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, Povlaková ní Vakuová fyzika 2 2/32 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 Vakuová fyzika 2 3/32 • 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 Vakuová fyzika 2 4/32 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 < □ ► < i_P ► < Vakuová fyzika 2 Rozdělení vakua vakuum tlak [mbar] tlak [Pa] nízké (GV), 10a - 10u 10b - 102 hrubé, technické střední (FV) 10° - 1CT3 102 - 1CT1 vysoké (HV) 10-3 _ 10-7 10-1 - 10-5 velmi vysoké (UHV) 10-7 _ 10-10 10-5 - 10-8 extréme vysoké (XHV) < 10-10 < ítr8 Vakuová fyzika 2 6/32 Rozdělení vakua vakuum střední (FV) vysoké (HV) (UHV) a (XHV) tlak [Pa] 102 - 1CT1 - 10~5 < 10~5 koncentrace [c/n-3] 10ib _ 1Qu 10" - 10y <10y střední dráha A[cm] io-'2 - 101 101 - 105 > 105 monovrstva t[s] l(Tb - io-2 io-'2 - 102 > 102 typ proudění Knudsenovo molekulární molekulární Proč UHV a XHV vakuum? Vakuová fyzika 2 7/32 o. 1.0e+06 1.0e+04 1.0e+02 1.0e+00 1.0e-02 1.0e-04 1.0e-06 T-1- Hg - U trubice "T" T McLeod loniz.man. ] Boyle-1660 Hawksbee-1704 _1_ _1_ > < 1850 Geissler-1858 Drengel-1865 Crookes-1876 Edison-1879 Fleuss-1894 Ĺ] Gimingham-1884 Kahlbaum-1894 □ Gaede-1905 □ Gaede-1912 _1_ ] Sherwood-1918 1650 1700 1750 1800 1850 roky 1900 1950 2000 Vakuová fyzika 2 Aplikace v mikroelektronice äF.OHanlon: A Users Gaude to Vacuum Technology, Wiley (2003) ■OQ.O Vakuová fyzika 2 Urychlovače částic • velká střední volná dráha • LHC, synchrotrony, ... • základní výzkum - časticová fyzika, materiály, biologie, medicína • farmaceutický průmysl • léčení rakoviny Vakuová fyzika 2 12 / 32 Synchrotron Elektronové mikroskopy • katoda termoemisní < 10~2Pa • katoda autoemisní studená emise < 10~8Pa • Schottkyho katoda < 1CT6Pa • prodloužení životnosti, vyšší stabilita, užší svazek elektronů • výhody autoemise - nižší rozptyl energií elektronů =>■ menší stopa, větší rozlišení Vakuová fyzika 2 14 / 32 Vázané plyny Plyny, které jsou na povrchu, nebo uvnitř pevné látky, nebojsou 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 Vakuová fyzika 2 15 / 32 Príklad: 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? Vakuová fyzika 2 16 / 32 Řešení: Počet molekul v objemu při tlaku P = 1 x 10~4 Pa: N = nV = —V = 2.4 x 1013 kT Počet molekul na stěnách: A/i = 6 x S x N p A/i = 6 x 100 x 0.5 x 1015 = 3 x 1017 tlak uvolněných molekul: P1 = nikT = — kT = 1.24 Pa V Vakuová fyzika 2 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) Vakuová fyzika 2 18 / 32 Desorption ratt (foes ?s11 f pi bar 11 s cm' J \ • . ' Surface condition Stainless steel hlank cleaned 2.7 107 5.4 10s Stainless steel polished cleaned 2 10B 4 109 Stainless steel pickled heated for 1 hour. 1.4-10* 2.8 10-™ Stainless steel bead blasted vented with normal air 3 ■ 10™ 6.5 10-" Steel Ni plated polished cleaned 2 10"7 1.5 10"8 Steel Cr plated polished cleaned 1.3 10s 2.2 109 Steel rusted 6 107 1.6 10 7 Steel blank cleaned 5 ■ 10 7 1 ■ 10-7 Steel bead blasted cleaned 4-10"7 8 ■ 10s Aluminium cleaned 6 10s 1.7 10s Brass cleaned 1.6 10« 5.6 107 Copper cleaned 3.5 10'7 9.5 10'8 6firemní materiály firmy Pfeiffer Vakuová fyzika 2 20 / 32 AFM - sklo Vakuová fyzika 2 21 / 32 Typická křivka čerpání vakuové komory Time (Log10 fl Fig. 4.10 Rate limiting steps during the pumping of a vacuum chamber. ,-a/r ,Qg ■ Qd . Qk S S S 7_ 7F.OHanlon: A Users Gaude to Vacuum Technology, Wiley (2003) 1 -o«.o 22 / 32 Vakuová fyzika 2 Základní procesy probíhající mezi plynem a povrchem pevné látky o o o W66S66 C8$8S& oôôôôôu oôôôôôu odraz molekuly adsorpce O OÔÔÔÔÔťj desorp ce Vakuová fyzika 2 oo .a xx 9S995Ó& OÔÔÔÔÔQ difúze po povrchu oôôôôôa chemická reakce na povrchu QQQQQQC1 QQQD0DC) difúze do objemu difúze z objemu na povrch Vakuová fyzika 2 Plyny adsorbované na povrchu • fyzisorbce - slabá vazba, Van der Waalsova vazba, dlouhý dosah RQ > 3 x 1CT1(V • chemisorpce - silné chemické vazby, krátký dosah, 1 x ÍCT10™ < RQ < 3 x ÍCT10™ E = D0(l- exp[-a{R- RQ)])2 Vakuová fyzika 2 25 / 32 8_ 8J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 9_ 9J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1984 Koeficient ulpění v\ = —nv, 4 1 V\ef = 7*7 =^ 7 = - • 7 = 1, adsorpce každé molekuly, která dopadne na povrch • 7 = 0, všechny molekuly se odrazí Vakuová fyzika 2 Stupeň pokrytí A/i - počet adsorbovaných atomů, A/ip - počet volných míst v mono-molekulární vrstvě, pro méně přesné výpočty se bere A/ip = 0.5 x 1015cm-2 • ů = 0, čistý povrch • ů = 1, zcela pokrytý povrch Vakuová fyzika 2 Odhad na základě rozměrů molekul plyn He Ne H2 o2 Ar Nlp[10lbcm-2] 2.42 1.72 1.52 0.87 0.85 plyn N2 CO C02 H20 CH4 Nlp[1015cm-2] 0.81 0.81 0.53 0.53 0.52 Vakuová fyzika 2 31 / 32 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[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 Vakuová fyzika 2 32 / 32