Obsah
PŘED M LU VA ........................................................................................................................ Ú V O D ................................................................................................................' ' ' ' ' Problematika nízkých tlak ů .................................................................................................... V ak u u m ...................................................................................................................................
12 14 14 14
1.3. 1.4. 1.5. 1.6. 1.7. 1.8. 1.8.1. 1.8.2. 1.9. 1.9.1. 1.9.2. 1.9.3.
Význam vysokého vakua pro vědu, techniku a p rů m y sl.................................................... Využiti vysokého a velmi vysokého vakua............................................................................ Plyn a některé vlastnosti jeho molekul (atomů).................................................................... Vysoké vakuum — nízký t l a k ................................................................................................ Ideální vakuum - tlak rovný n u le ........................................................................................ Vliv teploty na stav v a k u a ....................................... Plyn při teplotě absolutní n u l y ............................................................................................ Plyn při teplotě nad absolutní n u lo u .................................................................................... Plyny v prostoru, na povrchu a uvnitřlá t e k ......................................................................... Volný plyn, jeho koncentrace a h u sto ta ................................................................................ Vázaný plyn a jeho koncentrace............................................................................................ Plyn uvnitř látek, jeho koncentrace a h u s t o t a ....................................................................
14 15 16 lg Ig 19 19 19 20 20 21 21
2.
VOLNÉ PL Y N Y .....................................................................................................................
22
Volné plyny ve statickém s t a v u ............................................................................................ Rychlost molekul (atomů) p ly n u ............................................................................................ Energie a teplota plynu............................................................................................................ Střední rychlost molekul (atomů) plynu................................................................................ Srážky molekul (atomů) plynu................................................................................................ Střední volná dráha molekuly (atomu) p l y n u .................................................................... Počet úderů na stěnu................................................................................................................ Tlak p ly n u ................................................................................................................................ Daltonův zákon........................................................................... Jednotky t l a k u ........................................................................................................................ Souvislost mezi tlakem, koncentrací a teplotou.................................................................... Závislost střední volné dráhy molekulyplynu na tlaku a t e p l o t ě ...................................... Atmosférický vzduch................................................................................................................ Obory tlaků a vakua................................................................................................................ Zákony kinetické teorie plynů................................................................................................ Množství p ly n u ............................ Stavová rovnice p ly n u ................ Volné plyny v dynamickém s t a v u ......................................................................................... Střední volná dráha a charakter procesů.Knudsenovo č í s l o .............................................. Difúze p ly n u ............................................................................................................................ Efúze plynu................................................................................................................................ Přenos energie molekulami p l y n u ........................................................................................ Viskozita plynu (vnitřní tře n í)................................................................................................ Přenos tepla plynem ................................................................................................................
22 22 23 24 25 26 29 30 31 32 33 34 35 37 38
2.1. 2.1.1. 2.1.2. 2.1.3. 2.1.4. 2.1.5. 2.1.6. 2.1.7. 2.1.8. 2.1.9. 2.1.10. 2.1.11. 2.1.12. 2.1.13. 2.1.14. 2.1.15. 2.1.16. 2.2. 2.2.1. 2.2.2. 2.2.3. 2.2.4. 2.2.5. 2.2.6.
è è
L 1.1. 1.2.
41 41 42 44 45 47 50
5
2.3. 2.3.1. 2.3.2. 2.4. 2.4.1. 2.4.2. 2.4.2.1. 2A2.2. 2.5.
Proudění p ly n u ........................................ ................................................................... Druhy prouděni a t l a k ........................................................................................................... Veličiny spojené s prouděním p l y n u ................................................................................... Vakuová vodivost.................................................................................................................... Vodivost otvoru........................................................................................................................ Vodivost p o t r u b í .................................................................................................................... Vodivost potrubí při molekulárních podmínkách................................................................. Vodivost potrubí při viskózníchp o d m ín k á c h ..................................................................... Proudění plynu š tě rb in a m i...................................................................................................
54 54 55 62 62 66 67 75 79
3.
VÁZANÉ P L Y N Y ...............................................................................................................
81
Obecná charakteristika........................................................................................................... Sorpce a desorpce p l y n ů ....................................................................................................... Materiály užívané ve vakuové te c h n ic e ................................................................................
81 81 82
A.
P ly n y a d s o r b o v a n é n a p o v r c h u ...................................................................................
83
3.1. 3.1.1. 3.1.2. 3.1.3. 3.1.4. 3.1.5. 3.1.6. 3.1.7. 3.1.8. 3.1.9. 3.1.10. 3.1.11. 3.1.12. 3.1.13. 3.1.14. 3.1.15. 3.2. 3.2.1. 3.2.2. 3.2.3. 3.2.4. 3.2.5. 3.2.6. 3.2.7. 3.2.8. 3.3. 3.3.1. 3.3.2. 3.3.3. 3.4. 3.4.1. 3.4.2. 3.4.3. 3.4.4.
Interakce v p ly n e c h ............................................................................................................... Druhy interakcí....................................................................................................................... Sily a energie vzájemného působeni molekul....................................................................... Vazbová energie....................................................................................................................... Van der Waalsovy sily a v a z b y ........................................................................................... Atomy a molekuly................................................................................................................... Atomové v a z b y ....................................................................................................................... Kovové v a z b y ....................................................................................................................... Aktivační e n e rg ie ................................................................................................................... Vazba mezi atomy se stejnou p o la rito u ............................................................................... Iontová (heteropolární) v a z b a ............................................................................................... Přerušení vazby (disociace, rozklad, z á m ě n a ) ................................................................... Aktivace a ionizace plynu....................................................................................................... Ionizace p l y n u ....................................................................................................................... Souvislost mezi rychlostí iontu, teplotou a potenciálem .................................................... Fyzikální a chemická adsorpce na p o v r c h u ....................................................................... Adsorpce p ly n ů ........................................................................................................................ Koeficient ulpění, stupeň pokrytí a počet molekul v monomolekulární vrstvě................ Vliv adsorbovaných plynů ve v a k u u .................................................................................... Počet adsorbovaných m olekul............................................................................................... Adsorpční proud a rychlost................................................................................................... Doba pobytu molekuly na p o v r c h u ................................................................................... Souvislost doby pobytu s tlakem ........................................................................................... Doba tvorby úplného pokrytí p o v rc h u ................................................................................ Povrch vakuově č i s t ý ........................................................................................................... Desorpce p ly n u ........................................................................................................................ Počet desorbovaných molekul p ly n u ................................................................................... Rovnováha mezi adsorpcí a d eso rp ci................................................................................... Adsorpční rovnice................................................................................................................... Vypařováni a k o n d e n z a c e ..................................................................................................... Vypařovaci a kondenzační te p lo ........................................................................................... Tlak nasycených p a r ....................................... Vypařovaci ry c h lo st............................................................................................................... Význam sorpce, desorpce a tlaku par pro vakuovou te c h n i k u ........................................
83 83 83 84 84 87 88 89 90 90 90 91 91 91 94 94 96 96 99 99 100 100 101 102 102 103 103 104 104 105 105 106 111 112
3.0. 3.0. 3.0.
1. 2.
6
В.
P ly n y v p ev n ý ch l á l k á c h .................................................................................................
113
3.5. 3.6. 3.7. 3.7.1. 3.7.2. 3.7.3. 3.7.4. 3.7.5. 3.8. 3.8.1. 3.9.
Rozpouštění plynů v pevných l á t k á c h ............................... Difúze plynů v pevných lá tk á c h ............................................................................................ Pronikáni plynů s t ě n o u ........................................................................................................ Prouděni plynů v pevných lá tk á c h ........................................................................................ Koeficient a konstanta pronikáni plynu................................................................................ Uvolňováni plynu z povrchu a tok plynu na povrch u velmi tlusté stě n y ........................ Uvolňováni plynu z povrchu rovinné desky konečné tlo u š ť k y ........................................ Proudění plynu ve stěnách o konečné tloušťce.................................................................... Pronikání helia s k l e m ............................................................................................................ P ř í k l a d .................................................................................................................................... Dcsorpční proud z různých p o v rc h ů ....................................................................................
114 116 118 118 119 122 123 123 124 126 127
4.
ZÍSKÁVÁNÍ VYSOKÉHO V A K U A .................................................................................
130
Ú v o d ........................................................................................................................................ Tlak ve vakuovém sy sté m u ..................................................................................................... Pokles tlaku při výtoku molekul plynu ze sy s té m u ............................................................. Otvor do vysokého vakua jako ideálni vývěva..................................................................... Otvor do prostoru s nenulovým tlakem ................................................................................. Klasifikace v ý v ě v .....................................................................................................................
130 131 131 133 133 134
4.0. 4.0. 4.0. 4.0. 4.0. 4.0.
1. 2. 3. 4. 5.
A.
T r a n s p o r tn í v ý v č v y .........................................................................................................
135
4.1. 4.1.1. 4.1.1.1. 4.1.1.2. 4.1.2. 4.1.2.1. 4.1.3. 4.1.3.1. 4.1.3.2. 4.1.3.3. 4.1.4. 4.1.5. 4.1.6. 4.1.7. 4.1.8. 4.1.9. 4.1.9.1. 4.1.9.2. 4.2. 4.2.1. 4.2.2. 4.2.2.1. 4.2.2.2. 4.2.2.3. 4.3. 4.3.1. 4.3.2. 4.3.3. 4.4.
Mechanické v ý v ě v y ................................................................................................................ Pístové v ý v ě v y ........................................................................................................................ Rtuťové pístové vývěvy............................................................................................................. Mechanické pístové vývěvy..................................................................................................... Rotační v ý věvy....................................................................................................................... Rotační rtuťové vývěvy............................................................................................................ Rotační olejové vývěvy............................................................................................................ Rotačni olejové vývěvy s lopatkami v r o t o r u .................................................................... Rotační olejová vývěva se statorovým š o u p á tk e m ............................................................ Rotační olejová vývěva s kolujícím rotorem a čtyřhrannou t r u b i c i ................................ Rotačni olejové vývěvy s proplachovánim............................................................................ Spojení několika rotačních olejových v ý v ě v ........................................................................ Oleje pro rotační v ývěv y ........................................................................................................ Příkon olejových rotačních v ý v ě v ........................................................................................ Pracovni charakteristiky olejových rotačních vývěv............................................................ Suché rotačni vývěvy................................................................................................................ Suché Rootsovy v ý v ě v y ......................................................................................................... Suché rotační vývěvy s e x c e n tre m ......................................................................................... Vývěvy pracující na základě přenosu im p u ls u .................................................................... Molekulárni v ý věvy................................................................................................................ Vývěvy s proudem pracovni tekutiny.................................................................................... Vodní vývěvy............................................................................................................................. Vývěvy s proudem vzduchu.................................................................................................... Vývěvy s proudem p á r y ........................................................................................................ Společná funkce difúznich a rotačních vývěv........................................................................ Volba primární vývěvy pro difúzni v ý v ě v u ........................................................................ Společná funkce vývěv ............................................................................................................ Čerpací d o b a ............................................................................................................................ Vývěvy s elektrostatickým p o l e m .........................................................................................
136 140 140 141 142 143 143 144 145 146 147 150 150 153 153 155 155 160 160 161 166 166 168 168 201 201 201 203 205
7
4.5. 4.5.1. 4.5.2.
Adsorpční transportní a akomodačné efúzní v ý v ě v y ....................................................... 206 Adsorpčně transportní vývěvy............................................................................................... 206 Akomodačné efúzní vývěvy................................................................................................... 208
B. 4.6. 4.6.1. 4.6.2. 4.6.3. 4.6.4. 4.6.5. 4.6.6. 4.6.7. 4.6.7.1. 4.6.7.2. 4.6.8. 4.7. 4.7.1. 4.7.2. 4.7.3. 4.7.4. 4.8. 4.8.1. 4.8.2. 4.8.3. 4.8.4. 4.9. 4.9.0. 4.9.1. 4.9. 1.1. 4.9.1.2. 4.9.1.3. 4.9. 1.4. 4.9.2. 4.9.2.1. 4.9.2.2. 4.9.2.3. 4. 10. 4.11.
S o rp č n í v ý v ě v y ..................................................................................................................... 208 Kryogenní vývěvy................................................................................................................... 209 Pracovní p r i n c i p ................................................................................................................... 209 Kapalný stav p l y n ů ...............................................................................................................210 Čerpací rychlost kryogenní vývěvy.......................................................................................214 Mezní tlak kryogenních vývěv............................................................................................... 216 Konstrukce kryogenních v ý v ě v ........................................................................................... 218 Pomocná zařízeni pro kryogenní v ý v ě v y ...........................................................................222 Nízkoteplotní lapače p a r ....................................................................................................... 223 Regulace hladiny kryogenní kapaliny................................................................................... 224 Chladicí a g re g á ty ................................................................................................................... 225 V ym razovačky.......................................................................................................................225 Zeolitové v ý v ě v y ........................................................................................................... 226 Princip činnosti............................................................................................................... 226 Závislost vlastností zeolitů na teplotě................................................................................... 228 Konstrukce kryogenních zeolitových v ý v ě v ....................................................................... 229 Zeolitové lapače olejových p a r ........................................................................................... 232 Sublimační vývěvy................................................................................................................... 235 Princip činnosti a k o n stru k ce............................................................................................... 235 Sublimační e le m e n t...............................................................................................................237 Charakteristiky sublimační vývěvy ................................................................................... 238 Sublimační kryogenní v ý v ěv y ............................................................................................... 239 Iontové v ý v ěv y ....................................................................................................................... 240 Princip činnosti a klasifikace iontových v ý v ě v ................................................................... 240 Iontové vývěvy se žhavou kato d o u ........................................................................................ 241 Iontová sublimační vývěva se vsunováním tita n u ................................................................ 241 Iontová sublimační triodová v ý v ě v a .................................................................................... 242 Iontová sublimační vývěva s vypařováním titan u ................................................................ 243 Elektrostatická iontová sublimační v ý v ě v a ....................................................................... 243 Iontové vývěvy se studenou k a to d o u .................................................................................... 245 Diodové výbojové vývěvy.................................................................... ................................... 246 Výbojová vývěva s žebrovitou k a to d o u ............................................................................... 249 Triodová výbojová v ý v ě v a ................................................................................................... 249 Pracovní charakteristiky sorpčních vývěv........................................................................... 251 Závěrečné poznámky o sorpčních vývěvách........................................................................ 252
5.
MĚŘENÍ V A K U A ................................................................................................................
A.
M ěřen í c e lk o v ý c h t l a k ů ................................................................................................ 254
5.1. 5.1.1. 5.1.2. 5.1.3. 5. 1.4. 5.1.5. 5.2. 5.3. 5.3.1. 5.3.1.1.
Barometrické manometry....................................................................................................... 255 Barometrický manometr s uzavřeným ra m e n e m ............................................................... 256 Zkrácený barometrický m anom etr....................................................................................... 256 Olejový barometrický m a n o m e tr ....................................................................................... 257 Optické interferenční metody měření rozdílu výšek hladin k a p a l i n ................................257 Rtuťový plovákový m anom etr............................................................................................... 258 Mechanické m a n o m e try ........................ ...............................................................................259 Kompresní manom etry...........................................................................................................260 MacLeodův m anom etr........................................................................................................... 261 Princip činnosti a c h a ra k te ristik y ........................................................................................261
8
254
5.3.1.2. 5.3.1.3. 5.3.1.4. 5.3.1.5. 5.3.1.6. 5.3.1.7. 5.4. 5.4.0. 5.4.1. 5.4.1.1. 5.4.1.2. 5.4.2. 5.4.3. 5.4.4. 5.4.5. 5.4.6. 5.5. 5.5.1. 5.5.1.1. 5.5.1.2. 5.5.1.3. 5.5.2. 5.6. 5.6.0. 5.6.1. 5.6.1.1. 5.6.1.2. 5.6.1.3. 5.6.2.
Stanoveni polohy konce kompresní kapiláry extrapolaci.........................................................263 Modifikace kompresních m anom etrů.................................................................................... 264 Zavedení rtuti do kompresního zásobníku............................................................................ 265 Hranice mfiřiciho oboru a citlivost kompresního m anom etru............................................. 266 Příklad konstrukčního řešeni kompresního m an o m etru.................................................... 266 Pracovní charakteristiky kompresních m an o m etrů ............................................................. 266 Tepelné m anom etry................................................................................................................ 267 Pracovní princip a klasifikace................................................................................................ 267 Odporové vakuom etry............................................................................................................ 269 Pracovni princip a charakteristiky v a k u o m e tru ................................................................. 269 Metody měření tlaku................................................................................................................ 272 Vakuometr s konstantním odporem v můstkovčm z a p o je n í............................................ 277 Termistorový vakuom etr........................................................................................................ 279 Termočlánkový vak u o m etr.................................................................................................... 280 Dilatační vakuom etr................................................................................................................ 281 Pracovní charakteristiky tepelných v a k u o m e trů ................................................................ 282 Molekulární a viskózni v a k u o m e try .................................................................................... 282 Molekulární vakuom etry........................................................................................................ 282 Pracovní princip a jeho charakteristiky................................................................................ 282 Měření tlaku metodou měření doby k m i t u ........................................................................ 285 Měření tlaku metodou měření amplitud................................................................................ 286 Viskózni v a k u o m e try ............................................................................................................ 287 Ionizační v ak u o m etry ............................................................................................................ 288 Pracovní princip a klasifikace ionizačních v a k u o m e trů .................................................... 288 Vakuometry s regulovanou io n iz a c i.................................................................................... 289 Elektronové ionizační vakuom etry........................................................................................ 289 Elektronové ionizační vakuometry s nízkou dolni h r a n ic í................................................. 305 Radioizotopové vakuometry (alfatrony). ............................................................................ 314 Vakuometry s neregulovanou io n iz a c í................................................................................. 316
B.
M ěření p a rc iá ln íc h t l a k ů ................................................................................................
5.7. 5.7.1. 5.7.1.1. 5.7.1.2. 5.7.2. 5.7.2.1. 5.1 2 .2. 5.1 2 . 3. 5.7.2.4. 5.7.2.5. 5.7.3.
Hmotnostní sp e k tro m e try .................................................................................................... 325 Statické hmotnostní spek tro m etry .............................................................................................328 Statické hmotnostní spektrometry s kruhovými d r a h a m i ...................................................... 328 Statický hmotnostní spektrometr s cykloidální trajektorii (trochotron).................................. 330 Dynamické hmotnostní s p e k tro m e try .....................................................................................332 Dynamický hmotnostní spektrometr se spirálovou trajektorii (om egalron).......................... 332 Dynamické průletové hmotnostní spektrometry (chronotrony)........................................ 335 Rezonanční vysokofrekvenční dynamický hmotnostní sp e k tro m e tr................................ 336 Kvadrupólový hmotnostní spektrometr (hmotnostní f i l t r ) ................................................ 339 Monopolový spektrometr........................................................................................................ 339 Poznámky к hmotnostním sp e k tro m e trů m ........................................................................ 341
C. 5.8. 5.8.1. 5.8.1.1. 5.8.1.2. 5.8.2. 5.8.2.1. 5.5.2.2.
325
C e jc h o v á n í v a k u o m e t r ů ..................................................................................................... 341 Metody c e jc h o v á n í.................................................................................................................... 341 Statické m etody............................................................................................................................ 342 Expanzní m e to d a ..........................................................................................................................342 Metoda pomalého vzrůstu tl a k u ................................................................................................ 342 Dynamické m e to d y .................................................................................................................... 343 Metoda s konstantním proudem ................................................................................................ 344 Standardní metoda cejchováni vakuometrů v oboru tlaků 10“ 1 až 10“ s P a .....................345
9
D.
M čřen i o s ta tn íc h v e l i č i n .................................................................................................... 346
5.9. 5.9.1. 5.9.2. 5.9.2. 1. 5-9.2.2. 5.9.2.3.
Mčřeni proudu a čerpací ry ch lo sti............................................................................................ 346 Mčřeni proudu p l y n u ................................................................................................................346 Mčřeni čerpací r y c h lo s ti............................................................................................................347 Metoda měření čerpací rychlosti při konstantním o b je m u .................................................... 347 Metoda mčřeni čerpací rychlosti při konstantním tl a k u ......................................................... 348 Metoda mčřeni čerpací rychlosti při konstantním množství plynu........................................ 349
E.
H le d á n í n e t ě s n o s t i ...........................................................................................................
5.10, 5.10.1. 5.10.2. 5.10.2.1. 5.10.2.2. 5.10.3.
Netěsnosti ve vakuových sy s té m e c h ........................................................................................ 35O Základy hledání n e tě sn o stí........................................................................................................ 35I Metody hledání n e tě s n o s tí........................................................................................................ 35I Metody hledáni netěsností v k o m o rách .................................................................................... 352 Hledáni netěsností ve vakuových systém ech............................................................................ 355 Hledáni netěsnosti spektrometrickým přístrojem .................................................................... 359
6.
PRVKY VAKUOVÝCH A P A R A T U R ................................................................................ 361
6.1. 6.2. 6.2.1. 6.2.2. 6.2.3. 6.2.4. 6.3. 6.4. 6.5. 6.6. 6.6.1. 6.6.2. 6.6.3. 6.7. 6.8. 6.9. 6.10. 6.11. 6.1.2. 6.13.
35O
Vakuová z a říz e n í....................................................................................................................... 361 Materiály pro vakuové a p a r a t u r y ............................................................................................362 K o v y ............................................................................................................................................362 S k lo ............................................................................................................................................... 365 Keramické materiály....................................................................................................................369 Organické m ateriály....................................................................................................................37I Pevné nerozebiratelnč spoje různých materiálů........................................................................ 375 Vakuová p o t r u b í ....................................................................................................................... 377 Rozebíratelné s p o j e ....................................................................................................................379 Ventily a k o h o u ty ........................................................................................................................З83 Ventily............................................................................................................................................383 K ohouty........................................................................................................................................387 Vpouštěcí v e n tily ........................................................................................................................387 Vakuové k o m o r y ........................................................................................................................388 Zásobníky čistých p l y n ů ............................................................................................................389 Sušicí e lem en ty ............................................................................................................................390 O k é n k a ................................................................................................................................... 391 Elektrické p rů c h o d k y ................................................................................................................393 Zařízeni pro přenos pohybu do vysokéhov a k u a ...................................................................... 393 Vakuová h y g ie n a ......................................................................................................................... 395
7.
VAKUOVÉ A P A R A T U R Y .................................................................................................... 396
7.0. 7.1. 7.2. 7.3. 7.4. 7.4.1. 7.4.2. 7.5. 7.5.1. 7.5.2. 7.6. 7.7.
Využití vysokého v a k u a ............................................................................................................ 396 Metalurgická vysokovakuová z a ř íz e n i.................................................................................... 396 Zařízení pro sváření elektronovým svazkem ............................................................................. 398 Zařízení pro měření množství a složeni plynů uvolňovaných při z a h ř á l i............................ 399 Vakuová pokovovací zařízení....................................................................................................400 Vakuové naparování....................................................................................................................401 Katodové naprašování................................................................................................................405 Použiti vysokého vakua v urychlovačích částic........................................................................407 Protonový sychrotoron „Nimrod“ ............................................................................................407 Lineárni urychlovač O r s a y ....................................................................................................... 409 Aparatury pro získávání a výzkump la z m a t u .........................................................................410 Aparatury pro napodobení kosmického prostoru....................................................................413
10
7.8. 7.9. 7.10. 7.11. 7.12.
Čerpáni odtavených p řís tro jů ............................................ Vysokovakuové plnicí aparatury........................................ Ultravakuové a p a r a tu r y .................................................... Aparatura pro cejchováni vakuometrů a kontrolu vývěv. Oddělováni vakuového systému od v ý v ě v y ....................
7.12.1. 7.12.2. 7.13. 7.14.
Odtavováni............................................................................ Stisk (a svaření).................................................................... Automatizace vakuových a p a ra tu r.................................... Bezpečnost práce a pracovní hygiena................................
416 419 421 423 423 423 424 424 426
L i t e r a t u r a ........................................................................
427
R e js třík ................................................................................
434
11
