Cursus Vacuümtechniek. Kenniscentrum Mechatronica Eindhoven

Cursus Vacuümtechniek Kenniscentrum Mechatronica Eindhoven

Cursus Hogere Vacuümtechniek

Week 1/

1

Naslagwerken Vacuümtechniek •

•

• •

•

L.Wolterbeek Muller: Vacuümtechniek, beginselen en toepassingen, ISBN 90-2012203-7, Uitg.: Kluwer Technische Boeken b.v., Deventer; E.P.Th.Suurmeyer en J.Verhoeven: Vacuümtechniek, ISBN 90-9002806-4, Uitg.: Nederlandse Vacuüm Vereniging (NEVAC); J.Visser, serie artikelen in De Constructeur (oktober 1988 t/m januari 1991) M.Wutz, H.Adam, W.Walcher: Theorie und Praxis der Vakuumtechniek, ISBN 3-528-14884-5; uitg.: Verlag Fried. Vieweg & Sohn, Braunschweig/ Wiesbaden; Nigel Harris: Modern Vacuum Practice, ISBN 0-07-707099-2; Uitg.: McGraw-Hill Book Company.


Week 1/

2

Naslagwerken Vacuümtechniek •

•

•

John F. O'Hanlon: A User's Guide to Vacuum Technology; ISBN 0-471-81242-0; Uitg.John Wiley & Sons, New York. D.H.Holkeboer, D.W.Jones, F.Pagano, D.J.Santeler.: Vacuum Technology and Space Simulation, ISBN 1-56396-123-7; Uitg. American Institute of Physics, New York. A.Chambers, R.K.Fitch, B.S.Halliday: Basic Vacuum Technology, ISBN 0-85274-128-6; Uitg. Adam Hilger, Bristal en New York.


Week 1/

3

Waarom vacuum ? Q

Q

Q

Q Q Q

Sommige processen verdragen geen zuurstof of andere gassen Sommige oppervlakteprocessen moeten plaatsvinden op schone oppervlakken Bij sommige processen is er een zekere afstand tussen bron en substraat: daar tussenin mogen gassen geen rol spelen (hinderen) Een drukverschil veroorzaakt een kracht Vacuum is een goede warmte-isolator Om opgelost gas te verwijderen is een lagere dichtheid nodig, soms ontstaat ook een temperatuurdaling (vriesdrogen)


Week 1/

4

Basisbegrippen


Week 1/

5

Basisbegrippen


Week 1/

6

Verdampingssnelheid

!

Bereken hoe lang het duurt voor een schoteltje water geheel verdampt is, en vergelijk dat metde werkelijke situatie Cursus Hogere Vacuümtechniek

Week 1/

7

Verdampingssnelheid (vervolg)


Week 1/

8

Overzicht Vacuümgebied tijd voor een monolaag (s) 108

106

104

102

100

10-2

10-4

10-6

10-8

106 atmosferische druk druk (Pa)

10

4

10-6

gemiddelde vrije -4 10 weglengte (m) 10-2

102 voorvacuum

100 10-2

100

hoog vacuum 10-4

102

10-6

104

ultra-hoog vacuum

10-8

106

10-10

108

10-12

1010

107

109

1011

1013

1015 1017 1019 gasdichtheid (per m3)

1021

1023


1025

Week 1/

9

Vacuümsysteem (algemeen) reactie met wand virtueel lek proces gas

bulk desorptie oppervlakte desorptie

reëel lek

vloeistofkruip

permeatie terugstroming van pompvloeistof terug-diffusie

re-emissie van eerder verpompte gassen


Week 1/

10

XL40 TMP vacuum configuration

Vacuümsysteem Elektronenmicroscoop


Week 1/

11

Invloed van een wand

Vacuüm

Atmosfeer

Verdamping Desorptie Diffusie Adsorptie

Permeatie


Week 1/

12

Gaswetten Wet van Boyle: Boyle voor een afgesloten hoeveelheid gas is bij constante temperatuur het produkt van druk en volume constant: constant p ⋅ V = constant

Wetten van Gay Lussac: Lussac voor een afgesloten hoeveelheid gas geldt voor een V volumeverandering bij constante druk: druk = constant T en voor een drukverandering bij constant volume: volume p = constant T Gecombineerd levert dit de z.g wet van Boyle - Gay Lussac op: Voor een afgesloten hoeveelheid gas geldt: pV = constant T Cursus Hogere Vacuümtechniek

Week 1/

13

Deeltjesdichtheid druk (mbar)

800 hoogte 640 (km)

10-10 10-9

480

10-8 10-7

320

10-6

160

10-3

80 0

1013


Week 1/

14

Getal van Avogadro Voor ieder gas met dezelfde temperatuur en druk is het aantal moleculen per volume-eenheid gelijk Massa van molecuul wordt uitgedrukt in atomaire massaeenheden: massaeenheden 1 a.m.e. ÷ 1,66.10-27 kg De massa M van een stikstofmolecuul is 28 a.m.e. = 28x1,66.10-27 kg = 4,5.10-26 kg In 1 mol gas zitten NA = 6,0.1023 moleculen. Voor stikstof is 1 mol gelijk aan 28 gram en bij 1 atmosfeer en 20 0C is dat een volume van 24 dm3. Algemene gaswet: pV = nm RT Met nm = N/NA en R is de algemene gasconstante: R = 8,3 J.K-1 Cursus Hogere Vacuümtechniek

Week 1/

15

Belangrijke relaties


Week 1/

16

Gassnelheid van gasdeeltjes Q

Q

Q

Gasmoleculen hebben voor dagelijkse begrippen grote snelheden De molecuulsnelheid is niet voor elk molecuul gelijk: de snelheid hangt af van het soort molecuul: X lichte moleculen gaan sneller dan zware X de snelheid hangt van de temperatuur X bij hogere temperatuur hogere snelheid


Week 1/

17

Gassnelheid van gasdeeltjes Q

Q

Q

Q

Gasmoleculen hebben voor dagelijkse begrippen grote snelheden De molecuulsnelheid is niet voor elk molecuul gelijk: de snelheid hangt af van het soort molecuul: X lichte moleculen gaan sneller dan zware X de snelheid hangt van de temperatuur X bij hogere temperatuur hogere snelheid er is een snelheidsverdeling van een gas: de z.g. 8kT Maxwell-Boltzmannverdeling c= πm X je kunt dan spreken over: 2kT = c maximum X de gemiddelde snelheid m X de meest voorkomende snelheid 3kT 3kT 2 c = ⇒ cmiddelbaar = X de middelbare snelheid m m Cursus Hogere Vacuümtechniek

Week 1/

18

Snelheidsverdeling van Maxwell-Boltzmann Aantal moleculen met snelheid tussen c en c + ∆c

T = 300 K

cmaximum =

2kT m T = 1000 K

8kT c= πm cmiddelbaar 0

500

1000

3 kT = m

1500

2000

2500

Snelheid c [m.s-1] Cursus Hogere Vacuümtechniek

Week 1/

19

Snelheidsverdelingsfunctie van Maxwell voor H2 en N2 bij twee verschillende temperaturen


Week 1/

20

Rekenvoorbeeld gassnelheid Bij kamertemperatuur (20 0C = 293 K) voor stikstof (N2):

cN

2

8kT 8 ∗ 1,38 ⋅ 10 −23 ⋅ 293 −1 = = = 480 m ⋅ s πm π ⋅ 28 ⋅ 1,66 ⋅ 10 −27

En voor waterstof (H2):

cH

2

8kT 8 ∗ 1,38 ⋅ 10 −23 ⋅ 293 −1 = = = 1800 m ⋅ s πm π ⋅ 2 ⋅ 1,66 ⋅ 10 −27


Week 1/

21

Begrip gemiddelde vrije weglengte λ D

2D

1

Omvatte botsingsvolume per seconde is:

πD 2v

Er bevinden zich hierin: nπD 2v deeltjes Dus: nπD 2v botsingen per seconde λ=(afgelegde weg per seconde)/(aantal botsingen per seconde)

v 1 λ= = 2 nπD v nπD 2

−3 kT 6 , 7 10 ⋅ λ= pπD 2 λlucht = p[Pa ] [ m ]


Week 1/

22

Vrije weglengte Voor de vrije weglengte (afstand waarover molecuul gemiddeld beweegt voordat het botst) in lucht bij kamertemperatuur geldt:

λlucht

6,7 ⋅ 10 −3 = [ m ] waarbij p in Pa is uitgedrukt p

Gassoort λ in cm bij p = 1 Torr λ in m bij p = 1 Pa -----------------------------------------------------------------------------------9,0 x 10-3 1,2 x 10-2 H2 (waterstof) He (helium) 14 x 10-3 1,8 x 10-2 Ar (argon) 4,8 x 10-3 6,4 x 10-3 H2O (waterdamp) 3,0 x 10-3 4,0 x 10-3 N2 (stikstof) 4,6 x 10-3 6,1 x 10-3 O2 (zuurstof) 4,9 x 10-3 6,5 x 10-3 CO2 (kooldioxyde) 3,0 x 10-3 4,0 x 10-3 Hg (kwik) 2,3 x 10-3 3,1 x 10-3 lucht 5,0 x 10-3 6,7 x 10-3 Cursus Hogere Vacuümtechniek

Week 1/

23

Pompsnelheid Een (ideale) pomp sluit per tijdseenheid t een bepaald volume V van het te evacueren systeem af en verwijdert de daarin toevallig aanwezige deeltjes: Pompsnelheid = S Let op: dit zegt niets over de hoeveelheid verpompt gas !!

dV S= dt Uitgedrukt in

⎡m3 ⎤ 3 −1 [ ] = ⋅ m s ⎢ s ⎥ ⎦ ⎣

Hoeveelheid verpompt gas Q wordt gegeven door:

Q = p ⋅S

⎡ Pa ⋅ m 3 ⎤ 3 −1 [ ] Pa m s = ⋅ ⋅ Uitgedrukt in: ⎢ ⎥ ⎣ s ⎦ Cursus Hogere Vacuümtechniek

Week 1/

24

Pompsnelheid S

dN 1 = n c .A dt 4 dV 1 dN 1 = . = c .A ≡ S dt n dt 4 Verband gasstroom Q en pompsnelheid S:

Q = p ∗S Cursus Hogere Vacuümtechniek

Week 1/

25

Transportverschijnselen Q

Q

Q

Q

Goed begrip van de kinetische gastheorie is essentiëel voor het verkrijgen van inzicht in de vacuümfysica en -techniek. Belangrijk zijn de eigenschappen van een gas onder niet-evenwichtsomstandigheden, evenwichtsomstandigheden te weten X het transport van impuls (viscositeit), viscositeit X energie (warmtegeleiding) warmtegeleiding X Massa (diffusie). usie Het blijkt dat de geldende wetten voor het transport van deze drie grootheden veel gelijkenis met elkaar vertonen. Transport van een fysische eigenschap, eigenschap die de gasdeeltjes met zich meedragen, kan slechts plaatsvinden dankzij hun thermisch beweging. beweging Cursus Hogere Vacuümtechniek

Week 1/

26

Transportverschijnselen Q

Q

Q

Q

Het transportgedrag van een gas blijkt afhankelijk van de grootte van de gemiddelde vrije weglengte λ in verhouding tot de karakteristieke afmeting d van het systeemonderdeel waarin of waardoor het transport plaatsvindt Deze verhouding staat bekend onder de naam kengetal van Knudsen: Knudsen

Kn << 1 ) we spreken van `hoge' druk; het gas wordt `dicht' genoemd en gedraagt zich als een continu medium; medium gasstroming onder deze omstandigheden heet `viskeus'. viskeus' Kn >> 1 ) we spreken van `lage' druk; het gas wordt `verdund' genoemd en gedraagt zich als een systeem van losse moleculen zonder interactie; interactie gasstroming bij lage druk noemen we `(vrij) vrij moleculair' Cursus Hogere Vacuümtechniek

Week 1/

27

Transportverschijnselen bij hoge druk

∂ ∂ ∂ + + met: ∇ = ∂x ∂y ∂z

G is een fysische grootheid (energie, impuls, massa) het bijbehorende transport van G noemen we ΓG Cursus Hogere Vacuümtechniek

Week 1/

28

Transportverschijnselen: Viscositeit Q

Hoge druk (Kn << 1)

η = viscositeitscoëfficiënt

F = schuifkracht per eenheid van oppervlak evenwijdig aan de stromingsrichting

du/dz = ter plaatse heersende snelheidsgradiënt

z = coördinaat loodrecht op stromingsrichting

Nauwkeuriger: Cursus Hogere Vacuümtechniek

Week 1/

29

Viscositeit Q

Lage druk (Kn >> 1)

moleculaire viscositeitscoëfficiënt:


Week 1/

30

Thermomoleculaire gasverplaatsing λ << d: drukken aan weerszijden opening gelijk:

λ >> d: deeltjesstroom naar links en rechts door opening gelijk:


Week 1/

31

Warmtegeleiding bij hoge druk Q

Hoge druk (Kn << 1)

Afwijkingen t.g.v. correlatie en transportsnelheid !! Cursus Hogere Vacuümtechniek

Week 1/

32

Warmtegeleiding bij hoge druk


Week 1/

33

Warmtegeleiding bij lage druk Q

!

Kn >> 1

Ga na dat bij constante κ geldt, dat Λm redelijk goed evenredig is met m-½ Cursus Hogere Vacuümtechniek

Week 1/

34

Accommodatiecoëfficiënten


Week 1/

35

Diffusievergelijkingen van Fick Q

1e diffusievergelijking van Fick:

Q

2e diffusievergelijking van Fick: Met hulp van continuïteitsvergelijking: Waarbij:


Week 1/

36

Zelfdiffusie

!

Q

Ga na, D bij constante temperatuur evenredig is met X p-1 X m-½ Cursus Hogere Vacuümtechniek

Week 1/

37

Wederzijdse diffusie


Week 1/

38

Wederzijdse diffusie


Week 1/

39

Cursus Vacuümtechniek. Kenniscentrum Mechatronica Eindhoven

Recommend Documents