F4160 Vakuová fyzika 1 Pavel Slavíček email: ps94@sci.muni.cz Vakuová fyzika 1 1 / 44 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 Vakuová fyzika 1 2/44 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 Vakuová fyzika 1 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 • A.Tálský, J.Janča: Speciální praktikum z vysokofrekvenční elektroniky a fyziky plazmatu, skripta, Brno 1975 • J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 Vakuová fyzika 1 4/44 • Delchar: Vacuum Physics and Techniques, Chapman Hall, 1993 • L.Patý: Základní pojmy fyziky plynů, SPNP, Praha 1970 • P.Lukáč: Zbierka príkladov z vákuovej fyziky, UKB, Bratislava 1988 • P.Lukač, V.Martišovitš: Netesnosti vakuových systémov, Alfa, Bratislava 1981 Zpravodaje CVS • firemní katalogy • internet: www - stránky výrobců vakuové techniky, ... Vakuová fyzika 1 5/44 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 Vakuová fyzika 1 6/44 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 1http://www.svc.org/HistoryofVacuumCoating/History-af-Vaaiium-£oatÍB:g.cfni ono 7/44 Vakuová fyzika 1 • 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 Vakuová fyzika 1 8/44 o. 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 Hawksbee-1704 _1_ _1_ > < □ 1850 □ Geissler-18 Drengel-1865 Crookes-1876 Edison-1879 Fleuss-1894 □ Gimingham-1884 Kahlbaum-1894 □ Gaede-1905 □ Gaede-1912 Sherwood-1918 1650 1700 1750 1800 1850 roky 1900 1950 2000 4 □ ► 4 (5? ► 4 Vakuová fyzika 1 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 Vakuová fyzika 1 10 / 44 Závislost tlaku na nadmořské výšce Vakuová fyzika 1 11/44 Rozdělení vakua 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 Vakuová fyzika 1 12 / 44 Rozdělení vakua vakuum nízké střední (FV) vysoké (HV) UHV, XHV tlak [Pa] 105 - 102 102 - 10"1 ícr1 - ÍO"5 < ÍO"5 n [cm-3] 10i9 _ 10ie 1016 - 1013 1013 - 109 < 109 A [cm] < icr2 10"2 - ÍO1 101 - 105 > 105 r[s] < ÍO"5 ÍO"5 - ÍO-2 ÍO-2 - ÍO2 > 102 proudění viskózni Knudsenovo molekulární molekulární Vakuová fyzika 1 13 / 44 Využití vakua Vědecké aplikace růmyslové aplikace Využití vakua - vědecké aplikace • astronomie - dalekohledy • diagnostické metody - elektronový mikroskop, hmotový spektrometr, optický vakuový spektrometr, XPS, ... • fyzika plazmatu - výboje v plynech, ... • chemie - filtrace, vakuová destilace, čisté materiály, ... • metrologie - etalony pro kalibrace • tenké vrstvy - naparování, naprašování • plazmochemické reaktory • fyzika nízkých teplot • urychlovače částic - synchrotrony, LHC, ... • termojaderné reaktory - ITER, ... • základní výzkum - simulátory kosmického prostoru, pádová věž, Casimirův jev, ... Vakuová fyzika 1 16/44 Hubble Space Telescope 3 • 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 nm • vypuštění - 24.4.1990, let STS 31 3http://en.wikipedia.org/wiki/Hubble_Space_Telescope □► <(_?► 17 / 44 Vakuová fyzika 1 Dewarova nádoba a) ^ He(kapalne) ~soo 4_ 4J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1984 < i ► i ono 18 / 44 Vakuová fyzika 1 Urychlovače částic • velká střední volná dráha • LHC, synchrotrony, ... • základní výzkum - časticová fyzika, materiály, biologie, medicína • farmaceutický průmysl • léčení rakoviny Vakuová fyzika 1 19 / 44 Synchrotron 6" http://lhc.web.cern.ch/lhc/" Vakuová fyzika 1 21 / 44 Elektronové mikroskopy • katoda - termoemisní < 10~2Pa • katoda - autoemisní studená emise < 10~8Pa • Schottkyho katoda < 1CT6Pa • prodloužení životnosti, vyšší stabilita, užší svazek elektronů • výhody autoemise - nižší rozptyl energií elektronů =>■ menší stopa, větší rozlišení Vakuová fyzika 1 22 / 44 Napařovačka Vakuová fyzika 1 23 / 44 Vakuová fyzika 1 24 / 44 ITER - 840 m3 7 Vakuová fyzika 1 25 / 44 Molecular Beam Epitaxy ohřev podložky a motor kľlropanely s prominou rychlosti stínítko kvadrupólový podložky hmotnostní spektometr '"http://www.fzu.cz/oddeleni/povrchy/mbe/index.htmľ ■*ů? ► Vakuová fyzika 1 26 / 44 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 ►<(_?► Vakuová fyzika 1 27/44 Pádová věž • ZARM - Brémy • výška 146 m, průměr 3.5 m, celkem objem 1700 m3 • 18 vývěv, čerpací rychlost 32 000 m3/h, tlak 10 Pa • doba pádu asi 5 s 10_ 10http://en.wikipedia.org/wiki/University_of_Bremen < □ ► <(_?► 28 / 44 Vakuová fyzika 1 Casimirův jev Casimi plates Vacuum fluctuations li 1 http://en.wikipedia.org/wiki/ Vakuová fyzika 1 Využití vakua - průmyslové aplikace • osvětlovací technika - žárovky, zářivky, úsporné žárovky • vytváření tenkých vrstev - okna, brýle, zrcadla, ... • bariérové vrstvy na lahve • elektronika • chemický průmysl - vakuová destilace ropy,... • metalurgie - čisté kovy, nitridace,... • vakuové manipulátory, pinzety,... • kryogenní technika - tepelná izolace • vakuové balení potravin • regenerace transformátorových olejů • svařovaní e-svazkem • lisování plastických hmot • odlévání plastických hmot Vakuová fyzika 1 30/44 Vakuová fyzika 1 31 / 44 TiN- adhesive layer TiAIN - layer with max. hardeness TiAICO I - layer with optimal stechiometry AITiCO II - layer with low friction coetfiecient -LUBRIK " http://www.shm-cz.cz/" Vakuová fyzika 1 32 / 44 Zrcadlové plochy 15 15W. Espe: Technológia hmot vákuovej techniky, SAV, Bratislava 1960 34 / 44 Vakuová fyzika 1 PACVD ION SHEATH • SUBSTRATE SUPPORT BLOCKING CARACITOR TARGET MATCHING NETWORK VACUUM CHAMBER BASEPLATE FORWARD REFLECTED POWER POWER -0—0- RADIO-FREQUENCY GENERATOR rf CABLE 16 R.V.Stuart: Vacuum technology Thin Films and Sputtering, Academic Press W83o<\& 35 / 44 Vakuová fyzika 1 Výroba CD-ROM, DVD, ...lľ Bariérová vrstva při výrobě plastových lahví PET • transparentní bariérová vrstva SiOx • zlepšení vlastností plastů • zabránit pronikání plynů zejména O2 a CO2 • PACVD - mikrovlnné plazma • kapacita ~ 10000 lahví za hodinu Vakuová fyzika 1 37 / 44 Elektronika Vakuová fyzika 1 38 / 44 Vakuová fyzika 1 39 / 44 Aplikace v mikroelektronice 18_ 18 http://en. wikipedia.org/wiki/ Vakuová fyzika 1 40 / 44 19_ 19http://en. wikipedia.org/wiki/ Vakuová fyzika 1 41 / 44 20 20F.OHanlon: A Users Gaude to Vacuum Technology, Wiley (2003) 42 / 44 Vakuová fyzika 1 Metalurgie 21 *. m Obr. 9.2-6. Vákuová taviaca pec pre vsádzku 4 t a vákuovotesne nasadenými kokilami (líolm: výrobca: Heraeus Vac uumschmelze). 1W. Espe: Technológia hmot vákuovej techniky, SAV, Btatislaya 1960 Vakuová fyzika 1 Závěr Podle dané aplikace a tlaku, který potřebujeme musíme vybrat: • vakuový čerpací systém - typ vývěv, čerpací rychlosti, ... • manometry pro měření tlaku • materiály pro konstrukci aparatury Vakuová fyzika 1 44 / 44