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 2/51 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 • 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, ... Vakuová fyzika 1 □ S 5/51 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 6/51 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 ^ 1.0e+00 as 1 .Oe-02 1.0e-04 - 1.0e-06 I I I Hg - U trubice 1 1 1 McLeod loniz.man. ■ — < >< :> ■ □Boyle-1660 □ Hawksbee-1704 □ 1850 □ Geissler-1858 □ Sprengel-1865 J 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 9/51 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 1e+06 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 / 51 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 13/51 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 15/51 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 n • vypuštění - 24.4.1990, let STS 31 http://en.wikipedia.org/wiki/Hubble_Space_Telescope Great Paris Exhibition Telescope (lens at the same scale) Paris, France (1900) • Yerkes Observatory (40" refractor lens at the same scale) Williams Bay, Wisconsin (1893) Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopic Gran Te|escop|0 Telescope Hebei, China (2009) Hale (200") Mt Palomar, California (1948) Hooker (100") Mt Wilson, California (1917) (1979-1998) (1999-) Multi Mirror Telescope Mount Hopkins, Arizona Canarias La Palma, Canary Islands, Spain (2007) Keck Telescope Mauna Kea, Hawaii (1993/1996) Hobby-Eberly Telescope Davis Mountains, Texas (1996) Southern African Large Telescope Sutherland, South Africa (2005) Gemini North Mauna Kea, Hawaii (1999) BTA-6 (Large Altazimuth Telescope) Zelenchuksky, Russia (1975) Subaru Telescope Mauna Kea, Hawaii (1999) Thirty Meter Telescope Mauna Kea, Hawaii (planned 2022) Large Zenith Telescope British Columbia, Canada (2003) Large Binocular Telescope Mount Graham, Arizona (2005) oo Gemini South Cerro Pachön, Chile (2000) Large Synoptic Survey Telescope El Penon, Chile (planned 2020) Gaia Earth-Sun L2 point (2014) Kepler Earth-trailing solar orbit (2009) OO James Webb Space Telescope Earth-Sun L2 point (planned 2018) A Very Large Telescope . . Cerro Paranal, Chile Hubble Space (1998-2OOO) Telescope Low Earth Orbit (1990) OO Magellan Telescopes Las Campanas, Chile (2000/2002) European Extremely Large Telescope Cerro Armazones, Chile (planned 2022) » Human at the same scale ..5, 10, m 10 20 30 ft Giant Magellan Telescope Las Campanas Observatory, Chile (planned 2020) Tennis court at the same scale Overwhelmingly Large Telescope (cancelled) Arecibo radio telescope at the same scale Basketball court at the same scale wikipedie Vakuová fyzika 1 S1 17 / 51 Tepelná izolace - Dewarova nádoba 1 I 1 Obr. 67. Jednoduchá Dewarova nádoba pro přechovávání LN2 J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 198^ Vakuová fyzika 1 18 / 51 Urychlovače částic velká střední volná dráha LHC, synchrotrony, ... základní výzkum - časticová fyzika, materiály, biologie, medicína farmaceutický průmysl léčení rakoviny Vakuová fyzika 1 19 / 51 Synchrotron Vakuová fyzika 1 20 / 51 LHC Overall view of the LHC experiments. http://Ihc.web.cern.ch/lhc/ Vakuová fyzika 1 21 / 51 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 stopa, větší rozlišení Vakuová fyzika 1 22 / 51 Vakuová fyzika 1 23 / 51 Hmotnostní spektrometr Vakuová fyzika 1 24 / 51 ITER plazma: 840 m3, vakuum komora: 1400 m3, celkem vakuum: 8500 m www.iter.org Vakuová fyzika 1 □ - = 25 / 51 www.iter.org □ - = Vakuová fyzika 1 26 / 51 ITER • potřebný tlak ~ 10 Pa, • komora: 840 m3 plazma, objem 1400 m3 , kryostat, celkem ~ 8500 m3 • na komoře 6 kryo-vývěv (4,5 K), 4 čerpají, 2 regenerace - 10 min., 100 K • na kryostatu a porn. zařízeních dalších 6 vývěv • sorbent: aktivní uhlí, 20 let výzkum - kokosové ořechy, Indonésie (2002) • nej větší celokovový ventil • první plazma 2025 ?, původní plán 2016 □ t3 Molecular Beam Epitaxy ohřev pod rožky a motor kry°panel* s proměnnou rychlostí stínítko kvádru póíový podložky hmotnostní spektometr http: //www. fzu.cz/oddeleni/povrchy/mbe/index. html Vakuová fyzika 1 28 / 51 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/pil_lety/usa/sts/sts-60/index.htm Vakuová fyzika 1 29 / 51 Pádová věž • ZARM - Brémy • výška 146 m, průměr 3,5 m, celkem objem 1700 m: • 18 vývěv, čerpací rychlost 32 000 m3/h, tlak 10 Pa • doba pádu asi 5 s http://en. wikipedia.org/wiki/University_of_Bremen □ s LIGO - Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory objem asi 10 000 m3, tlak ~10"7 Pa Wikipedia Experiment - KATRIN parametry stabilní sloupcová transport částic 3 zdroje hustota tritia a odčerpání tritia zadržení přesná energetická polohově citlivý n ízkoenergetických analýza částic p detektor částic (3 částic p zadní část plynný zdroj tritiových molekul rozpad p deferencialni čerpání tritia předsazený hlavní elektronový 1 detektor spektrometr spektrometr 3x 10 3mbar ±lkV 70 m www.osel.cz Vakuová fyzika 1 32 / 51 Experiment - KATRIN www.symmetrymagazine.org Vakuová fyzika 1 33 / 51 Casimirův jev http://en.wikipedia.org/wiki/ Vakuová fyzika 1 34 / 51 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 http: //www.shm-cz.cz/ Vakuová fyzika 1 36 / 51 http://www.shm-cz.cz/ Vakuová fyzika 1 37/51 Zrcadlové plochy Technológia hmot vákuovej techniky, SAV, Bratislava 1960 Vakuová fyzika 1 38 / 51 W. Espe: Technológia hmot vákuovej techniky, SAV, Bratislava 1960 Vákuová fyzika 1 39/51 PACVD ION SHEATH SUBSTRATE SUPPORT BLOCKING CAFWCITOR MATCHING NETWORK FORWARD POWER REFLECTED POWER 0—& RADIO-FREQUENCY GENERATOR CABLE BASEPLATE R.V.Stuart: Vacuum technology Thin Films and Sputtering, Academic Press 1983 Výroba CD-ROM, DVD, 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 http://www.pfeiffer-vacuum.net/ Vakuová fyzika 1 □ g 1; ^)C\(y 41 / 51 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 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 c =} o o i_ c S2 í/3 C CO 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 SoGv >v 61-coreXeon Phi' 12-core POWERS 8-core Xeon Nehalem-EXv j± m Six-core Xeo_n 7400__ £ ♦ ^ ♦ ♦ 22-core Xeon Broadwell-E5 ^-1^-core Xeon Ivy Bridge-EX Dual-core Itanium 2^ Pentium D Presler. Itanium 2 with 9 MB cached \ Itanium 2 Madison 6M^ Pentium D Smithfield-^ Itanium 2 McKinley^ Q Pentium 4 Prescott-2MO AMDK8<^ ^ POWER6 ♦♦r Core i7 (Quad) ♦ BM z13 Apple A8X (tri-core ARM64 "mobile SoC") Y8-core Core i7 Haswell-E > 9 A Duo-core i GPU Iris Core i7 Broadwell-U <# <& <& c# r# c# «# «# c# cd" c# C# ^ ^ f f f ^ rf) f f 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 □ = Vakuová fyzika 1 45 / 51 10 [jm «10 Mm (1971) e.g. htel 8008 Red light (700nmwavelengp) 1|JTI 100 nm 10 nm (2012) e.g. Core i7 (ryy Bridge) 14 nm (2014) e.g. Core M (Broadwell) 10 nm (2017) 1970 1980 Staphylococcus \ aureus bacterium \ Spermatozoon head Red blood cell cross-section Human immunodeficiency virus (HIV) http://en.wikipedia.org Vakuová fyzika 1 46 / 51 Modular Process Zones Gate Valve Sputtering Chamber View Port Door with Viewport Substrate Entry F.OHanlon: A Users Gaude to Vacuum Technology, Wiley (2003) Vakuová fyzika 1 47 / 51 Metalurgie Olbr. 9,2-6. Vákuová taviaca pec pre vsádzku 4 t s vákuovotesne nasadenými kokilami (Ltohn; výrobca: Heraeus Vacuumschntclze). W. Espe: Technológia hmot vákuovej techniky, SAV, Bratislava 1960 Vakuová fyzika 1 48 / 51 Figure 4.2 First stage of a steam jet vacuum pump for a steel degassing plant. WJorish: Vacuum Technology in the Chemical Industry, Wiley, 2015 Vakuova fyzika 1 49/51 Doprava, budoucí aplikace - Hyperloop Odhad max. rychlost: ~ 1200 km/h, vzdálenost 560 km za 35 min pro porovnání: TGV - 320 km/h, Maglev 600 km/h Wikipedia e dané aplikace a tlaku, který potřebujeme musíme vybrat vakuový čerpací systém - typ vývěv, čerpací rychlosti, ... manometry pro měření tlaku materiály pro konstrukci aparatury