F6450 Vakuová fyzika 2 Pavel Slavíček email: ps94@sci.muni.cz 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 F6450 2 / 24 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 • T.A.Delchar: Vacuum Physics and Techniques, Chapman-Hall, 1993 • F.OHanlon: A Users Gaude to Vacuum Technology, Wiley (2003) • J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 • Zpravodaje CVS • Firemní katalogy 4/24 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 Rozdělení vakua vakuum tlak [mbar] tlak [Pa] nízké (GV), 103 - 10° 105 - 102 hrubé, technické střední (FV) 10° - 1(T3 102 - HT1 vysoké (HV) 1(T3 - 1(T7 10_1 - 1(T5 velmi vysoké (UHV) 10-7 _lo-io 1(T5 - 1(T8 extréme vysoké (XHV) < io-10 < io-8 Rozdělení vakua vakuum střední (FV) vysoké (HV) (UHV) a (XHV) tlak [Pa] 102 - 1CT1 1CT1 - 1CT5 < 1CT5 koncentrace [cm-3] 1016 - 1013 1013 - 109 < 109 střední dráha A [cm] 1CT2 - 101 101 - 105 > 105 monovrstva t[s] 1CT5 - 1CT2 io-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 - 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? Řešení: Počet molekul v objemu při tlaku P = 1 x 1(T4 Pa: N = nV = —V = 2.4 x 1013 kT Počet molekul na stěnách: Nx = 6 x S x Np Nľ = 6 x 100 x 0.5 x 1015 = 3 x 1017 tlak uvolněných molekul: Ni P1 = nľkT = -ykT = 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 • dobré tepelné vlastnosti (4 - 700 K) • dobré mechanické vlastnosti (pnutí, způsob opracování) • vhodné elektrické a chemické vlastnosti (podle dané aplikace) Stainless steel blank cleaned 2.7 10' 5.4 10 s Stainless steel polished cleaned 2 10 8 4 • 10"9 Stainless steel pickled heated for 1 hour, \4 10* ?.H 10'' Stainless steel bead blasted vented with normal air 3 ■ 10™ 6.5 10 11 Steel Ni plated polished cleaned 2 ■ 10-7 1.5 10s Steel Cr plated polished cleaned 1.3 10s 2.2 10-» 'Steel ri.?:cd 6 10"7 1.6 107 Steel blank cleaned 5 10' 1 107 Steel bead blasted cleaned 4-10-' 8- 10s Aluminium cleaned 6-10* 1.7 10"8 Brass cleaned 1.6 10-« 5.6 10"7 Copper cleaned 3.5 10"' 9.5 108 F6450 13 / 24 AFM - sklo 14 / 24 Základní procesy probíhající mezi plynem a povrchem pevné látky o o o WSSSSb Wo#o99o°o oôôôôôu oôôôôôu odraz molekuly adsorpce O OÔÔÔÔÔC7 desorp ce 5/24 oo .a xx 9S995Ó& OÔÔÔÔÔQ difúze po povrchu oôôôôôa chemická reakce na povrchu OÔÔDOÔCT difúze do objemu difúze z objemu na povrch 4 & > 4 = > 4 š ► -Š O^O F6450 16 / 24 Plyny adsorbované na povrchu • fyzisorbce - slabá vazba, Van der Waalsova vazba, dlouhý dosah R0 > 3 x l(T10m, F = i?9 R3 • chemisorpce - silné chemické vazby, krátký dosah, \2 1 x l(T10m < Rn < 3 x l(T10m E = D0(l - exp[-a(R - Rq)])' F6450 17 / 24 F6450 19 / 24 Koeficient ulpění vi = -nva V\ef = 7*7 7 = —-v\ • 7 = 1, adsorpce každé molekuly, která dopadne na povrch • 7 = 0, všechny molekuly se odrazí 50 20 / 24 Stupeň pokrytí Ni - počet adsorbovaných atomů, N±p - počet volných míst v mono-molekulární vrstvě, pro méně přesné výpočty se bere Nlp = 0.5 x 1015cm-2 • ů = 0, čistý povrch • ů = 1, zcela pokrytý povrch Odhad na základě rozměrů molekul plyn He Ne H2 o2 Ar Nlp[1015cm-2} 2.42 1.72 1.52 0.87 0.85 plyn N2 CO co2 H20 CH4 Nlp[1015cm-2} 0.81 0.81 0.53 0.53 0.52 F6450 23 / 24 CO na wolframu Ts [K] 300 500 700 900 1100 Nlp[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 Nlp[W15cm-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 24 / 24