F4160 Vakuová fyzika 1 Pavel Slavíček email: ps94@sci.muni.cz Osnova: • Úvod a historický vývoj • Volné plyny • statický stav plynů • dynamický stav plynů • Získavaní vakua - vývevy s transportem molekul z čerpaného prostoru • vývevy s periodicky se měnícím prostorem • vývevy s neproměnným pracovním prostorem • paroproudové vývěvy • Měření vakua • měření celkových tlaků • měření parciálních tlaků • hledání netěsností ve vakuových systémech Navazující přednášky: • Vakuová fyzika 2 - F6450 • Vázané plyny • Sorpční vývěvy • Měření ve vakuové fyzice • měření proudu plynu • měření tenze par • Konstrukční prvky vakuových zařízení • Praktikum z vakuové fyziky - F7541 • Fyzika nízkých teplot - F8450 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 J.F.O'Hanlon: A User's Guide to Vacuum Technology, Wiley, 2003 • W. Espe: Technológia hmot vákuovej techniky, Slovenská akadémia vied, Bratislava 1960 Zpravodaje CVS • Firemní katalogy • internet: www - stránky výrobců vakuové techniky, ... Úvod • 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 arm = 101325 Pa — 760 torr (fyzikální atmosféra) • 1 ar = 98066.5 Pa = 0.96784 ařm (technická atmosféra) • 1 ps/ = 6890 Pa • 1 psf = 47.8 Pa Historický vývoj 1 • 1643 - E.Torricelli, první vakuum • 1654 - 0. von Guericke, Magdeburské polokoule • 1855 - Geissler, výboje v plynech, rtuťová vývěva • 1874 - H.G.Mac-Leod, kompresní manometr • 1892 - Fleussova pístová vývěva, průmyslová výroba žárovek • 1892 - Dewarova nádoba • 1906 - Pirani, tepelný manometr • 1912- W. Gaede, molekulární vývěva • 1913- W. Gaede, difúzni vývěva • 1916- Buckley, ionizační manometr • 1925 - Fyzika nízkých tlaků, jako samostatný obor • 1926 - olejová difúzni vývěva 1" http://www.svc.org/HistoryofVacuumCoating/History-of-Vacuum- Coating.cfm" • 1929 - kapacitní manometr • 1936 - neopren • 1936 - Penning, výbojový manometr s magnetickým polem • 1950 - Bayard-Alpert - ionizační manometr se žhavenou katodou • 1954 - Alpert - Omegatron • 1958 - Becker, turbomolekulární výveva • 1967 - komerční kvadrupólový spektrometr 1.0e+06 1.0e+04 1.0e+02 1.0e+00 1.0e-02 1.0e-04 1.0e-06 T-1- Hg - U trubice "T" T McLeod loniz.man. Boyle-1660 L] Hawksbee-1704 _1_ _1_ > < □ 1850 □ Geissler-18 5 Drengel-1865 Crookes-1876 Edison-1879 Fleuss-1894 □ Gimingham-1884 Kahlbaum-1894 □ Gaede-1905 □ Gaede-1912 _1_ 1 Sherwood-1918 _I_ 1650 1700 1750 1800 1850 roky 1900 1950 2000 Využití vakua • Věda a výzkum • astronomie - dalekohledy • diagnostické metody • elektronový mikroskop • hmotový spektrometr • optický vakuový spektrometr • tenké vrstvy • plazmochemické reaktory • Fyzika nízkých teplot • urychlovače částic - CERN, LHC délka 27 km • termojaderné reaktory - ITER, objem 834 m3 Hubble Space Telescope 2 • výroba 1977-1979 • broušení 1979-1981 • průměr 2,4 m, celková hmotnost 11 t • přesnost broušení 30 nm • odrazné vrstvy - AI 76.2 nm, fluorid hořčíku - 25.4 • vypuštění - 24.4.1990, let STS 31 http://en.wikipedia.org/wiki/Hubble_Space_Telescope □ s 0 Průmyslové aplikace • vytváření tenkých vrstev • výroba elektronických součástek • osvětlovací technika - žárovky, zářivky • chemický průmysl - čisté látky • metalurgie - čisté kovy, nitridace,... • vakuové manipulátory, pinzety,... • tepelná izolace přesně definované podmínky procesu, izolace studovaného procesu od okolí, velká střední volná dráha 4 & > 4 = ► 4 S 5" http://www.shm-cz.cz/" 4 □ ► 4 fi? ► 4 Zrcadlové plochy Výroba CD-ROM, DVD, ...7 Molecular Beam Epitaxy ohřev podložky a motor kľlropanely s prom.™ rychlosti stínítko kvadrupólovy podložky hmotnostní spektometr "http://www.fzu.cz/oddeleni/povrchy/mbe/index.html" *a> ■< i ► i ono F4160 18 / 26 Experiment na orbitální dráze • tlak na oběžné dráze raketoplánu ( 500 km) 10~6 Pa • za štítem o průměru 3.6 m , 10~12 Pa • 1994 - WSF1 - porucha orientace, STS60 9 • 1995 - WSF2 - porucha MBE, STS69 1996 - WSF3 - úspěch 7 vrstev GaAs/AIGaAs, STS80 http://mek.kosmo.cz/pil_lety/usa/sts/sts-60/index.htiTti ►<(_?► F4160 19 / 26 Závislost tlaku na nadmořské výšce výška [km] tlak [mbar] tlak [Pa] 0 103 105 11 102 104 50 10-2 10° 100 10~3 ío-1 200 10~6 io-4 500 io-8 10~6 1000 io-10 io-8 2000 io-15 io-13 Závislost tlaku na nadmořské výšce Rozdělení vakua 1 vakuum tlak [mbar] tlak [Pa] nízké , hrubé, technické 103 - 10° 105 - 102 střední (FV) 10° - 10-3 102 - 1CT1 vysoké (HV) 10-3 _ io-7 1CT1 - 1CT5 velmi vysoké (UHV) < 1CT7 < 1CT5 Rozdělení vakua 2 vakuum tlak [mbar] tlak [Pa] nízké , hrubé, technické 103 - 10° 105 - 102 střední (FV) 10° - 1CT3 102 - 1CT1 vysoké (HV) 1CT3 - 1CT7 1CT1 - 1CT5 velmi vysoké (UHV) 10-7 _ lo-io 10-5 - 10-8 extréme vysoké (XHV) < io-10 < ítr8 Rozdělení vakua vakuum nízké střední (FV) vysoké (HV) UHV, XHV tlak [Pa] 105 - 102 102 - 10"1 ÍO"1 - ÍO"5 < ÍO"5 n [cm-3] 10i9 _ 10ie 1016 - 1013 1013 - 109 < 109 A [cm] < ícr2 10"2 - 101 101 - 105 > 105 r[s] < ÍO"5 ícr5 - ícr2 Í0-2 - 102 > 102 proudění viskózní Knudsenovo molekulární molekulární F4160 25 / 26 Tenze par