F6450 Vakuová fyzika 2 Pavel Slavíček email: ps94@sci.muni.cz Vakuová fyzika 2 1/32 Osnova Vázané plyny Sorpční vývevy • kryogenní • zeolitové • sublimační • iontové • getrové - vypařované, nevypárované (NEG) Měření ve vakuové fyzice • měření proudu plynu • měření 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 Rozdělení 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 - io-7 10_1 - 10~5 velmi vysoké (UHV) 10~7 - 10-10 10~5 - 10~8 extrémně vysoké (XHV) < io-10 < io-8 Rozdělení vakua vakuum střední (FV) vysoké (HV) (UHV) a (XHV) tlak [Pa] 102 - 10_1 10_1 - 10_b < io-b koncentrace [cm-3] 10lb - 1013 1013 - 109 < 10y střední dráha \[cm] 10"2 - 101 101 - 105 > 105 monovrstva r[s] 10-5 - 10"2 1CT2 - 102 > 102 typ proudění Knudsenovo molekulární molekulární Proč UHV a XHV vakuum? Vakuová fyzika 2 7/32 1.0e+06 1.0e+04 1.0e+02 03 CL ^ 1.0e+00 03 1 .Oe-02 1.0e-04 - 1.0e-06 1 1 1 1 1 1 Hg - U trubice McLeod loniz.man. - -□Boyle-1660 □ Hawksbee-1704 □ 1850 □ Geissler-1858 □ Sprengel-1865 □ Crookes-1876 □ Edison-1879 □ Fleuss-1894 □ Gimingham-1884 i i i Kahlbaum-1894 □ Gaede-1905 □ Gaede-1912 □ Sherwood-1918 i i i 1650 1700 1750 1800 1850 roky 1900 1950 2000 □ = Vakuová fyzika 2 8/32 Aplikace v mikroelektronice Microprocessor Transistor Counts 1971-2011 & Moore's Law C Cere SP.\-jü I! 2,600,000,0001 1,000,000,000 100,000,000 ZI o u ĺ-o -I—■ 'l/l c ŕ 10,000,000 1,000,000 100,000 10,000 2,300 SH-CoreCore Dual-Cura Hnum^i AMDK18 POWERS« - Man um 2 w Ih 9MS- nchnt curve shows LraníisLcir iůunl doubling svary vij íir.-i O-UVň Kocil WňíJiTlňňl-EX Í1..11: FOWEH7 " ^uad-L-nre Hanum iu«^ia B Ccre-Stl-iíJH-Jln-- EX \ Sut-Cnra dan.™ 2100 Core 17 ^^•/hCA 1B02 1971 19Ö0 ŕ 000 2011 Date of introduction 1http: //en. wikipedia.org/wiki/ Vakuová fyzika 2 □ 9/32 10 um «10 [im (1971) e.q 1 |am 100 nm 10 nm 22 nm (2011) e.g. Xeon E3-123 1970 Staphylococcus aureus bacterium Red blood cell cross-section Human immunodeficiency virus (HIV) http: //en. wikipedia.org/wiki/ Vakuová fyzika 2 □ t3 Modular Process Zones Gate Valve MPZ 4 Sputtering Chamber CVD Door with Viewport Substrate Entry 3F.OHanlon: A Users Gaude to Vacuum Technology, Wiley (2003) Vakuová fyzika 2 11 / 32 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 Pa katoda autoemisní studená emise < 10~8Pa Schottkyho katoda < 10"6Pa prodloužení životnosti, vyšší stabilita, užší svazek elektronů výhody autoemise - nižší rozptyl energií elektronů =4> menší větší rozlišení 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 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 10-4 Pa: N = nV = -f- V/ = 2,4x 1013 k i Počet molekul na stěnách: A/i = 6 x S x Np A/i = 6 x 100 x 0,5 x 1015 = 3 x 1017 tlak uvolněných molekul: A/i □ S 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) vo 200 300 500 700 1000 2000 3000 J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 5 ^) c\ o Vakuová fyzika 2 Stainless steel blank cleaned 2.7 10"7 5.4 ■ 10"8 Stainless steel polished cleaned 2 ■ It)'8 4 10"9 Stainless steel pickled heated for 1 hour, 1.4 109 2.8 10"10 Stainless steel bead blasted vented with normal air 3 ■ 10-10 6.5 ■ 10-11 Steel Ni plated polished cleaned 2 10"7 1.5 ■ 10 8 Steel Cr plated polished cleaned 1.3 10"8 2.2 10-9 Steel rusted 6 10"7 1.6 107 Steel blank cleaned 5- 10-7 1 10"7 Steel bead blasted cleaned 4- 10-7 8 10"8 Aluminium cleaned 6' 10'8 1.7 ■ 10"8 Brass cleaned 1.6- 10-6 5.6 10"7 Copper cleaned 3.5 10/7 9.5 ■ 10"8 6firemní materiály firmy Pfeiffer Vakuová fyzika 2 < □ ► 20 / 32 AFM - sklo Typická křivka čerpání vakuové komory Time (Log10 f) Fig. 4.10 Rate limiting steps during the pumping of a vacuum chamber. s s s 7F.OHanlon: A Users Gaude to Vacuum Technology, Wiley (2003) Vakuová fyzika 2 Základní procesy probíhající mezi plynem a povrchem pevné látky o o o W966S6 Wo#oWo°o ooóóóou oôôôôôu odraz molekuly adsorpce o desorpce o Q OTA difúze po povrchu oo QQ W99956 (XXXXXXJ chemická reakce na povrchu ÔÓOOÔÓU difúze do objemu 9999^9-^ difúze z objemu na povrch Plyny adsorbované na povrchu fyzisorpce - slabá vazba, Van der Waalsova vazba, dlouhý dosah Ro > 3 x ÍO-10-, A B E = R9 R3 chemisorpce - silné chemické vazby, krátký dosah, 1 x l(r10m < Ro < 3 x l(T10m E = D0(l - exp[-a{R - R0)]): Vakuová fyzika 2 25 / 32 kowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 chemlsorpce i (J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1984« Vakuová fyzika 2 27 / 32 Koeficient ulpění v\ = -nva Vlef = 7^1 => 7 = V\ef 7 = 1, adsorpce každé molekuly, která dopadne na povrch 7 = 0, všechny molekuly se odrazí Vakuová fyzika 2 28 / 32 Stupeň pokrytí NlP A/i - počet adsorbovaných atomů, A/_p - 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 Koeficient ulpění 1,0 0,9 0,7 Q6 0,5 OA Q3 0,2 0,1 0 Cs (N1p -0,38-107d) Wolfrar n {Ts = 30 OH) Plyny (T- 300K) - 0,55 ■ 10 0 0,1 0,2 0,3 Ofi 0J5 K* N, 10 10J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 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 C02 H20 CH4 Nlp[1015cm-2] 0,81 0,81 0,53 0,53 0,52 CO na wolframu [K] 300 500 700 900 1100 A/iptlO1 7 5 cm 2] 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 A/ip[1015 cm~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 0,87 0,7 H2 0,2-0,3 0,4-0,7 0,4-0,5 Cs 1 0.38 1