Materiály pro vakuové aparatury nízká tenze par malá desorpce plynu tepelná odolnost (odplyňování) mechanické vlastnosti způsoby opracování a spojování elektrické a chemické vlastnosti Material Pressure (Torr) 760-1 l-lO-3 lO-3 —10-5 10-5-10-7 lO-'-lO"18 Iron, steels good Cast iron, copper or aluminum good Rolled copper or alloys good Nickel and alloys Aluminum Glass, quartz Ceramics Mica Rubbers Plastics good good good good good good uood good good good good good good good good good bad good only after degassing bad only after degassing good only special types good good only after degassing good good with degassing only with vitreous coating only after strong degassing only degassed had only stainless steels bad only OFHC copper good not recommended only thick-walled only special types not recommended bad only Teflon, not recom-Araldite mended XA. Roth: Vacuum technology, Elsevier, 1990 Vakuová fyzika 2 2/44 70 cc 300 280 260 240 220 200 780 4 760 140 720 700 80 60 40 20 0 Mg Al Agm Konstanta!) Au Fe Hi Cr (78/8) Ni Be Th Hdsŕelloy Cr Fe 27/73 Fe tli 50/50 Uuü-10~7A Kovy > -í Grafit !W. Espe: Technológia hmot vákuovej techniky, SAV, Bratislava 1960 < = y Vakuová fyzika 2 / 44 'W. Espe: Technológia hmot vákuovej techniky, SAV, Bratislava 1960 Vakuová fyzika 2 4/44 Stainless steel blank cleaned 2.7 107 5.4- 108 2.7 108 Stainless steel polished cleaned 2 10"8 4 10"9 2 10"10 Stainless steel pickled heated for 1 hour, 1.4 10-9 2.8 10"10 1.4 10-10 Stainless steel bead blasted vented with normal air 3 ■ 10 10 6.5 ■ 10"11 4 ■ 10-11 Steel Ni plated polished cleaned 2 10-7 1.5 108 5 10 9 Steel Cr plated polished cleaned 1.3 108 2.2- 10 9 1.2 109 Steel rusted 6 10-7 1.6 10"7 1 10"7 Steel blank cleaned 5 • 107 1 • 10"7 5 10-8 Steel bead blasted cleaned 4- 10"7 8 ■ 10"8 3.8 10"8 Aluminium cleaned 6 10s 1.7 ■ 108 1.1 ■ 10-8 Brass cleaned 1.6 10-6 5.6 10"7 4 10"7 Copper cleaned 3.5 10"7 9.5 ■ 10-8 5.5 ■ 10-8 Porcelain glazed 8.7 10-7 4- 107 2.8 107 Glass cleaned 4.5 10"9 1.1 ■ 109 5.5 ■ 10"10 Acrylic glass 1.6 10-6 5.6- 107 4 ■ 10'7 Neoprene 4 105 2.2 105 1.5 10"5 Perbunan 4 106 1.7 10"6 1.3 10"6 Viton 1.2 10-6 3.6- 10-7 2.2 10-7 Viton heated for 4 hours at 100 °C 1.2 ■ 10"7 5 ■ 10"8 2.8 10"8 Viton heated for 4 hours at 150 °C 1.2 10-9 3.3- 10"10 2.5 10-10 Teflon degassed 8 10"7 2.3 10"7 1.5 107 4 4firemnf mat. Pfeiffer >oq,o Vakuovä fyzika 2 5/44 Pevnost Material * km kh Cylinders End plates Hemispherical Djh LJD Dxlhx Rjh2 Copper at 20°C 84 10 52 15 600 Copper at 500<>C 58 8.5 — — — Nickel at 20°C 100 11 73 8 780 Nickel at 500°C 90 10.5 — — -: Aluminum 20°C 70 9 37 57 470 Aluminum 500°C 62 8.7 — — — Stainless steel 20°C 105 11.6 89 3 830 Stainless steel 500°C 89 10.5 — — — Glass (hard) 20°C 70 9 16 117 470 Neoprene 20°C 2.5 1.7 10 0.2 30 Teflon 20OC 12 3.8 14 9 — PVC (Tygon) 3.7 2.1 — — — Perspex — — 30 — —- Mica — —> 58 15 — 'A. Roth: Vacuum technology, Elsevier, 1990 Vakuová fyzika 2 < □ ► 6/44 Válec, Di ~ D = 25 cm, T = 20 °C h[mm] hi[mm] (5[mm] Cu 3 5 0.33 Al 3.6 6.76 0.12 nerezová ocel 2.4 2.81 0.93 tvrdé sklo 3.6 15.6 0.13 teflon 20.8 17.9 1.88 4 □ ► 4 ► 4 nízká tenze par malá desorpce plynu křehké elektrický izolant chemicky odolné svařovaní a tvarování za tepla vznik pnutí - temperování • sklotvorné složky S/O2 , B2O3 , P2O5 • N320 , CaO - snižuje tavící teplotu • AI2O3 , ZnC>2 - zvyšuje chemickou netečnost • K20 • BaO • PbO • MgO Vakuová fyzika 2 9/44 Tab. 6.2. Přehled skel a jejich některých vlastností (podle W. Espeho a kol.) Sklo křemičité (tavený Si02) velmi tvrdé (borokřemičité bez alkálií) tvrdé (borokřemičité) olovnaté (olovnato-křemičité) měkké (alkalicko-vápenato-křemičité) a) s \l,0, b) bez A1203 B203 5-23",, >io% A1203 ■ 3-25",, <5% <8% a) 0 b) 1-5 % Na20 + K20 <10% 5-8% 13-15% CaO 5-15% PbO 20-35 sío2 >95% zbytek zbytek zbytek zbytek Tch (°C) l) (°c)') Tt (°C) ') 7. (°C) l) Měrný odpor q20-c (Qcm) Měrná tepelná vodivost xpcm^s^K-1 Měrné leplo (Jg^K"') (0,55-0,65). 10~6 990-1 040 1 140 1 100 1 600 1017-1018 0,013-0,026 ) 0,8-1,26 (3-6). 10"6 450-700 490-730 470-720 700-950 1018 0,01 (3,5-6). 10" 6 430-540 470-590 450-570 690-780 1014-1018 0,013 0,4- (8-9). 10-6 400-450 430-480 410-470 580-650 1017 0,08 -1,7 a) (6,8 — 9,5). 10 ~ 6 b) (8-11). 10-6 a) 450-500 b) 40-480 a) 480-540 b) 430-510 a) 470-530 b) 410-500 490-750 a) 10'5 b) 1013 0,01 6_ 6J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 198Ji 10 / 44 Vakuová fyzika 2 Obr. 6.3. Závislost koeficientu viskozity skla na teplotě 7^h — dolní chladicí teplota (při níž mizí napětí během 4 h); Tc'h - horní chladicí teplota (při níž vymizí napětí za 15 min); Tt0 — transformační teplota (začátek vzrůstu součinitele teplotní roztažnosti a změn dalších vlastností); TM — bod měknutí (určuje se dilatometricky); TM+ - bod měknutí (podle Littletona); 7J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 Vakuová fyzika 2 11 / 44 8 8W. Espe: Technológia hmot vákuovej techniky, SAV, Bratislava 1960 12 / 44 Vakuová fyzika 2 9 9W. Espe: Technológia hmot vákuovej techniky, SAV, Bratislava 1960 13 / 44 Vakuová fyzika 2 10 10 W. Espe: Technológia hmot vákuovej techniky, SAV, Bratislava 1960 Vakuová fyzika 2 14 / 44 Obr. 10-258. Závislost relatívnej tepelnej rozťažnosti Aljl0 od teploty T (krivky priebehu rozťažnosti) tyčinky boritého skla po rôznom tepelnom spracovaní. a — nevychladené sklo; b — vychladené aUo pri 450 *C, potom ochladzované rýchlo*tou 2 °C/min: e — vychladené pri 450 "C, potom ochladzované v oblasti 450 —900 "C rychlostmi 0,5 °C/mIn, t oblasti pod 300 °C rýchlosfou £ °C/min (pozri Dal e 12_ W. Espe: Technológia hmot vákuovej techniky, SAV, Bratislava 1960 13 13 W. Espe: Technológia hmot vákuovej techniky, SAV, Bratislava 1960 < = ► Vakuová fyzika 2 17 / 44 Skla Corning 14 14 W. Espe: Technológia hmot vákuovej techniky, SAV, Bratislava 1960 < = ► Vakuová fyzika 2 18 / 44 15 15 firemní mat. Caburn Vakuová fyzika 2 19 / 44 ISI KF 16 firemní mat. Caburn Vakuová fyzika 2 20 / 44 Orb. 11-19 A. K zatavovaniu okienok z křemenného skla do baniek z tvrdého skla. 17 W. Espe: Technológia hmot vákuovej techniky, SAV, Bratislava 1960 Vakuová fyzika 2 21/44 í 11 ..„all Obr. 10-120 B. Meranie hrúbky steny sklených trubíc (podľa Wittwera). 1 —sklenená rúrka ležiaca na bielom papieri; 2 — pásik čierneho papiera zasunutý pod rúrkou šikmo k jej osi; 3 — meradlopo-ložené na rúrku na zmeranie hrúbky steny S. 18 18 W. Espe: Technológia hmot vákuovej techniky, SAV, Bratislava 1960 < = ► Vakuová fyzika 2 22 / 44 Použití: osvětlovací technika manometry elektrické průchodky obrazovky okénka do reaktorů elektronky speciální kalibrační lampy Vakuová fyzika 2 «0 Q, O 23 / 44 Keramika • nízká tenze par • malá desorpce plynu • velká pevnost • elektrický izolant • chemická odolnost • velká tepelná odolnost (vyšší teplota pro odplynení) • žádné pnutí • změna rozměrů při výrobě Složení: • AI2O3 - max teplota ve vakuu 1800 °C • MgO - max teplota ve vakuu 1600 °C • Zr02 - max teplota ve vakuu 1700 °C • BeO - max teplota ve vakuu 2000 °C • 7/7O2 - max teplota ve vakuu > 2300 °C Steafit (Klmoensfafit), Tridymit Cordient MgO-SiO. zMgO-SiO. MgO MgOAI203 3A!203-2Si02 19 19 W. Espe: Technológia hmot vákuovej techniky, SAV, Bratislava 1960 Vakuová fyzika 2 26 / 44 1 Zloženie východiskových surovín váh. % AL03: 95 Rozbor pozri túto tab.,pol.2 váh. % íl: 2 pozri tab. 12-19, pol. 4 váh. % talk.: 3 pozri tab. 12-19, pol. 2 2 Rozbor A1203 (druh Norton 38 900) váh. % Si02: 0,04 Fe203: 0,01 Na20: 0,05 CaO: 0,00 MgO: 0,00 AhO,: (zvyšok): 99,90 3 Vypaľovacia teplota (vo vodíkovej peci) °C 1775 4 Merná váha g/cm3 3,5 5 Pevnosť v ohybe kg/mm2 17,5-21 6 Súčinitel rozťažnosti 25-500°C 10-71/°C asi 78,5 (pozri aj obr. 12-40) 7 Merný elektrický odpor --*— Q . cm pozri obr. 12-39 8 Hodnota Te °C asi 950° 9 Dielektrická konštanta e (1010 Hz) — 8,2-8,6 10 Dielektrický stratový uhol tg ô (106 Hz) (1010 Hz) — asi 4 . 10-* 5-8 . 10-* 20 20 W. Espe: Technológia hmot vákuovej techniky, SAV, Bratislava 1960 < = ► Vakuová fyzika 2 27 / 44 ÚL \Z5 Forsierit Sleatity AI kremičitany 2r porcelány Kordierit Křemenné sklo 100 200 300 400 500 600 7C0 ÓOO 900 WOO -fc» J Obr. 12-14. Křivky tepelnej rozťažnosti niekoľkých typických keramík (ďalšie vlastnosti obchodných druhov keramiky pozri obr. 12-33, 34, 38, 40, 43 a 77). 21 W. Espe: Technológia hmot vákuovej techniky, SAV, Bratislava 1960 oao Vakuová fyzika 2 28 / 44 ■7/T 70' 7-a w' w 10' w> 70-70' P Kŕ 2.5 2.0 1,5 1,0-10~3 7/'K ■' 1 .......\ ■ x ' 1 S \ I 1 \ V \ . \ ^\ v. ■-o t % x \\ Xx • \ x x X * x xX x\ k \\ * X \ X % \ x s \ /v \ x. \ x X_ v v \\ * v x x * * ■ X * X X \ > X X. * x ^* \\ šx xX x\_ \\ *x " \\ \ to, N ■h N S x, s \ x v X \ > X x X x \ ■S i \ víf \ s N x \ 't N x 700 750 200 250 300 400 500 600 700 600 SCO 100!)T ----->.r Obr. 12-18 A. Závislosť merného elektrického odporu q niekoľkých obchodných druhov keramiky od teploty T. 1 — živcový porcelán (Almanox 11 838); 2 — normálny steatit Alaimag 35; .3 — zirkónový mulit Almanox 2570; 4 — prírodný alumoailikát Lava A; 5 — hutná keramika s vysokým obsahom A1203 Almanox 609b; 6 — pórovitá keramika s vysokým obsahom A1203 Alsimag 393; 7 — prírodný horečnatý silikát Alsimag Lava 1136; 8 — hutná keramika s vysokým obsahom AljO, Alsimag 614; 9 — forsterit Alsimag 243. Pre porovnanie: Q — křemenné sklo; A — olovnaté sklo Corning 0120; B —pyrexové sklo Corning 7740; C — sodnovápenaté sklo Corning 0080 Te = Te-value. 22__ 22W. Espe: Technológia hmot vákuovej techniky, SAV, Bratislava 1960 Vakuová fyzika 2 29 / 44 Druh keramiky (prípadne typ alebo obchodná značka) Te °C Výrobca Jemne pórovitá keramika prevažne z A1.,03 (druh DIN 520) <800 3) Mastenec (prírodná hornina z Bavorska) 800 ') Hlinitokremičitan 800 2) Prírodná hornina horečnatokremičitanová (Lava 1136) 810 2) Steatit (AJsimag 228) 820 2) Korundová keramika (Alsimag 393) 835 4) Steatit (Alsimag 197) 840 2) Kremičitan zirkonu (Alsimag 475) 870 2) Hlinitokremičitan (pyrofylit), prírodná hornina z Transvaalu 600-900 Hlinitokremičitan (Alsimag 614) (hlinitokremičitá keramika) 930 2) Pórovitý opracovatelný steatit (druh DIN 240) napr. Ergan <1000 3) Špeciálny steatit (druh DIN 221) <1000 3) Horečnatý kremičitan (Alsimag 222) >1000 2) Hlinitokremičitan (Alsimag 652) (hlinitokremičitá keramika) >1000 2) Forsterity (Alsimag 243) (Frequenta M) >1000 >1000 2) 23 23 W. Espe: Technológia hmot vákuovej techniky, SAV, Bratislava 1960 4 = ► Vakuová fyzika 2 30 / 44 10 6 C 2 O 2 „3 \ \ 5 70' 70- 70' 70' f 70' 10 708 HZ 109 Obr. 12-25. Závislost dielektrickej konštanty e rôznych druhov keramiky pri normálnej teplote od frekvencie / (pozri Russell[l]); pozri aj tab. 12-12. 1 — zirkónové porcelány; 2 — normálny steatit; ■'} — vysokonapäťový porcelán; 4 — Špeciálne steatity. Pre porovnanie: 5 — křemenné sklo. 24_ 24W. Espe: Technológia hmot vákuovej techniky, SAV, Bratislava 1960 31 / 44 Vakuová fyzika 2 O 700 200 300 400 500 "C 600 -*~T Obr. 12-27. Závislosť dielektrickej konštanty I a stratového uhla tg ô nízkostratovŕho steatitu (Alfiimag 228) od teploty T za rôznej frekvencie / (pozri Hippel). 25 25 W. Espe: Technológia hmot vákuovej techniky, SAV, Bratislava 1960 < = ► Vakuová fyzika 2 32 / 44 Zostavenie stratového uhla tg ô (meraného za normálnej teploty pri 10d Hz) najdôležitejších druhov keramík podľa klesajúcich hodnôt Druh keramiky tg<5 10"« Prírodná hornina Lava A (hlinitokremičitan) 100 Tvrdý porcelán, napr. druhu DIN 110 60-120 Cordierity pórovité {nasiakavosť vody A = 8,5%) 40-82 Cordierity hutné, napr. druh DIN 410 40-70 Zirkónový mulit 32 Hutné steatity ako druh DIN 220 15-20 Steatity Alsimag 12-35 Zirkónový kremičitan 8-17 Forsterit (Alsimag 243) 4 Keramiky s vysokým obsahom Al2Oy (Alsimag) 3-7 Špeciálny steatit druh DIN 221 3-5 Mastenec, Lava 1136 (horečnaté kremičitany) 3 Horečnaté kremičitany, pórovité (Alsimag 222) 2-4 26 26W. Espe: Technológia hmot vákuovej techniky, SAV, Bratislava 1960 4 = ► Vakuová fyzika 2 33 / 44 27 W. Espe: Technológia hmot vákuovej techniky, SAV, Bratislava 1960 Vakuová fyzika 2 34 / 44 Breaks 28 firemní mat. Caburn Vakuová fyzika 2 < □ ► 35 / 44 29 W. Espe: Technológia hmot vákuovej techniky, SAV, Bratislava 1960 < = ► Vakuová fyzika 2 36 / 44 30 30 W. Espe: Technológia hmot vákuovej techniky, SAV, Bratislava 1960 < = ► Vakuová fyzika 2 37 / 44 Použití elektrické průchodky elektrické izolátory topné systémy kalíšky pro depozici tenkých vrstev -AI2O3 - AI, Bi, Ge, In, Ni Vakuová fyzika 2 38 / 44 Obr. 12-79. Vákuová vyaokotcpíotná piecka so sklopným téglikom so stabilizovanou keramikou Zr(>2 a odporovým kúrením do 30 k\V; najvyššia teplota 2000 C: kapacita až H ku <,<,lr: dosiahnuteľné vákuum r.. 10-« torov (výrobca: Hiuh Vacuum Equipment Corp.. Hingham- Mass., l'S\). 31_ 31W. Espe: Technológia hmot vákuovej techniky, SAV, Bratislava 1960 - Vakuová fyzika 2 39 / 44 Sklokeramika • polykrystalický materiál, začátky 1968 • malá tepelná roztažnost, menší než u křemene • vysoká homogenita • tvrdost podobna jako borokřemičité sklo, dobře se leští • dobrá adheze vrstev • malá propustnost pro He • neporézní • dobrá chemická odolnost • výroba sklokeramických desek pro vařiče • výroba zrcadel pro dalekohledy, Keck I a II (10 m), VLT (8.2 m) ... Vakuová fyzika 2 40 / 44 MELTING DECREE OF UHOC R COOLING TEMPERATURE (a) Ordinary glass MILTING TEMPERATURE DEGREE OF UNDERCOOIMG - (b) Seeded glass Fig 2.11. Crystal growth and nucleauon rates in different types of glasses: a) ordinary glass; b) seeded glass. After Stookcy.1*4 (Courtesy American Ceramic Society) 32 32 W.H.Kohl: Handbook of materials and techniques for vacuum devices, AIP Press 1995 -00,0 Vakuová fyzika 2 41 / 44 TABLE 2.24. Some Rapwrrtotive Gkm-Cramic Composition FidoV _GUtt_Crytul phwct_Cat«ly«ts MgO • Al20, • SiO, 2MgO • 2A1203 • 5SiOj Ti02 LijO • Al20} • S1O2 Li20 • AI2Oj • 2Si02 Ti02 Li20 • Al203 • 4Si02 Ti02 Li20 • AI2Oj • 6Si02 Ti02 Li20 • SiOj Au, Ag, Cu, Pi Li20 • 2Si02 Au, Ag, Cu, Pi Na2Q»BaO • SiQ2 BaO • 2SiQ2_Au. Ag, Cu, Pt •After Stookey and Maurer 33 331 'W.H.Kohl: Handbook of materials and techniques for vacuum devices, AIP Press 1995 -00,0 Vakuova fyzika 2 42 / 44 materiál obsah Si02[%] [K-^xKT7 [ °C] fused silica 99.5 5.5 0-300 silica glass 96 8 0-300 borosilicate glass 65.8 51 0-300 aluminosilicate glass 56.5 45 0-300 Zerodur Schott 0.5 ± 1 20-300 Zerodur - extreme Schott 0± 0.07 0-50 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 Xe|escopio Telescope Hebei, China (2009) Hooker (100") Mt Wilson, California (1917) Canarias La Palma, Canary Islands, Spain (2007) Keck Telescope Mauna Kea, Hawaii (1993/1996) Hale (200") Mt Palomar, California (1948) (1979-1998) (1999-) Multi Mirror Telescope Mount Hopkins, Arizona 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 Pachón, Chile (2000) o Large Synoptic Survey Telescope El Penon, Chile (planned 2020) Gaia Earth-Sun L2 point (2014) Kepler Earth-trailing solar orbit (2009) James Webb Space Telescope Earth-Sun L2 point (planned 2018) Hubble Space Telescope Low Earth Orbit (1990) OO Very Large Telescope Cerro Paranal, Chile (1998-2000) OO Magellan Telescopes Las Campanas, Chile (2000/2002) European Extremely Large Telescope Cerro Armazones, Chile (planned 2022) T Human at the same scale 10 m 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 34 34 en.wikipedia.org Vakuová fyzika 2 44 / 44