F4160
Vakuov´a fyzika 1 Pavel Slav´ıˇcek email:
[email protected]
()
F4160
1 / 23
Osnova: ´ • Uvod a historick´ y v´ yvoj • Voln´ e plyny • statick´ y stav plyn˚ u • dynamick´ y stav plyn˚ u • Z´ısk´ av´an´ı vakua - v´ yvˇevy s transportem molekul z ˇcerpan´eho prostoru • v´ yvˇevy s periodicky se mˇen´ıc´ım prostorem • v´ yvˇevy s nepromˇenn´ ym pracovn´ım prostorem • paroproudov´ e v´ yvˇevy
• Mˇ eˇren´ı vakua • mˇ eˇren´ı celkov´ ych tlak˚ u • mˇ eˇren´ı parci´ aln´ıch tlak˚ u • hled´ an´ı netˇesnost´ı ve vakuov´ ych syst´emech
()
F4160
2 / 23
Navazuj´ıc´ı pˇredn´ aˇsky:
• Vakuov´ a fyzika 2 - F6450 • V´ azan´e plyny • Sorpˇ cn´ı v´ yvˇevy • Mˇ eˇren´ı ve vakuov´e fyzice • mˇeˇren´ı proudu plynu • mˇeˇren´ı tenze par • Konstrukˇ cn´ı prvky vakuov´ ych zaˇr´ızen´ı
• Experiment´ aln´ı metody a speci´ aln´ı praktikum A 1 - F7541 • Fyzika n´ızk´ ych teplot - F8450
()
F4160
3 / 23
Literatura • J. Groszkowski: Technika vysok´ eho vakua, SNTL, Praha 1981 • L. P´ at´ y: Fyzika n´ızk´ ych tlak˚ u, Academia, Praha 1968 • V. S´ıtko: Vakuov´ a technika, SNTL, Praha 1966
ˇ • J. Kr´ al: Cviˇcen´ı z vakuov´e techniky, CVUT Praha 1996 • V. Dubravcov´ a: V´akuov´ a a ultrav´ akuov´ a technika, Alfa, Bratislava
1992 • A. Roth: Vacuum technology, Elsevier, 1990 • W. Espe: Technologia hmot v´ akuovej techniky, Slovensk´a
akad´emia vied, Bratislava 1960 • Zpravodaje CVS • Firemn´ı katalogy • internet: www - str´ anky v´ yrobc˚ u vakuov´e techniky, ...
()
F4160
4 / 23
´ Uvod
• Vakuum je oznaˇ cen´ı pro stav syst´emu, kter´ y obsahuje plyny, nebo
p´ary, pokud je jejich tlak menˇs´ı neˇz tlak atmosf´erick´ y. • Jednotky tlaku: • P a[N m−2 ] - jednotka v soustavˇ e SI • 1 bar = 105 P a • 1 mbar = 100 P a • 1 torr = 133, 322 P a • 1 atm = 101325 P a = 760 torr (fyzik´ aln´ı atmosf´era) • 1 at = 98066.5 P a = 0.96784 atm (technick´ a atmosf´era) • 1 psi = 6890 P a • 1 psf = 47.8 P a
()
F4160
5 / 23
Historick´y v´yvoj
1
• 1643 - E.Torricelli, prvn´ı vakuum • 1654 - O. von Guericke, Magdebursk´ e polokoule • 1855 - Geissler, v´ yboje v plynech, rtut’ov´ a v´ yvˇeva • 1874 - H.G.Mac-Leod, kompresn´ı manometr • 1892 - Fleussova p´ıstov´ a v´ yvˇeva, pr˚ umyslov´ a v´ yroba ˇz´arovek • 1892 - Dewarova n´ adoba • 1906 - Pirani, tepeln´ y manometr • 1912 - W. Gaede, molekul´ arn´ı v´ yvˇeva • 1913 - W. Gaede, dif´ uzn´ı v´ yvˇeva • 1916 - Buckley, ionizaˇ cn´ı manometr • 1925 - Fyzika n´ızk´ ych tlak˚ u, jako samostatn´ y obor • 1926 - olejov´ a dif´ uzn´ı v´ yvˇeva 1 ”http://www.svc.org/HistoryofVacuumCoating/History-of-VacuumCoating.cfm” ()
F4160
6 / 23
• 1929 - kapacitn´ı manometr • 1936 - neopren • 1936 - Penning, v´ ybojov´ y manometr s magnetick´ ym polem • 1950 - Bayard-Alpert - ionizaˇ cn´ı manometr se ˇzhavenou katodou • 1954 - Alpert - Omegatron • 1958 - Becker, turbomolekul´ arn´ı v´ yvˇeva • 1967 - komerˇ cn´ı kvadrup´ olov´ y spektrometr
()
F4160
7 / 23
Vyuˇzit´ı vakua
• Vˇ eda a v´ yzkum • diagnostick´ e metody • elektronov´ y mikroskop • hmotov´ y spektrometr • optick´ y vakuov´ y spektrometr • plazmochemick´ e reaktory • urychlovaˇ ce ˇc´ astic - CERN, LHC d´elka 27 km • termojadern´ e reaktory - ITER, objem 834 m3
()
F4160
8 / 23
LHC
2
2
”http://lhc.web.cern.ch/lhc/” ()
F4160
9 / 23
ITER
3
3
”www.iter.org” ()
F4160
10 / 23
• Pr˚ umyslov´e aplikace • vytv´ aˇren´ı tenk´ ych vrstev • v´ yroba elektronick´ ych souˇc´ astek • osvˇ etlovac´ı technika - ˇz´ arovky, z´ aˇrivky • chemick´ y pr˚ umysl - ˇcist´e l´ atky • metalurgie • vakuov´ e manipul´ atory, pinzety,... • pˇresnˇ e definovan´e podm´ınky procesu, izolace studovan´eho procesu
od okol´ı, velk´a stˇredn´ı voln´ a dr´ aha
()
F4160
11 / 23
Tenk´e vrstvy
4
4
”http://www.shm-cz.cz/” ()
F4160
12 / 23
5
5
”http://www.shm-cz.cz/” ()
F4160
13 / 23
Zrcadlov´e plochy
()
F4160
14 / 23
Hubble Space Telescope
6
• v´ yroba 1977-1979 • brouˇsen´ı 1979-1981 • pr˚ umˇer 2,4 m, celkov´ a hmotnost 11 t • pˇresnost brouˇsen´ı 30 nm • odrazn´ e vrstvy - Al 76.2 nm, fluorid hoˇrˇc´ıku - 25.4 nm • vypuˇstˇ en´ı - 24.4.1990, let STS 31
6
http://en.wikipedia.org/wiki/Hubble Space Telescope ()
F4160
15 / 23
V´yroba CD-ROM, DVD, ...7
7
”http://www.pfeiffer-vacuum.net/” ()
F4160
16 / 23
Molecular Beam Epitaxy
8
8
”http://www.fzu.cz/oddeleni/povrchy/mbe/index.html” ()
F4160
17 / 23
Experiment na orbit´ aln´ı dr´ aze • tlak na obˇ eˇzn´e dr´aze raketopl´ anu ( 500 km) 10−8 torr • za ˇst´ıtem o pr˚ umˇeru 3.6 m , 10−14 torr • 1994 - WSF1 - porucha orientace, STS60 9 • 1995 - WSF2 - porucha MBE, STS69 • 1996 - WSF3 - u ´spˇech 7 vrstev GaAs/AlGaAs, STS80
9
http://mek.kosmo.cz/pil lety/usa/sts/sts-60/index.htm ()
F4160
18 / 23
Z´ avislost tlaku na nadmoˇrsk´e v´yˇsce
()
v´ yˇska [km]
tlak [mbar]
tlak [Pa]
0
103
105
11
102
104
50
10−2
100
100
10−3
10−1
200
10−6
10−4
500
10−8
10−6
1000
10−10
10−8
2000
10−15
10−13
F4160
19 / 23
Z´ avislost tlaku na nadmoˇrsk´e v´yˇsce
Tlak na Mˇes´ıci 1nP a = 10−9 P a Tlak v mezihvˇezdn´em prostoru 100µP a − 3f P a, 10−4 P a − 3.10−15 P a ()
F4160
20 / 23
Rozdˇelen´ı vakua 1
vakuum
tlak [mbar]
tlak [Pa]
n´ızk´e ,
103 − 100
105 − 102
stˇredn´ı (FV)
100 − 10−3
102 − 10−1
vysok´e (HV)
10−3 − 10−7
10−1 − 10−5
velmi vysok´e (UHV)
< 10−7
< 10−5
hrub´e, technick´e
()
F4160
21 / 23
Rozdˇelen´ı vakua 2
vakuum
tlak [mbar]
tlak [Pa]
n´ızk´e ,
103 − 100
105 − 102
stˇredn´ı (FV)
100 − 10−3
102 − 10−1
vysok´e (HV)
10−3 − 10−7
10−1 − 10−5
velmi vysok´e (UHV)
10−7 − 10−10
10−5 − 10−8
extremˇe vysoke (XHV)
< 10−10
< 10−8
hrub´e, technick´e
()
F4160
22 / 23
Rozdˇelen´ı vakua
vakuum
n´ızk´e
stˇredn´ı (FV)
vysok´e (HV)
UHV, XHV
tlak [P a]
105 − 102
102 − 10−1
10−1 − 10−5
< 10−5
n [cm−3 ]
1019 − 1016
1016 − 1013
1013 − 109
< 109
λ[cm]
< 10−2
10−2 − 101
101 − 105
> 105
τ [s]
< 10−5
10−5 − 10−2
10−2 − 102
> 102
proudˇen´ı
visk´ ozn´ı
Knudsenovo
molekul´ arn´ı
molekul´arn´ı
()
F4160
23 / 23
