F6450 Vakuová fyzika 2 Pavel Slavíček email: ps94@physics.muni.cz Vakuová fyzika 2 1 / 37 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 Literatura • B.Suurmeijer, T. Mulder, J. Verhoeven: Vacuum Science and Technology, 2016 • 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 Vakuová fyzika 2 4/37 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° - ÍO-3 102 - 10-1 vysoké (HV) 10-3 - io~7 10-1 - 10~5 velmi vysoké (UHV) 10~7 - ÍO-10 10~5 - 10~8 extrémně vysoké (XHV) < ÍO"10 <10"8 Rozdělení vakua vakuum střední (FV) vysoké (HV) (UHV) a (XHV) tlak [Pa] 102 - 10_1 10_1 - 1(T5 < ÍO-5 koncentrace [cm-3] 1016 - 1013 1013 - 109 < 109 střední dráha A [cm] 1(T2 - 101 101 - 105 > 105 monovrstva r [s] 1(T5 - 1(T2 10"2 - 102 > 102 typ proudění Knudsenovo molekulární molekulární Proč UHV a XHV vakuum? Vakuová fyzika 2 7/37 1.0e+06 1.0e+04 1.0e+02 ^ 1.0e+00 as 1 .Oe-02 1.0e-04 - 1.0e-06 I I I Hg - U trubice 1 1 1 McLeod loniz.man. ■ — < >< :> ■ □Boyle-1660 □ Hawksbee-1704 □ 1850 □ Geissler-1858 □ Sprengel-1865 J 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 8/37 Aplikace v mikroelektronice Moore's Law - The number of transistors on integrated circuit chips (1971-2016) Moore's law describes the empirical regularity that the number of transistors on integrated circuits doubles approximately every two years. This advancement is important as other aspects of technological progress - such as processing speed or the price of electronic products - ai strongly linked to Moore's law. OurWorld in Data 20,000,000,000 10,000,000,000 5,000,000,000 1,000,000,000 500,000,000 100,000,000 k 50,000,000 o o o H—' c cd 10,000,000 5,000,000 1,000,000 500,000 100,000 50,000 10,000 5,000 1,000 IBM z13 Storage Controller. 18-core Xeon Haswell-E5-. Xbox One main SoC _ 61-core Xeon Phi ^ 12-core POWER1 8-core Xeon Nehalem-EXv a ft £App Six-core Xeon 7400^_ if A . X _LC ♦ Z W, ^a ^22-core Xeon Broadwell-E5 > a _^-15-core Xeon Ivy Bridge-EX Dual-core Itanium "a Pentium D Presler. Itanium 2 with 9 MB cached \ Itanium 2 Madison 6ma Pentium D Smithfield.^ Itanium 2 McKinley^ a Pentium 4 Prescott-2MV POWER6 ♦Or a$+* 'Core I7 (Quad) " l-cc,_ Ifdalc IBMz13 Apple A8X (tri-core ARM64 "mobile SoC") ,rt core Core i7 Haswell-E "» Duo-core + GPU Iris Core i7 Broadwell-U A vQuad-core + GPU GT2 Core \7 Skylake K Xluad-core + GPU Core i7 Haswell Apple A7 (dual-core ARM64 "mobile SoC") AMDK8^ -Ore 2_Duo Conroe Cell OCore 2 Duo Wolfdale 3M ^^Core 2 Duo Allendale ^Pentium 4 Cedar Mill Pentium 4 NorthwoocW Agg^Qp Pentium 4 WillametteA „, , , , ^ Pentium iii Tualatin Pentium 4 Prescott ^Atom Pentium II Mobile DixonA AMD K7 $ ^Pentiurr AMD K6 Pentium Prcj Pentium^ AMD K6-III ^Pentium III Katmai 'entium IT Deschutes III Coppermine ♦ARM Cortex-A9 AMD Kü 8*p smiurn II Tl Explorer's 32-bitA Lisp machine chip^ Intel 80386^ rÍÍ/c Motorola 68000^ Motorola 68020 <^ Intel 80286 ntel^*ARM3 TMS 1000 Zilog Z80 Intel 4u04 386^ Olntel £ Motorola 6809 Intel 8085 ♦Intel 80186 88 A Oarm 2 ^rm 1 WDC a 65C816 ^vix NC4016 MOS Technology 9TDMI ^ ^ ^ Year of introduction ' ^ ^ <á> ^ n>> o^P o>> k<0 Data source: Wikipedia (https://en.wikipedia.org/wiki/Transistor_count) The data visualization is available at OurWorldinData.org. There you find more visualizations and research on this topic. Licensed under CC-BY-SA by the author Max Roser. http://en.wikipedia.org/wiki/ = Vakuová fyzika 2 9/37 10 pni «10 Mm (1971) e.g. htel 8008 lpm 100 nm 10 nm 1970 22 nm (2012) e.g. Core i7 (jyy Bridge) 14 nm (2014) e.g. Core M (Broadwell) 10nmf2017) 1980 Staphylococcus \ aureus bacterium \ 1990 Spermatozoon head 2000 2010 Red blood cell cross-secťon Human immunodeficiency virus (HIV) j/en.wikipedia.org/wiki/ Vakuová fyzika 2 Modular Process Zones Gate Valve Sputtering Chamber View Port Door with Viewport Substrate Entry F.OHanlon: A Users Gaude to Vacuum Technology, Wiley (2003) Vakuová fyzika 2 11 / 37 Urychlovače částic velká střední volná dráha LHC, synchrotrony, ... základní výzkum - časticová fyzika, materiály, biologie, medicína farmaceutický průmysl léčení rakoviny v roce 2015 bylo v provozu asi 17 000 urychlovačů Vakuová fyzika 2 12 / 37 Synchrotron Vakuová fyzika 2 13 / 37 Urychlovač LHC Overall view of the LHC experiments. 50 - 150 m pod zemí, délka 27 km home. web. cern.ch/topics/large-hadron-collider Vakuová fyzika 2 □ S 14 / 37 Jumper connection Helium ring line Warm helium recovery line Cryogenic distribution line [ORIJ LHC machine cryostat Figure 11.1: Transverse cross-section of the LHC tunn íl home.web.cern.ch/topics/large-hadron-collider Vakuová fyzika 2 15 / 37 Elektronové mikroskopy • katoda termoemisní < 10~2 Pa • katoda autoemisní studená emise < 10~8 Pa • Schottkyho katoda < 10"6 Pa • prodloužení životnosti, vyšší stabilita, užší svazek elektronů • výhody autoemise - nižší rozptyl energií elektronů menší stopa, větší rozlišení Molecular Beam Epitaxy ohřev pod rožky a motor kry°panel* s proměnnou rychlostí stínítko kvádru póíový podložky hmotnostní spektometr http: //www.fzu.cz/oddeleni/povrchy/mbe/i ndex.html Vakuová fyzika 2 17 / 37 Experiment na orbitální dráze • tlak na oběžné dráze raketoplánu ( 500 km) 10-6 Pa • za štítem o průměru 3,6 m , 10-12 Pa • 1994 - WSF1 - porucha orientace, STS60 • 1995 - WSF2 - porucha MBE, STS69 • 1996 - WSF3 - úspěch 7 vrstev GaAs/AIGaAs, STS80 http://mek.kosmo.cz/pil_lety/usa/sts/sts-60/index.htm Vakuová fyzika 2 18 / 37 LIGO - Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory objem asi 10 000 mó, tlak ~10"7 Pa Test Mass Test Mass Power Recycling Laser Source 20 W Signal £ 20 Beam 5plitter 100 Frequency (Hz) Lx = 4 km 100 kW Circulating Power 1000 Test Mass Test Mass Recycling$ Photodetector Wikipedia Experiment - KATRIN parametry stabilní sloupcová transport částic 0 zdroje hustota tritia a odčerpání tritia zadržení přesná energetická polohově citlivý n ízkoenergetických analýza částic p detektor částic (3 částic p zadní část plynný zdroj tritiových molekul rozpad p deferencialni čerpání tritia předsazený hlavní elektronový 1 detektor spektrometr spektrometr 3x 10 3mbar ±lkV 70 m www.osel.cz Vakuová fyzika 2 20 / 37 Experiment - KATRIN www.symmetrymagazine.org Vakuová fyzika 2 21 / 37 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 — i-V = 2,4 x 1013 kT Počet molekul na stěnách: jVi = 6 x S x Np iVi = 6 x 100 x 0,5 x 1015 = 3 x 1017 tlak uvolněných molekul: iVi Pi = nikT = -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) VO 200 300 500 700 1000 2000 3000 T8 (K) Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 Desorpce plynů ze stěn Důležitá je teplotní a vakuová historie vakuové aparatury. Desorpční proud plynů ze stěny pro kovy a skla a pro t > t0 n - 4 — mater. oprac. Q de s [hPa2l(l h) L scmz -i v / Qdes [hPaÍl(4 h) L scmz -i v / Qdes [hPaÍl(10 h) nerez leštěná 2 x 1(T8 4 x 1(T9 2 x ícr10 nerez pískovaná 3 x 1(T10 6,5 x KT11 4 x KT11 dural 6 x 1(T8 1, 7 x ícr8 1, 1 x 1CT8 sklo 4, 5 x 1CT9 1, i x i(r9 5, 5 x 10-10 viton 1, 2 x 1(T6 3, 6 x ícr7 2, 2 x 1(T7 viton zahřátí 4 h 1, 2 x KT9 3,3 x ícr10 2, 5 x 10"10 Typická křivka čerpání vakuové komory Volume Time (s) B.Suurmeijer, T. Mulder, J. Verhoeven: Vacuum Science an^j Technology, 2016 Vakuová fyzika 2 28 / 37 Základní procesy probíhající mezi plynem a povrchem pevné látky o o o (WxXXXy ÔOÔÔUÔU odraz molekuly adsorpce o 00000X7 desorpce o W99966 ÔÓÓÓOÓU difúze po povrchu o oo QQ W56&90 OÔÔÔÔÔU chemická reakce na povrchu OOOÓOOCJ difúze do objemu ó$8äb$8 difúze z objemu na povrch Plyny adsorbované na povrchu fyzisorpce - slabá vazba, Van der Waalsova vazba, dlouhý dosah Ro > 3 x l(r10 m , F- — - — chemisorpce - silné chemické vazby, krátký dosah, 1 x 1CT10 m < Ro < 3 x 1CT10 m E = DQ(1 - exp[-a(R - RQ)}) Vakuová fyzika 2 31 / 37 Koeficient ulpění i i/l = -nva "lef 1, adsorpce každé molekuly, která dopadne na povrch 0, všechny molekuly se odrazí Stupeň pokrytí 0 = ^-Nlp N\ - počet adsorbovaných atomů, N\p - počet volných míst v mono-molekulární vrstvě, pro méně přesné výpočty se bere Nlp = 0,5 x 1015 cm~2 • ů — 0, čistý povrch • ů — 1, zcela pokrytý povrch Koeficient ulpění 1,0 0,9 0,7 0,6 0,5 OA Q3 0,2 0,1 0 Cs (N1p ~0,38-101!') Wolfram (Ts = 30 OK) _j__ Plyny (T- 300K) COt - 0p5 - tO Hi 0,1 0,2 0,3 O/i 0/5 10" "i J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 □ g Vakuová fyzika 2 Odhad na základě rozměrů molekul plyn He Ne H2 o2 Ar Nlp[1015 cm"2] 2,42 1,72 1,52 0,87 0,85 plyn N2 CO co2 H20 CH4 Nlp[1015 cm"2] 0,81 0,81 0,53 0,53 0,52 CO na wolframu Ts [K] 300 500 700 900 1100 Nlp[1015 cm"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[1015 cm"2; •& 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 ► 4 fiP ► 4 B