof. Otruba 12 V C Sorpce a desorpce 2011 prof. Otruba 13 2011 prof. Otruba 14 Sorpce – ulpívání molekul plynu na stěně Desorpce – uvolňování molekul plynu z povrchu (teplem, bombardováním částicemi, mechanickým třením, zářením) Co se děje při čerpání? • vyčerpáme volné molekuly z prostoru (vytvoří se rovnováha mezi desorpcí a čerpáním) • zahřejeme celý systém - zkrátíme dobu pohybu molekul na stěně - zvýší se tlak • ochladíme celý systém – opět se ustaví rovnováha, ale při nižším tlaku Další jevy ovlivňující tlak: • rozpouštění plynů v pevných látkách • pronikání plynů pevnou stěnou • tlak par použitých materiálů • zpětný proud vývěvy Metody získávání vysokého vakua 2011 prof. Otruba 15 }Nejdůležitější parametry každé vývěvy: }• čerpací rychlost – l / s ( m3 / hod ) }• mezní tlak – Pa }Vývěvy }• transportní – založené na přenosu molekul }• sorpční – založené na vazbě molekul }Vysokovakuová aparatura }• rotační + difuzní vývěva }• membránová + turbomolekulární vývěva 2011 prof. Otruba 16 Rotační vývěvy 2011 prof. Otruba 17 Rootesova vývěva 2011 prof. Otruba 18 Membránová vývěva 2011 prof. Otruba 19 2011 prof. Otruba 20 Difuzní vývěvy 2011 prof. Otruba 21 Difuzní vývěvy vícestupňové 2011 prof. Otruba 22 Turbomolekulární vývěvy 2011 prof. Otruba 23 2011 prof. Otruba 24 Turbomolekulární vývěva 2011 prof. Otruba 25 Turbomolekulární vývěva 2011 prof. Otruba 26 http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/4c/Cut_through_turbomolecular_pump.jpg Řez turbomolekulární vývěvou (J. Becker, 1959) Model pohybu molekul plynu mezi lopatkami rotoru a statoru Ultravakuová technika (UHV) 2011 prof. Otruba 27 Iontové vývěvy 2011 prof. Otruba 28 }Iontové vývěvy čerpají plyn po jeho ionizaci Towsendovým nebo vf výbojem, příp. svazkem elektronů. Ionty jsou čerpány elektrickým polem k předvakuu. }Pro zvýšení účinnosti ionizace elektrony jsou molekuly (atomy) ionizovány na kruhových drahách (orbitronová vývěva) }Jsou chemisorbovány na aktivním povrchu kovu (Ti) připraveném sublimací nebo katodovým naprašováním (iontově sorpční nebo getrovací vývěvy) Iontová vývěva s rozprašováním titanu 2011 prof. Otruba 29 Triodová s mřížkovou katodou z titanu 2011 prof. Otruba 30 Měření vakua (nízkých tlaků) 2011 prof. Otruba 31 Vlastnosti vakuometrů 2011 prof. Otruba 32 2011 prof. Otruba 33 2011 prof. Otruba 34 2011 prof. Otruba 35 2011 prof. Otruba 36 2011 prof. Otruba 37 Měření parciálních tlaků 2011 prof. Otruba 38 }Hmotové spektrometry – analýza zbytkových plynů }Ionizace molekul plynu }Odvádění vzniklých iontů na kolektor působením elektrických nebo magnetických polí }Podle časového průběhu těchto polí dopadají na kolektor je ionty určité hmotnosti }Kvadrupólový systém – 4 rovnoběžné válcové (hyperbolické) elektrody, kombinace ss a vf napětí }Hledač netěsností – spektrometr nastavený na He } } Svařování svazkem elektronů a pájení ve vakuu 2011 prof. Otruba 39 }Požadavky na spoje ve vakuové a ultravakuové technice } • spojovat součásti z různých materiálů a kombinací } • dokonalá vakuová těsnost } • čistota spojů a spojovaných částí } • minimální deformace }A. Svařování svazkem elektronů }1. Princip a zvláštnosti ohřevu elektronovým svazkem }výhody: } - možnost svařovat kovové materiály bez ohledu na jejich tavící teplotu } - minimální tepelné ovlivnění v okolí svaru } - minimální deformace } - velká rychlost svařování }2. Elektronová svářečka }funkční části: } - elektronová tryska } - vakuová pracovní komora } - čerpací soustava } - pomocná mechanická a elektrická zařízení 2011 prof. Otruba 40 2011 prof. Otruba 41 Svářečka elektronovým paprskem 2011 prof. Otruba 42 2011 prof. Otruba 43 2011 prof. Otruba 44 2011 prof. Otruba 45