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 • 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 ÍO4 50 10-2 10° 100 10-3 10_1 200 10-6 ÍO"4 500 10"8 10-6 1000 10-io ÍO"8 2000 ÍO"15 ÍO"13 Závislost tlaku na nadmořské výšce CO CL CO 1000 vyska [km] 2000 Tlak na Měsíci 1 nPa = 10"9 Pa Tlak v mezihvězdném prostoru 100 //Pa - 3 fPa, 10~4 Pa - 3 xlO-15 Pa Vakuová fyzika 1 11 / 44 Rozdělení vakua vakuum tlak [mbar] tlak [Pa] nízké, hrubé, technické 103 - 10° 105 - 102 střední (FV) 10° - ÍO-3 102 - 10-1 vysoké (HV) 10-3 - io~7 10-1 - 10~5 velmi vysoké (UHV) 10~7 - ÍO-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 [cm-3] 1019 - 1016 1016 - 1013 1013 - 109 < 109 A [cm] < 10"2 10-2 - 101 101 - 105 > 105 r [s] < 1(T5 10-5 - 1(T2 10"2 - 102 > 102 proudění viskózní Knudsenovo molekulární molekulární Vakuová fyzika 1 13/44 Tenze par KO 200 300 500 700 1000 2000 3000 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 • 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 kowski: 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 http://en.wikipedia.org/ Vakuová fyzika 1 □ 20 / 44 LHC Overall view of the LHC experiments. Vakuová fyzika 1 21 / 44 Elektronové mikroskopy katoda - termoemisní < 10~2 Pa katoda - autoemisní studená emise < 10~8 Pa Schottkyho katoda < 10"6 Pa prodloužení životnosti, vyšší stabilita, užší svazek elektronů výhody autoemise - nižší rozptyl energií elektronů menší větší rozlišení Napařovačka Hmotnostní spektrometr ITER - 840 m3 www.iter.org Vakuová fyzika 1 □ 25 / 44 Molecular Beam Epitaxy ohřev podfožky a motor kryopanel* s proměnnou rychlostí stínítko kvádru pólový podložky hmotnostní spektometr http: //www.fzu.cz/oddeleni/povrchy/mbe/i ndex.html 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 1995 - WSF2 - porucha MBE, STS69 1996 - WSF3 - úspěch 7 vrstev GaAs/AIGaAs, STS80 http://mek.kosmo.cz/piIJety/usa/sts/sts-60/index.htm Vakuová fyzika 1 27 / 44 Pádová věž • ZARM - Brémy • výška 146 m, průměr 3,5 m, celkem objem 1700 rrr • 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 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 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 coeffiecient -LUBRIK http: //www.shm-cz.cz/ = 5 -0 0,0 Vakuová fyzika 1 32 / 44 Zrcadlové plochy Si0z(2.2'105cm) AI f* /.* 10'"cm) Cr(*3-1(Tscm) Sklo W. Espe: Technológia hmot vákuovej techniky, SAV, Bratislava 1960 Vakuová fyzika 1 33 / 44 yd O b r. 10-218. Odber pohliníkovaného reflektora (pozri obr. 10-216) z naparovacieho zariadenia. Snímka závodu: General Electric Comp. (pozri Rose). W. Espe: Technológia hmot vákuovej techniky, SAV, Bratislava 1960 □ ť_ÍP = vákuová fyzika 1 PACVD BLOCKING CAFWCITOR TARGET ION SHEATH SUBSTRATE SUPPORT MATCHING NETWORK i_____; ;______i VACUUM .. CHAMBER BASEPLATE FORWARD REFLECTED POWER POWER -0—0— RADIO-FREQUENCY GENERATOR rf CABLE R.V.Stuart: Vacuum technology Thin Films and Sputtering, Academic Press 1983 Vakuová fyzika 1 35 / 44 Výroba CD-ROM, DVD, ... http: / / www. pfeiffer-vacu u m. net/ 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 □ 3 37 / 44 Elektronika Aplikace v mikroelektronice Moore's Law - The number of transistors on integrated circuit chips (1971-2016) Moore's law describes the empirical regularity that the number of transistors on integrated circuits doubles approximately every two years. This advancement is important as other aspects of technological progress - such as processing speed or the price of electronic products strongly linked to Moore's law. Our World in Data arc 20,000,000,000 10,000,000,000 5,000,000,000 1,000,000,000 500,000,000 100,000,000 50,000,000 rz ZS o o ■_ c CO 00 CZ 10,000,000 5,000,000 1,000,000 500,000 100,000 50,000 10,000 5,000 1,000 IBM z13 Storage Controller 18-core Xeon Haswell-E5* Xbox One main SoCv^, 61-core Xeon Phi 12-core POWER core Xeon Nehalem-EX-» ^ | Six-core Xep_n 7400^ £ ♦ i ^SPARC M7 <^22 core Xeon Broadwell-ES g ^-l^-core *eon lvy Bridge-EX Dual-core Itanium 2^ Pentium D Presler ▼Cnm i7 ICii lar ♦IBM Z13 AApple A8X (tri-core ARM64 "mobile SoC") Y8-uore Core i7 Haswell-E V A Duo-core + GPU Iris Core i7 Broadwell-U Quad-core + GPU GT2 Core i7 Skylake K POWER6 Itanium 2 with \ ♦ 9 MB cached Itanium 2 Madison 6M^ "V ^Core 2 Duo Wolfdale Pentium D Smithfield v _FCore 2 Duo Conroe Itanium 2 McKinley^ A £Cell ♦Core 2 Duo Wolfdale 3M Pentium 4 Prescott-2Mv ♦sOCore 2 Duo Allendale AMDKBOO, ^Pentium 4 Cedar Mill Apple A7 (dual-core ARM64 "mobile SoC") Core i7 (Quadl Quad-core - GPU Core i7 Haswel pie ^AMD Kip quad-core 2M L3 Pentium 4 Prescott Pentium 4 Northwood^ <>Barton Pentium 4 Willamette^ ♦ \. n * .... ~- Pentium III Tualatir Pentium II Mobile Dixon^ AMD K7 ♦ ♦Pentium III Coppermine AMD K6-III ♦Atom ♦ARM Cortex-A9 AMD K6 Pentium Pro__ pe| *' AMD K5 ♦ SA-110 urn PeWium H ♦ R4000 Lisp machine chip Intel 80386^ R^7C Motorola 68020^ lntel1to286 ♦Intel 80186 Intel 8086^ ♦Intel Motorola 68000^ !&_♦ *AnM3 ^TIEG WRL MultiTitan TMS 1000 ZilogZ80 ♦ Ý WDC 65C02 WTJC 65C816 — ♦ARM 2 WIM 1 ♦ Novix NC40I6 ♦ ARM 6 40*04 Anteil .„ rMOS Technology Motorola fiRn? 6800 DDUi AF?M 9TDMI fo ^ ^ ^ S> Ä k'V > >& Year of introduction Data source: Wikipedia (https://en.wikipedia.org/wiki/Transistor_count) The data visualization is available at OurWorldinData.org. There you find more visualizations and research on this topic. Licensed under CC-BY-SA by the author Max Roser. //en.wikipedia.org □ = Š <0 Q, O Vakuová fyzika 1 40 / 44 10 um ^0 um (1971) e.g. htel 8008 Red licfat (700nrnwavelengp) 100 nm 10 nm 1970 22 nm (2012) e.g. Core i7 (lyy Bridge) 14 nm (2014) e.g. Core M (Broadwell) Lonmr20171 1980 1990 2000 2010 Staphylococcus \ Spermatozoon aureus bacterium \ head Red blood cell cross-section Human inrnuno-defiäencyúrus (HIV) http://en.wikipedia.org Vakuová fyzika 1 41 / 44 Modular Process Zones Gate Valve Sputtering Chamber Door with Viewport Substrate Entry F.OHanlon: A Users Gaude to Vacuum Technology, Wiley (2003) <□► < ö ► < ^1 ► < ^1 ► 1: ^c\0 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 Vacuumschntclze). 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 «0 0,0 44 / 44