F6450 Vakuová fyzika 2 Pavel Slavíček email: ps94@sci.muni.cz □ B> - - Osnova • Vázané plyny • Sorpční vývevy • kryogenní • zeolitové • sublimační • iontové • getrové - vypařované, nevypařované (NEG) • Měření ve vakuové fyzice • měření proudu plynu • měrění tenze par plynu • Konstrukční prvky vakuových zařízení - vhodné materiály, spoje (pevné, rozebíratelné), el.průchodky, přenos pohybu do vakua, ventily, ... • Povlakování □ g - = ^ -OQ.O HH F6450 2/21 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: Technológia hmot vákuovej techniky, Slovenská akadémia vied, Bratislava 1960 • W.H.Kohl: Handbook of materials and techniques for vacuum devices, AIP Press, 1995 • Zpravodaje CVS • Firemní katalogy □ g - = ^ -OQ.O HH F6450 3/21 Literatura - internet • www.vakspol.cz • www.svc.org • www.fzu.cz www.shm-cz.cz • lhc.web.cern.ch/lhc/ • en.wikipedia.org/wiki/main_page • www - stránky výrobců vakuové techniky □ _p - = 4/21 Rozděleni vakua vakuum tlak [mbar] tlak [Pa] nízké (GV), hrubé, technické 103 - 10° 105 - 102 střední (FV) 10° - 10"3 102 - 10"1 vysoké (HV) 10"3 - 10"7 10"1 - 10"5 velmi vysoké (UHV) 10-7 _10-1° 10"5 - 10"8 extreme vysoké (XHV) < io-10 <10"8 Rozděleni vakua vakuum střední (FV) vysoké (HV) (UHV) a (XHV) tlak [Pa] 102 - 10"1 ícr1 -ícr5 < ícr5 koncentrace [cm-3] 1016 - 1013 1013 - 109 <109 střední dráha A [cm] ícr2 - 101 101 - 105 > 105 monovrstva t[s] ícr5 - ícr2 KT2 - 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 difundovat a tak pronikat z vnějšího prostředí stěnami do vakuového systému. Sorpce: • adsorpci - na povrchu • absorpci - difúze do objemu Příklad: Vliv adsorbovaných plynů na vakuum. Reaktor ve tvaru krychle o straně 10 cm je pokryt na vnitřních stěnách mono-molekulární vrstvou plynu. Je v něm plyn o tlaku 1 x 10~4 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? F6450 8/21 Rešem: Počet molekul v objemu při tlaku P = 1 x ÍO-4 Pa: N = nV = —V = 2A x 1013 kT Počet molekul na stěnách: JVi = 6xSxJVp x tlak uvolněných molekul: Ni = 6 x 100 x 0.5 x 1015 = 3 x 1017 Ni Pí = mkT = -^kT = 1.24 Pa □ S1 9/21 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 • dobré tepelné vlastnosti (4-700 K) • dobré mechanické vlastnosti (pnutí, způsob opracování) • vhodné elektrické a chemické vlastnosti (podle dané aplikace) F6450 10 / 21 200 300 500 700 1 000 2000 3000 F6450 11 Základní procesy probíhající mezi plynem a povrchem pevné látky o o o W66666 Wo#o°o°o°o (XXXXXXy (JÔOÔÔUU odraz molekuly adsorpce o OOÖOOÖU desorp. ce □ S1 F6450 12 / 21 OÔÔÔÔÔCJ difúze po povrchu TOTO OÔÔÓOÔCJ difúze do objemu oo OÔÔÔÔÔU chemická reakce na povrchu cTOOT difúze z objemu na povrch □ 3 - = -š^OQsO F6450 13 / 21 Plyny adsorbované na povrchu • fyzisorbce - slabá vazba, van der Waalsova vazba, dlouhý dosah R0 > 3 x 10"10m, Rg R3 • chemisorpce - silné chemické vazby, krátký dosah, ío 1 x 10"10m < Rq < 3 x 10"10m E = Do(l - exp[-a(R - Ro)]) 2 □ S1 F6450 14 / 21 . w W• F6450 16 / 21 Koeficient ulpěni Vi = -nva V\ef = 1V\ => 7 =----- V\ 7 = 1, adsorpce každé molekuly, která dopadne na povrch 7 = 0, všechny molekuly se odrazí F6450 17 / 21 Stupeň pokrytí tf^1 Nlp Ni - počet adsorbovaných atomů, Nip - počet volných míst v mono-molekulární vrstvě, pro méně přesné výpočty se bere Nip = 0.5 x 1015cm"2 • ů = 0, čistý povrch • ů = 1, zcela pokrytý povrch F6450 18 / 21 Koeficient ulpění 0 °? V W Qfi v*^ N, □ s F6450 19 / 21 Odhad na základě rozměrů molekul plyn He Ne H2 o2 Ar Nip[1015cm-2] 2.42 1.72 1.52 0.87 0.85 plyn N2 CO co2 H20 CH4 Nip[1015cm-2] 0.81 0.81 0.53 0.53 0.52 F6450 20 / 21 CO na wolframu T, [K] 300 500 700 900 1100 Nip[1015cm-2] 7 0.56 0.45 0.44 0.40 0.42 0.35 0.33 0.33 0.19 0.3 wolfram, 300 K plyn 7 Nip[1015cm-2} ů 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 F6450 21 / 21