F4160 Vakuová fyzika 1 Pavel Slavíček email: ps94@sci.muni.cz Osnova • U vod 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 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, JJanča: 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: Netěsnosti vakuových systémov, Alfa, Bratislava 1981 • P.Slavíček a kol.: Vakuová fyzika 1, Munipress 2016 • 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 atm = 101325 Pa = 760 torr (fyzikální atmosféra) 1 at = 98066,5 Pa = 0,96784 atm (technická atmosféra) 1 psi = 6890 Pa 1 psf = 47, 8 Pa Vakuová fyzika 1 6/44 Historický vývoj • 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 - M. Pirani, Piraniho 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 http: //www.svc.org/HistoryofVacuumCoating/History-of-Vacuum-Coating.cfm Vakuová fyzika 1 7/44 • 1929 - kapacitní manometr • 1933 - neopren • 1936 - Penning, výbojový manometr s magnetickým polem • 1950 - Bayard-Alpert - ionizační manometr se žhavenou katod • 1958 - Becker, turbomolekulární výveva • 1967 - komerční kvadrupólový spektrometr • 1973 - Scroll výveva • 1982 - viskózni manometr s rotující kuličkou 1.0e+06 1.0e+04 1.0e+02 03 CL ^ 1.0e+00 03 1 .Oe-02 1.0e-04 - 1.0e-06 1 1 1 1 1 1 Hg - U trubice McLeod loniz.man. - -□Boyle-1660 □ Hawksbee-1704 □ 1850 □ Geissler-1858 □ Sprengel-1865 □ Crookes-1876 □ Edison-1879 □ Fleuss-1894 □ Gimingham-1884 i i i Kahlbaum-1894 □ Gaede-1905 □ Gaede-1912 □ Sherwood-1918 i i i 1650 1700 1750 1800 1850 roky 1900 1950 2000 □ = Vakuová fyzika 1 9/44 Závislost tlaku na nadmořské výšce výška [km] tlak [mbar] tlak [Pa] 0 103 105 11 102 104 50 10-2 10° 100 10-3 10_1 200 10~6 10"4 500 10"8 ÍO"6 1000 10-io 10"8 2000 ÍO"15 ÍO"13 Závislost tlaku na nadmořské výšce 1e+06 10000 1000 vyska [km] 2000 Tlak na Měsíci 1 nPa = 10"9 Pa Tlak v mezihvězdném prostoru 100 jiPa — 3 ňPa, 10~4 Pa — 3 x Rozdělení vakua vakuum tlak [mbar] tlak [Pa] nízké, hrubé, technické 103 - 10° 105 - 102 střední (FV) 10° - 10-3 102 - 10_1 vysoké (HV) 10-3 - io-7 10_1 - 10~5 velmi vysoké (UHV) 10~7 - 10-10 10~5 - 10~8 extrémně vysoké (XHV) < ÍO"10 < 10"8 Rozdělení vakua vakuum nízké střední (FV) vysoké (HV) UHV, XHV tlak [Pa] 105 - 102 102 - 10_1 10_1 - 10-5 < 10-5 n [c/t?~3] 1019 - 1016 1016 - 1013 1013 - 109 < 109 X[cm] < io-2 10-2 - 101 101 - 105 > 105 r[s] < 10-5 IO-5 - 10-2 10-2 _102 > 102 proudění viskózní Knudsenovo molekulární molekulární Vakuová fyzika 1 13/44 Tenze par VO 200 300 500 700 1000 2000 3000 r8 (K) 2_ ry ^ J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 Vakuová fyzika 1 14/44 Využití vakua Vědecké aplikace Průmyslové aplikace Využití vakua - vědecké aplikace • astronomie - dalekohledy • diagnostické metody - elektronový mikroskop, hmotnostní 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, LIGO, 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 n m • odrazné vrstvy - AI 76,2 nm, fluorid hořčíku - 25,4 nm • vypuštění - 24.4.1990, let STS 31 http://en.wikipedia.org/wiki/Hubble_Space_Telescope □ Vakuová fyzika 1 17/44 Dewarova nádoba , He(kapalne) Ó) I 4J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 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 LHC 6 Overall view of the LHC experiments, http://Ihc.web.cern.ch/lhc/" Vakuová fyzika 1 <3 = 21 / 44 Elektronové mikroskopy katoda - termoemisní < 10 Pa katoda - autoemisní studená emise < 10~8Pa Schottkyho katoda < 10"6Pa prodloužení životnosti, vyšší stabilita, užší svazek elektronů výhody autoemise - nižší rozptyl energií elektronů =4> menší větší rozlišení Napařovačka Vakuová fyzika 1 23 / 44 Hmotnostní spektrometr ITER - 840 m3 "www.iter.org" Vakuová fyzika 1 25 / 44 Molecular Beam Epitaxy ohřev pod rožky a motor kryopanefy s proměnnou rychlostí stínítko kvádru pólový podložky hmotnostní spektometr " http://www.fzuxz/oddeleni/povrchy/mbe/index.htmĽí 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 9http://mek. kosmo.cz/pil_lety/usa/sts/sts-60/index.htnb Vakuová fyzika 1 27 / 44 Pádová věž • ZARM - Brémy • výška 146 m, průměr 3,5 m, celkem objem 1700 nr • 18 vývěv, čerpací rychlost 32 000 m3/h, tlak 10 Pa • doba pádu asi 5 s http: //en.wikipedia.org/wiki/University_of_Bremen Casimirův jev Casimir plates Vacuum fluctuations li li http: //en. wikipedia.org/wiki/ □ Vakuová fyzika 1 29 / 44 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 Tenké vrstvy 13 " http://www.shm-cz.cz/" Vakuová fyzika 1 32 / 44 Zrcadlové plochy 14 Si0z(U'l05cm) AI (* 1:10'"cm) Cr (* J-10' scm) Sklo 14 W. Espe: Technológia hmot vákuovej techniky, SAV, Bratislava 1960 Vakuová fyzika 1 33 / 44 ___________________ _. O b r. 10-218. Odber pohliníkovaného reflektora (pozri obr. 10-216) z naparovacieho zariadenia. Snímka závodu: General Electric Comp. (pozri Rose). b? 15 15 W. Espe: Technológia hmot vákuovej techniky, SAV, Bratislava 1960 = Vakuová fyzika 1 PACVD ION SHEATH SUBSTRATE SUPPORT BLOCKING CAPACITOR 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 1983 Vakuová fyzika 1 35 / 44 Výroba CD-ROM, DVD, ...lľ Multi Layer Metalizer ► DVD-RAM, DVD±RW, DVD Blue-ray, and CD-RW sputtering system ► 9 sputtering chambers, 9 relaxation chambers, and 1 load-lock ► Very high layer uniformity ► Low disk temperature ► Disk rotates during the deposition for minimum layer's roughness ► All-in-one plug & play system 17 " http.y/www.pfeiffer-vacuu m. net/" □ Vakuová fyzika 1 36 / 44 Bariérová vrstva při výrobě plastových lahví PET • transparentní bariérová vrstva SiOx • zlepšení vlastností plastů • zabránit pronikání plynů zejména O2 3 CO2 • PACVD - mikrovlnné plazma • kapacita ~ 10000 lahví za hodinu Elektronika Vakuová fyzika 1 □ S1 38 / 44 Aplikace v mikroelektronice Microprocessor Transistor Counts 1971-2011 & Moore's Law C Cere SP.\-jü I! 2,600,000,0001 1,000,000,000 100,000,000 ZI o u ĺ-o -I—■ 'l/l c ŕ 10,000,000 1,000,000 100,000 10,000 2,300 SH-CoreCore Dual-Cura Hnum^i AMDK18 FO/JEFB* - Man 2 w 'h 3Mi íKht# curve shows LraníisLcr iůunl doubling svary vij íir.-i O-UVň Kocil WňíJiTlňňl-EX Í1..11: PO-'-FR- " ^uad-L-nre Hanum iu«^ia B Ccre-Stl-iíJH-Jln-- EX \ Sií-Cnni dan.™ 2100 Core 17 ^^•/hCA 1B02 1971 19ö0 ŕ 000 2011 Date of introduction 18 18 http: //en. wikipedia.org/wiki/ Vakuová fyzika 1 □ 40 / 44 10 um «10 [im (1971) e.q 1 |am 100 nm 10 nm 22 nm (2011) e.g. Xeon E3-123 1970 Staphylococcus aureus bacterium Red blood cell cross-section Human immunodeficiency virus (HIV) 19 19 http: //en. wikipedia.org/wiki/ Vakuová fyzika 1 □ t3 Modular Process Zones Gate Valve Sputtering Chamber Door with Viewport Substrate Entry 20 F.OHanlon: A Users Gaude to Vacuum Technology, Wiley (2003) Vakuová fyzika 1 42 / 44 Metalurgie O br. 9,2-6. Vákuová taviaca pec pre vsádzku 4 t s vákuovotesne nasadenými kokilami (liohn; výrobca: Heraeus Yacuumschntclze). 21 21 W. Espe: Technológia hmot vákuovej techniky, SAV, Bratislava 1960 Vakuová fyzika 1 43 / 44 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