Počet atomů a molekul v monomolekulární vrstvě $ je stupeň pokrytí 7 je koeficient ulpění Ů = a/i = m„ v\ = jnva V\ef = 7^1 = 7t"^ Vakuová fyzika 2 1/44 v, = 8kT irm 8/c/V, 7T 7 1 P 8kN; Vlef = 1 4 kT 77 T a/a Pl 2/ctt^T/WÔ A/a Pl 2/c7r^TMÔ počet molekul, které u lpí na jednotce povrchu za 1 s Vakuová fyzika 2 2/44 Adsorpční proud a rychlost / = kTvx adsorpční proud na plochu A: Nak / T 2tt V Mq adsorpční rychlost : Ud = SP c Ud Nak / T s = T = v*ryM-0lA □ {3 Doba pobytu molekuly na povrchu t p = tp0exp R T c es - vazbová energie (desorpční energie) Jmol 1 R = 8314 Jmol'1 K'1 7~s - teplota povrchu tpO - nejmenší možná doba pobytu molekuly na povrchu, závisí na druhu molekul a vlastnostech povrchu i na teplotě povrchu, může mít hodnoty z intervalu 10"13 - 10"4 s -13 -13 inertní plyny na grafitu ~ 8 x 10 " s inertní plyny na skle ^0,2 x 10 Vakuová fyzika 2 4/44 O 1 2 3 4 5 6 (eK) Závislost doby pobytu na teplotě povrchu (C-C 346 kJmol"1; N-N 163 kJmol"1; fyzisorpce < 50 kJmol"1) 1 1J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, PraJna 1981 Vakuová fyzika 2 5/44 Souvislost doby pobytu molekul na povrchu s tlakem Dva mezní případy: • 7~s = 0 K, P =0 Pa, žádné volné molekuly, doba pobytu nekonečně velká • 7~s velmi vysoká, P = nkT, žádné vázané molekuly řp^0s V reálném systému po určité době nastane rovnováha mezi plynem adsorbovaným na povrchu a plynem volným v objemu reaktoru. Doba úplného pokrytí povrchu monomolekulárn vrstvou Nip V\ef 15 —2 pro orientační výpočty A/ip = 0, 5 x 10 D cm Pro M0 = 30, T = 300 K, 7 = 0,5, P = 10"10 Pa je doba pokrytí Tp = 1,14 x 108 s - 3,6 tet Povrch vakuově čistý Obvykle se považuje povrch za čistý, pokud je stupeň pokrytí menší než 0,1 Pro fyzikální a technologické procesy a experimenty potřebuj vyrobit a udržet po dostatečně dlouhou dobu čistý povrch. Vytvoření čistého povrchu: • zahřátí na vysokou teplotu • rozštípnutí monokrystalu • napaření vrstvy materiálu • bombardování povrchu ionty, nebo elektrony Desorpce plynu Intenzita tepelných kmitů částic pevné látky roste s teplotou. Molekuly plynu vázané na povrchu se proto mohou uvolňovat. Pro desorpci inertních plynů stačí nižší teplota. Desorpci chemicky aktivních plynů (vázaných chemisorpcí) je obtížná i při vysokých teplotách. Pro vysoko-vakuovou techniku: • odplyňování- vysoká teplota • udržení nízkého tlaku - nízká teplota Počet desorbovaných molekul plynu dN N N Vldes — dr = — = —exp es Vakuová fyzika 2 10 / 44 Rovnováha mezi adsorpcí a desorpcŕ Vi ads — Vides a/a p7 a/x ( Hdes = —exp 2/cTT ^TŽWÔ Tpo ' V R1~s Nl = ^^Tp°7fmeX"'VRT, Vypařovací teplo energie potřebná k přeměně jednotky hmotnosti látky při teplotě T na nasycenou páru stejné teploty. Je-li v systému o objemu V (bez přítomnosti plynu) 1 g látky při teplotě T, vzroste tlak o dP při vzrůstu teploty o dT d P dT „ ^dP P = T T dT dP PV = VT— = l/l/, dT vyp <3 = Vakuová fyzika 2 12 / 44 Tlak nasycených par stavová rovnice pro plyn V = Rí W -RT2dP ^dP -W^dT lnP = A- P = P0exp ( -Po je tlak nasycené páry pro T —> oo T. l/l/, vyp RT vo 200 300 500 700 1000 2000 3000 !J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 5 ^) c\ o Vakuová fyzika 2 Vakuová fyzika 2 1 1 Mo; 3 - H2 Pd; 4 - H2 -+ Ni; 5 - H2 -+ Cu; 6 - 02 ~> Ni; 7 - H2 - Fe; Ä - Oz -+ Ti; 9 - H2 -+ Fe; /() - 02 - Cu. P/ynv ve sklech: U - H2 -> Si02; Í2 - H2 sklo 12; /i - H2 -> sklo 13; /•* -H2 sklo 14; J5 - H2 -♦ sklo 15; 16 - H2 -» sklo 16 (vycor); /7 - He - sklo 17 (pyrex 7740). Čísla skel a jejich složení je uvedeno v textu k obr. 3.19 8__ 8J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 198* ► « l ► < = 1>W; Vakuová fyzika 2 Pronikání plynů stěnou Proud plynu přes stěnu závisí na koef. difúze, koef. rozpustnosti a tlacích na obou stranách stěny. /i = —Dgrad nr — —D plocha 1 cm2, tloušťka L, tlaky Pi, P2; P2 > Pi dnr \\dx — —Ddnr k I dx o = ÍXL = - rnri D / dnr = D{nr2 — r?ri) k = Dr nr2 nu nu L Vakuová fyzika 2 27 / 44 Koeficient pronikání plynu PP = rD PP = Ppoexp ( —^p- )\PPQ = roDcj - aktivační energie pronikání plynu Po" - Pľ k = Dr 2 _ 1 L k = PPPZ; L = lem; P2 > Pi □ {3 1«.-*- V* 10'5 10 -6 V'7 V'8 JO'9 KT10 »"« 3d"'3 »-« K?" s? \ > 9 i ■7 N 9 ä \ i I l; s \ R* \ 17 2000 1500 1000 700 600 500150 600 350 300 275 250 r4(k) Obr. 3.21. Závislost koeficientu pronikání P na teplotě (podle Waldschmidta, 1954; Nortona. 1957; Millera a Sheparda, 1961; Rogerse, Dushmana a Laffertyho, 1962). , cm3(norm)cm Plyny v kovech | u = |, P = |_____ .,. ' ; | : í — H ľ j / cm3 (norm) cm \ = 5, P = ^101kpai/2cm2 J H2 -+ Fe; 4 - H2 -> kovar; 5 - H2 Cu; 6 - N2 cm' (norm)cm P/yny ue sklech a keramice He pyrex 7740; 9 - H r/ 101 kPa° cm2 sy , -SiO2;70 - N2-»Si02;// -*• Pd; 2 - H2 - Ni; Ni. : 7 — He -> vycor; 8 — He -» keramika; /2 H2 -» sklo 1720; 13 - He - sklo G; 14 - vzduch - pyrokeramika; 15 -vzduch - pyrex; 76 - vzduch -* keramika; 17 - vzduch pyrex sklo 1720; /8 - 02, N2 - 'J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 Vakuová fyzika 2 Koeficient pronikání Pp [10~8 cjg0cľ?pJ materiál N2 o2 H2 C02 He přírodní kaučuk 6 18 38 100 20 methylkaučuk 0,4 2 13 6 11 butylkaučuk 0,25 1 6 4 5 neopren G 25 3 10 20 4 buna-S 5 13 30 95 18 teflon polymetakrylát 0,002 2 0,007 18 0,05 5 Uvolňování plynu a z povrchu a tok plynu na povrch u velmi tlusté stěny lio = -D dx druhý Fickův zákon dr d_ dx -D x=0 dx lir = nro D 7TT Množství plynu uvolněné z jednotky povrchu za dobu r Dr Qi = / lirdr = 2nr0A/- Vakuová fyzika 2 31 / 44 Proudění plynu ve stěnách konečné tloušťky tloušťka stěny L, předem zcela zbavená plynů, P2 P] Qi= I kdr « ^y— (r - r0) o L pro r > To T"0 = 6D nr2P Dr Qi = lir = —j—t = -j~P2T □ fi? > 4 = >■ 4 .= Vakuová fyzika 2 32 / 44 10 J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1984i Vakuová fyzika 2 33 / 44 Pronikání He sklem p cm2 s 101 kPa Obr. 3.24. Závislost aktivační energie difúze #ad a pronikání helia sklem s různým obsahem sklotvorných složek (Si02 + B203 + P2Os) při teplotě 373 K (podle Nortona, 1953; Eschbacha, 1960 a dalších). Čísla u křivek odpovídají číslům skel v tab. 3.16 obsah SiOg*Ba0s*Pg05 11 nJ. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 Vakuová fyzika 2 12 Tab. 3.16. Složení skel, jejichž charakteristiky jsou uvedeny v obr. 3.24 Pořadové číslo v obr. 3.24 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Název skla tavený křemen vycor pyrex borokřemičité hlinitofosforové sodnodraselné hlinitokřemičité olovnaté1) olovnaté bez křemíku s malým obsahem alkálií Druh skla (Corning), blizký danému C-7940 C-7910 C-7710 C-0080 C-1720 C-8363 Sklotvorné složk (%) O -1—t co 100 96 81 65 72 62 31 O IN DQ 3 13 25 5 22 77 5 - 100 99 94 90 82 72 67 31 22 1 2 3 11 1 18 O -o + O (N « Z - 61 7 78 O + O ca - 4 - - 7 - 1 17 10 - - 15 O O c N - - 8 - 12 J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1984« Vakuová fyzika 2 35 / 44 Objem V = 1 I, povrch A = 500 cm2, tloušťka stěny L = 1 mm, teplota T = 293 K, vyčerpáme na tlak 10~10 Pa. Parciální tlak He ve vzduchu je PHe = 0,5 Pa Ľííl p L PV A l = kA = P t t '-b P = 10"10 + 6.10"10r Vakuová fyzika 2 36 / 44 P (Po) 13_ 13J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 [mmHg] 1 atuminosilikatove 70° 102 104 106 108 1010 1