Plyny v dynamickém stavu Jsou-li ve vakuovém systému různé teploty, nebo tlaky dochází k přenosu energie, nebo k proudéní plynu. Difuze plynu Mechanismus difuze závisí na podmínkách: • molekularní A ^> L • viskízne molekulírní A ř« L • viskozní A T1 1 1 V2-1 = 1(n2Va2 - niVai) F4160 9 / 40 proudění ustane, když n2va2 = n\va\ p = nkT , va = n2 = Val P2T1 ni Va2 P1T2 8kT P2 Pl Ti Ti □ S1 10 / 40 F4160 spoj s velkou vodivostí a viskozní podmínky p ř« kn1T1 ?á kn2T2 ni = T2 n2 Ti spoj s velkou vodivostí a molekulární podmínky ni ř« n2 F4160 11 / 40 Koeficient akomodace Sdílení energie při dopadu molekuly na povřch je závisle na urcitych podmínkách, kteře vyjadřuje koeficient akomodace. d = T - T T2 - T kde Ti je teplota molekuly dopadající na povřch s teplotou T2 a T2 je teplota odřazene molekuly Koeficient akomodace zívisí na dřuhu plynu, na stavu a dřuhu povřchu a na teplote. Zmena koeficientu v zavislosti na teplote v mezích 100-500K přo řuzne plyny nepřekřacuje 50%. F4160 12 / 40 Tab. 2.9. Akomodační koeficient (při teplotě asi 300 K) Kov Plyn He Ne Ar H2 N2 W odplyněný (a poté s vrstvou adsorbovaného plynu) 0,02 (0,5) 0.06 (0.74) (0,8) pokrytý vrstvou plynu 0,35 0,35 0,9 0,9 Ni pokrytý vrstvou plynu 0,4 0,8 0,95 0,3 0.8 0,85 Pt leštěná neleštěná černěná 0,35 0,3 0.7 0.8 0,85 0,85 0,95 ^e pokryté vrstvou ^2 Plynu N> 0.1 0.27 0.44 sklo neodplyněné 0,35 0,7 0,3 0,8 0,8 () F4160 13 / 40 Uhlové rozděleni molekul plynu odrazených od povrchu Molekuly plynu dopadající na povrch se nemusí odrážet podle zákona zrcadloveho odrazu. Doba pobytu není nekonecne kratka, povrch vzhledem k velikosti molekuly nená dokonale hladkáa plocha. Rozdelení pravdepodobností se rídí kosinovám zakonem (Knudsenovym) P (a) = P0cosa □ S1 - AFM - sklo □ &l - F4160 15 / 40 Viskozita plynu (vnitřní třeni) viskózní podmínky A - F4160 16 / 40 2 1 jkTmo , ,= n = ö -n ~ konstVT 3 er V nd nt f t \21 + § (TO) kde T\ je Sutherlandova konstanta _ t0 no W i + f 17 j 40 F4160 () □ &l - F4160 18 / 40 Prenos tepla plynem Mnozství tepla přochízející za 1 sekundu plochou 1m2 kolmou ke smeřu maximílního gřadientu teploty lze vyjídřit W = -AdT dx viskoízní podmínky A = 1 gvaXcv [Wm-iK-1] 3 a = ncv cv je meřne teplo plynu při stílem objemu při molekulařních podmínkach se vsechny molekuly podílejí na přenosu tepla, přenos tepla je írnemí koncentřaci a tím i tlaku . ■» a () F4160 19 / 40 Prouděni plynu Přoudení vznika při řozdílu tlaku(koncentřací). Typy přoudení: tuřbulentní (vířive) laminíařní (viskoízní) • molekulařní F4160 20 / 40 Turbulentní proudění Nastává pri velkých rychlostech, tj. pri velkěm rozdílu tlakU a velkých objemech. Proudnice vytvárí víry. Laminární proudení Plyn proudí v rovnobežných vrstvach s rozdílnou rychlostí jednotlivích vrstev - u sten mí nulovou rychlost. Plyn se pohybuje unasivou rychlostí na kterou je superponovaín tepelníy pohyb molekul. Molekularní proudení Plyn neproudí jako celek, molekuly se pohybují nezívisle na sobe. □ S - F4160 21 / 40 Rozděleni vakua vakuum nízke strední vysoke extremne vysoke tlak [Pa] 105 - 102 102 - 10-1 10-1 - 10-5 < 10-5 n [cm-3] 1019 - 1016 1016 - 1013 1013 - 109 < 109 A [cm] < 10-2 10-2 - 101 101 - 105 > 105 T [S] < 10-5 10-5 - 10-2 10-2 - 102 > 102 proudení viskízní Knudsenovo molekularní molekularní F4160 22 / 40 Hranice mezi turbulentním a laminárním prouděním Reynoldsovo číslo Re Dgu Re = - Re > 2200 nastává turbulentní proudění Re < 1200 nastává laminární proudění 1200 < Re < 2200 prechodová oblast □ g - F4160 23 / 40 Hranice mezi láminárnim á molekulárním prouděním Knudsenovo číslo Kn n D Kn < 0.01 nastíva turbulentní, nebo laminírní proudení Kn > 1 nastíva molekularní proudení 0.01 < KN < 1 prečhodova oblast (Knudsenovo proudení) □ g - F4160 24 / 40 A = ——1- , p = nkT = kT _^ D = pD^/2nd2 = —2nd2p ^ T = kT T = 300 K , k = 1.38065.10"23 JK-1 d = 3.75 x 10-10 m(vzduch) pD > 0.662 nastává turbulentní, nebo laminarní proudění pD < 6.62 x 10-3 nastava molekulární proudění 6.62 x 10-3 < pD < 0.662 prechodoví oblast (Knudsenovo proudění) F4160 25 / 40 □ s - F4160 26 f 40 Proud plynu Hmotnostní proud plynu m dm Objemový proud plynu Iv = PPf = ^ [pam3s-1 = W] F4160 27 / 40 Přoud plynu muzeme vyjídřit pomocí poctu molekul v', kteře přochazejí danym přuřezem za 1s / dm m m0v = —— , pV = kT — dt m0 V = kmT mo p dV T 1 dm T —— = k---— = k—v \dt ) p=konst pm0 dt p ly = I = p ( f) = kTv/ V dt / p=konst 11 = kTv/ F4160 28 / 40 () Specifický proud plynu * = A Objemová rychlost proudení S (T) = S [m3s-1] V dt J p=konst {lit), I = pS F4160 29 / 40 Změna tlaku při V = konst Mějme nádobu objemu V s plynem o tlaku p, chceme změnit tlak. I = d(pV) = v f dpp\ dt \dt J v V(t) v = PS - dp S , pV ln(p) = St + konst s t p = Pxe V □ g - F4160 30 / 40 Závislost tlaku na čase o □ &i - F4160 31 / 40 Vodivost vakuového systému pri rozdílu tlakú p2 — Pi a proudu plynu I G = —— [m3s-i] P2 — Pi_ Rychlost odcerpávání vak. systemu je rovna jeho vodivosti, je-li na jednom konci p = 0Pa, G = S Odpor vakuoveho systemu R = G [m-3s] □ g - F4160 32 / 40 Při paralelním spojení vakuových dílů G = £ Gi = £ i i i Při seriovem spojení vakuových dílů R = £ Ri = £ Gi F4160 33 / 40 Objemová rychlost na výstupu z trubice Mejme trubici s vodivostí G, protékanou plynem. Na koncích trubice mejme tlaky pi, p2 a objemove rychlosti Si, S2. I = G(p2 - pi) I = PiSi I = P2S2 () □ g - F4160 34 / 40 P2 - Pi = G l P2 = l S2 l Pi = Si G S2 Si S2 = Si 1 + Si 1 + G S2 < Si Si = S2 1 S2 1 G pouze kdyz G —> 00 S2 = Si □ S1 F4160 35 j 40 1 1 Vliv netesností • skutecne netesnosti (netesne spoje, dirky, vady materiílu,...) dp In = = GN (patm - p1) ~ G N Patrn • zdanlive netesnosti (desorpce plynu z povrchu), se vzrůstajícím tlakem se desorpce zmensuje a je nulova pri rovnovaze dane tlakem a teplotou □ g - F4160 36 / 40 Vliv netěsností o □ &i - F4160 37 / 40 tX> 200 300 500 700 1000 2000 3000 T, (K) F4160 aB f 40 Mezní tlak Při ceřpaní, objemoví řychlost S < 0 by melo po nekonecne dlouhe dobe platit, ze p = p0 = 0 Fa. Ve skutecnosti vzdy platí p0 > 0 (netesnosti, zdřoje plynu, ... ). p = po + pxe V () □ g - F4160 39 / 40 Zdroje plynu Pump Fig. 4.1 Potential sources of gases and vapors in a vacuum system. () F4160 40 / 40