F6450 Vakuová fyzika 2 Pavel Slavíček email: ps94@sci.muni.cz Osnova: * Vázané plyny * Sorpční vývěvy * kryogenní * zeolitové * sublimační * iontové * nevypařované getry - NEG * Měření ve vakuové fyzice * měření proudu plynu * měrění tenze par plynu * Konstrukční prvky vakuových zařízení - vhodné materiály, spoje,... 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 * W. Espe: Technologia hmot vákuovej techniky, Slovenská akadémia vied, Bratislava 1960 * Zpravodaje CVS * Firemní katalogy * internet: www - stránky výrobců vakuové techniky, ... Rozdělení vakua vakuum tlak [mbar] tlak [Pa] nízké (GV), 103 - 100 105 - 102 hrubé, technické střední (FV) 100 - 10-3 102 - 10-1 vysoké (HV) 10-3 - 10-7 10-1 - 10-5 velmi vysoké (UHV) 10-7 - 10-10 10-5 - 10-8 extremě vysoke (XHV) < 10-10 < 10-8 Rozdělení vakua vakuum střední (FV) vysoké (HV) (UHV) a (XHV) tlak [Pa] 102 - 10-1 10-1 - 10-5 < 10-5 koncentrace [cm-3 ] 1016 - 1013 1013 - 109 < 109 střední dráha [cm] 10-2 - 101 101 - 105 > 105 monovrstva [s] 10-5 - 10-2 10-2 - 102 > 102 typ proudění Knudsenovo molekulární molekulární Vázané plyny: Plyny, které jsou na povrchu, nebo uvnitř pevné látky, nebo jsou uzavřeny v pórech a dutinách. Plyny se mohou v látkách rozpouštět a difundovat a tak pronikat z vnějšího prostředí stěnami do vakuového systému. Sorpce: * adsorpci - na povrchu * absorpci - difuze do objemu Příklad: Vliv adsorbovaných plynů na vakuum. Reaktor ve tvaru krychle o straně 10 cm je pokryt na vnitřních stěnách monomolekulární vrstvou plynu. Je v něm plyn o tlaku 1x10-4 Pa a teplotě 300 K. Nějakým způsobem uvolníme všechen vázaný plyn ze stěn. Předpokládejme, že teplota plynu zůstane stejná. Jaký je výsledný tlak v reaktoru? Řešení: Počet molekul v objemu při tlaku P = 1x10-4 Pa: N = nV = P kT V = 2.4x1013 Počet molekul na stěnách: N1 = 6xSxNp N1 = 6x100x0.5x1015 = 3x1017 tlak uvolněných molekul: P1 = n1kT = N1 V kT = 1.24 Pa Požadavky na materiály používané ve vakuové technice: * co možná nejmenší uvolňování plynů a par, nízká tenze par při pracovní teplotě * malá schopnost pohlcovat a propouštět plyny * musí odolávat všem pracovním teplotám a mechanickým pnutím, musí mít vhodné elektrické vlastnosti(podle dané aplikace) Základní procesy probíhající mezi plynem a povrchem pevné látky odraz molekuly adsorpce desorpce difuze po povrchu chemická reakce na povrchu difuze do objemu difuze z objemu na povrch Plyny adsorbované na povrchu * fyzisorbce - slabá vazba, van der Waalsova vazba, dlouhý dosah R0 > 3x10-10m, E = A R9 - B R3 * chemisorpce - silné chemické vazby, krátký dosah, 1x10-10m < R0 < 3x10-10m E = D0(1 - exp[-a(R - R0)])2 Koeficient ulpění 1 = 1 4 nva 1ef = 1 = 1ef 1 * = 1, adsorpce každé molekuly, která dopadne na povrch * = 0, všechny molekuly se odrazí Stupeň pokrytí = N1 N1p N1 - počet adsorbovaných atomů, N1p - počet volných míst v monomolekulární vrstvě, pro méně přesné výpočty se bere N1p = 0.5x1015cm-2 * = 0, čistý povrch * = 1, zcela pokrytý povrch plyn He Ne H2 O2 Ar N1p[1015cm-2] 2.42 1.72 1.52 0.87 0.85 plyn N2 CO CO2 H2O CH4 N1p[1015cm-2] 0.81 0.81 0.53 0.53 0.52 CO na wolframu Ts [K] 300 500 700 900 1100 N1p[1015cm-2] 0.56 0.44 0.42 0.33 0.19 0.45 0.40 0.35 0.33 0.3 wolfram, 300 K plyn N1p[1015cm-2] N2 0.3-0.55 0.2-0.55 0.3-0.5 CO 0.2-0.6 0.5-0.65 0.3-0.6 O2 0.2-0.3 - 0.7 H2 0.2-0.3 0.4-0.7 0.4-0.5 Cs 1 0.38 1