F4160 Vakuovaá fyzika l Pavel Slavíček email: ps94@sci.muni.cz F416G 1 / 24 Osnova: • Uvod a historický vývoj • Volne plyny • statický stav plynů • dynamický stav plynů • Získývaní vakůa - vyvevy s transportem molekúl z Čerpaného prostorů • vývevy s periodicky se menícím prostorem • vývevy s nepromennym pracovným prostorem • paroproúdove vyvevy • Merení vakúa • merení celkových tlaků • merení parcialních tlaků • hledaní netesností ve vakůovych systemech F4160 2/24 Navazující přednášky: • Vakuová fyzika 2 - F6450 • Vázané plyny • Sorpční vývévy • Mérení ve vakuové fyzice • měření proudu plynu • měření tenze par • Konstrukční prvky vakuových zařízení • Experimentainí metody a specialní praktikum A 1 - F7541 • Fyzika nízkích teplot - F8450 F4160 3/24 Literatura • J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 • L. Paty: Fyzika nízkých tlaku, Academia, Praha 1968 • V. Sítko: Vakuova technika, SNTL, Praha 1966 • J. Král: Cvicení z vakuové techniky, CVUT Praha 1996 • V. Dubravcova: Vakuova a ultravakuova technika, Alfa, Bratislava 1992 • A. Roth: Vacuum technology, Elsevier, 1990 • J.F.O'Hanlon: A User's Guide to Vacuum Technology, Wiley, 2003 • W. Espe: Technologia hmot vákuovej techniky, Slovenska akadíemia vied, Bratislava 1960 • Zpravodaje CVS • Firemní katalogy • internet: www - stránky výrobcu vakuove techniky, ... () F4160 4 / 24 U vod • Vakuum je označení pro stav systému, který obsahuje plyny, nebo páry, pokud je jejich tlak mensí neZ tlak atmosferický. • 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 (fyzikalní atmosfera) • 1 at = 98066.5 Pa = 0.96784 atm (technický atmosfera) • 1 psi = 6890 Pa • 1 psf = 47.8 Pa F4160 5/24 Historický vývoj i 1643 - E.Torricelli, první vakuum 1654 - O. von Guericke, Magdeburské polokoule 1855 - Geissler, výboje v plynech, rtut'ova výveva 1874 - H.G.Mac-Leod, kompresní manometr 1892 - Fleussova pístový výveva, prumyslova výroba žarovek 1892 - Dewarova nýdoba 1906 - Pirani, tepelný manometr 1912 - W. Gaede, molekulami výveva 1913 - W. Gaede, difýžni výveva 1916 - Buckley, ionižacni manometr 1925 - Fyžika nízkých tlaku, jako samostatný obor 1926 - olejova difúžm vyveva 1 "http://www.svc.org/HistoryofVacuumCoating/History-of-Vacuum-Coating.cfm" □ a - i F4160 6 / 24 • 1929 - kapacitní manometr • 1936 - neopren • 1936 - Penning, výbojový manometr s magnetickým polem • 1950 - Baýard-Alpert - ionizaCní manometr se žhavenou katodou • 1954 - Alpert - Omegatron • 1958 - Becker, turbomolekuiarní výveva • 1967 - komerCní kvadrupolový spektrometr F4160 7/24 Využití vakua • Veda a výzkum • diagnostické metodý • elektronový mikroskop • hmotový spektrometr • optický vakuový spektrometr • plazmochemické reaktory • urýchlovaCe castic - CERN, LHC delka 27 km • termojaderne reaktory - ITER, objem 834 m3 F4160 8/24 LHC • Prumýslove aplikace • výtvírení tenkých vrstev • výroba elektronických soucastek • osvetlovacý technika - zarovký, zýrivký • chemický prumýsl - ciste latký • metalurgie • vakuove manipulýtorý, pinzetý,... • presne definovane podmínký procesu, izolace studovaneho procesu od okolý velký stredný volný drýha () □ &> - F4160 11 / 24 F416G 12 / 24 5 "http://www.shm-cz.cz/" □ a - ■» S -00,0 F4160 13 f 24 Zrcadlové plochy 14 / 24 o F4160 Hubble Space Telescope • výroba 1977-1979 • broušení 1979-1981 • prumer 2,4 m, celková hmotnost 11 t • přesnost broušení 30 nm • odrazne vrstvy - Al 76.2 nm, fluorid horCíku - 25.4 nm • vypustení - 24.4.1990, let STS 31 6 http://en.wikipedia.org/wiki/Hubble_Space_Telescope 9 - F4160 15 / 24 Vyroba CD-ROM, DVD, .J r"http://www.pfeiffer-vacuum.net/" □ a - - l -o^o F4160 16 / 24 Molecular Beam Epitaxy 8"http://www.fzu.cz/oddeleni/povrchy/mbe/index.html" a - ■» * -00,0 () F4160 17 / 24 Experiment na orbitálni dráze • tlak na oběžné dráze raketoplánu ( 500 km) 10-8 torr • za štítem o průměru 3.6 m , 10-14 torr • 1994 - WSF1 - porucha orientace, STS60 9 • 1995 - WSF2 - porucha MBE, STS69 • 1996 - WSF3 - uspech 7 vrstev GaAs/AlGaAs, STS80 9http://mek.kosmo.cz/pilJety/usa/sts/sts-60/index.htm a - F4160 18 / 24 Zavislošt tlaku na nadmořské vyšce výska [km] tlak [mbar] tlak [Pa] 0 lO3 lO5 ll lO2 lO4 50 lO-2 lO0 l00 lO-3 lO-1 200 lO-6 lO-4 500 lO-8 lO-6 lOOO lO-10 lO-8 2000 lO-15 lO-13 F416G 19 / 24 Závislost tlaku na nadmořské výšce o F4160 20 / 24 Elektronika □ S1 - F4160 21 / 24 Rozděleni vakua 1 vakuum tlak [mbar] tlak [Pa] nízke , hrube, technicke 103 - 100 105 - 102 strední (FV) 100 - 10-3 102 - 10-1 vysoke (HV) 10-3 - 10-7 10-1 - 10-5 velmi vysoke (UHV) < 10-7 < 10-5 F4160 22 / 24 Rozděleni vakua 2 vakuum tlak [mbar] tlak [Pa] nýzke , hrube, technicke 103 - 100 105 - 102 stredný (FV) 100 - 10-3 102 - 10-1 výsoke (HV) 10-3 - 10-7 10-1 - 10-5 velmi výsoke (UHV) 10-7 - 10-10 10-5 - 10-8 extreme výsoke (XHV) < 10-10 < 10-8 F4160 23 / 24 Rozděleni vakua vakuum nízké střední (FV) vysoké (HV) UHV, XHV 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 proudění viskózní Knudsenovo molekulární molekulární F4160 24 / 24