Ústav fyzikální elektroniky PřF MU http://www.physics.muni.cz/kof/vyuka/ Fyzikální praktikum pro nefyzikální obory Úloha č. 8: Vakuum jarní semestr 2012 • 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 mbar = 100 Pa – 1 torr = 133, 322 Pa – 1 atm = 101325 Pa = 760 torr (fyzikální atmosféra) 1. Využití vakua • Věda a výzkum: diagnostické metody, elektronový mikroskop, hmotový spektrometr, optický vakuový spektrometr, plazmochemické reaktory,urychlovače částic - CERN, termojaderné reaktory - ITER • Průmyslové aplikace: vytváření tenkých vrstev, výroba elektronických součástek, osvětlovací technika - žárovky, zářivky, chemický průmysl - čisté látky, metalurgie • přesně definované podmínky procesu, izolace studovaného procesu od okolí, velká střední volná dráha Návody pro fyz. praktikum (verze 6. ledna 2012) 2 2. Rozdělení vakua vakuum tlak [mbar] tlak [Pa] nízké (GV), 103 − 100 105 − 102 hrubé, technické střední (FV) 100 − 10−3 102 − 10−1 vysoké (HV) 10−3 − 10−7 10−1 − 10−5 velmi vysoké (UHV) 10−7 − 10−10 10−5 − 10−8 extremě vysoke (XHV) < 10−10 < 10−8 3. Získávání a měření vakua Celá řada plazmochemických aplikací využívá procesů probíhajících za tlaků nížších, než je tlak atmosférický. Proto je nutné se seznámit alespoň se základy získávání a měření nízkých tlaků. K získávání nízkých tlaků slouží celá řada typů vývěv lišících se jak principem činnosti, tak i konstrukcí. V praktiku se stručně seznámíme s rotační olejovou vývěvou, membránovou vývěvou a turbomolekulární vývěvou. Pro měření nízkých tlaků lze použít celou řadu různých manometrů, které se obdobně jako vývěvy liší principem činnosti, konstrukcí a použitím. V rámci této úlohy budeme pracovat s různými typy manometrů: s Mac-Leodovým, Piraniho, Baratronem a ionizačním manometrem. 3.1. Rotační olejová vývěva Rotační olejová vývěva slouží k získávání nízkých tlaků v rozmezí cca 0, 2 − 105 Pa. Pracuje na principu periodického stlačování pracovního objemu. Schéma jednostupňové rotační olejové vývěvy je na obrázku 3.1. Obrázek 3.1: Konstrukce jednostupňové rotační olejové vývěvy. 1 – rotor; 2 – lopatka; 3 – stator; 4 – vstupní kanál; 5 – výstupní ventil; 6 – vnější stěna; 7 – pružina; 8 – olej. Návody pro fyz. praktikum (verze 6. ledna 2012) 3 Během otáčení rotoru s posuvnými lopatkami dochází k postupnému zvětšování objemu, který je připojen k čerpanému prostoru. V jisté poloze pak dojde k oddělení objemu uvnitř vývěvy od čerpaného prostoru. V zápětí se při dalším otáčení začíná objem uvnitř vývěvy stlačovat. V okamžiku, kdy tlak přesáhne tlak na výstupu vývěvy, otevře se ventil a plyn unikne do okolního prostředí. Rotační olejová vývěva se obvykle používá ve dvoustupňovém provedení. Je vhodná pro čerpání větších objemů v případě, že nejsou kladeny přílišné požadavky na čistotu čerpaného objemu (vliv zpětného proudu olejových par). Velmi často je používána pro čerpání na výstupu vysokovakuových vývěv, u nichž není možné mít na výstupu atmosférický tlak. 3.2. Mac-Leodův manometr Mac-Leodův manometr je jedním z mála absolutních měřičů tlaku(nezáleží na složení měřeného plynu). V praxi jej lze použít pro měření tlaků vyšších než 10−4 Pa. Nevýhodou jsou značné rozměry a vliv rtuti na čistotu měřeného objemu. Proto bývá užíván převážně pro účely kalibrací. Obrázek 3.2: Konstrukce Mac-Leodova manometru: 1 – Mac-Leodův manometr, 2 – měřicí kapilára, 3 – připojení k čerpanému objemu, 4 – srovnávací kapilára. Konstrukce manometru je zřejmá z 3.2. Obvyklý postup práce s tímto manometrem lze shrnout do následujících bodů: Zásobní nádobku se rtutí velmi zvolna zvedáme vzhůru. Ve chvíli, kdy hladina rtuti dosáhne do místa rozvětvení trubice, levá část se hladinou rtuti uzavře. Dalším zvedáním zásobníku (a tím i hladiny rtuti) se zbytkový plyn v levém rameni stlačuje, zatímco v pravém rameni se udržuje stále stejný tlak. (Pozn: toto platí pouze tehdy, je-li objem, v němž měříme tlak, podstatně větší než objem levého ramene manometru.). Ve většině případů se používá kvadratická metoda měření. V tomto případě se v referenční kapiláře musí hladina rtuti dostat na úroveň zataveného konce měřící kapiláry. Na stupnici pak přečteme údaj o tlaku v měřeném objemu. Stupnici lze stanovit výpočtem na základě stavové rovnice ideálního plynu a geometrických rozměrů manometru. Návody pro fyz. praktikum (verze 6. ledna 2012) 4 3.3. Piraniho manometr Piraniho manometr lze zařadit mezi nepřímé manometry. Používá se obvykle pro rozmezí tlaků 0.1 - 105 Pa. Ve svém principu využívá závislosti přenosu tepelné energie na koncentraci měřeného plynu. Konstrukčně si lze manometr představit jako tenké kovové vlákno vyhřívané konstantním výkonem. S měnícím se tlakem se mění odpor tohoto vlákna. Z praktického hlediska se zpravidla užívá klasického můstkového zapojení pro měření odporu, kde v jedné větvi je Piraniho manometr, ve druhé je proměnný odpor (odporová dekáda) a ve zbylých dvou jsou vhodně zvolené pevné odpory. Obrázek 3.3: Elektrické zapojení můstku pro kalibraci Piraniho manometru 3.4. Ionizační manometr se žhavenou katodou Ionizační manometr řadíme také mezi nepřímé manometry. Je využíván pro tlaky v rozmezí 10−10 − 0, 1 Pa, při vyšších tlacích již nefunguje a hrozí i jeho poškození. Měření pomocí tohoto typu manometru je založené na měření elektrického proudu tvořeného ionty vzniklými srážkami plynu s elektrony emitovanými ze žhavené katody. Je-li počet elektronů emitovaných z katody konstantní, bude iontový proud pouze funkcí tlaku plynu. Vzhledem k nutnosti ionizovat plyn je zřejmé, že kalibrační křivka pro tento typ manometru bude závislá na ionizačním potenciálu jednotlivých atomů a molekul, a tedy bude funkcí složení plynu v měřeném objemu. Základní rovnice ionizačního manometru se žhavenou katodou má tvar: Ic = KIap, kde Ic je proud iontů kolektorem, Ia je proud elektronů emitovaných katodou, p je měřený tlak, K je konstanta manometru. Schéma manometru je na obrázku 3.4. Úkoly: 1. Seznamte se s konstrukcí a činností různých manometrů a vývěv. Návody pro fyz. praktikum (verze 6. ledna 2012) 5 Obrázek 3.4: Ionizační manometr se žhavenou katodou: A – anoda, K – katoda(zdroj elektronů), C – kolektor 2. Nakalibrujte Piraniho manometr (R1) pomocí Mac-Leodova manometru a Baratronu. Schéma zapojení měřícího můstku je na obrázku 3.3. Velikosti pevných odporů jsou R2 = 10Ω, R4 = 4700Ω, platí R1 = R3R2 R4 . 3. Nakalibrujte ionizační manometr pomocí druhého ionizačního manometru.