Cursus Vacuümtechniek

Cursus Vacuümtechniek Kenniscentrum Mechatronica Eindhoven

Cursus Hogere Vacuümtechniek

Week 2 - 1

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 2 - 2

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 2 - 3

Invloed van een wand

Vacuüm

Atmosfeer

Verdamping Desorptie Diffusie Adsorptie

Permeatie


Week 2 - 4

Lennard-Jones potentiaal

Q

Een gasdeeltje dat een vaste stof oppervlak nadert, komt onder invloed van de Lennard-Jones potentiaal van de oppervlakte-atomen en kan fysisch worden gebonden (geadsorbeerd) in het `Lennard-Jones potentiaalputje'. Cursus Hogere Vacuümtechniek

Week 2 - 5

Fysische adsorptie


Week 2 - 6

Thermische Adsorptie - Desorptie V(r)

Echem ads

Van der Waalskrachten met energie van ≅ 0,01 eV of polarisatiekrachten met energie van ≅ 0,01 eV

chemisorptie

r fysisorptie LET OP: 0,01 eV per molecuul = 1,6x10-21 J per molecuul = 6,0.1023x1,6.10-21 J.mol-1 ≅ 1 kJ.mol-1


Week 2 - 7

Adsorptiesnelheid Het aantal gas- of dampdeeltjes dat een oppervlak A per tijdseenheid treft, volgt uit de uitdrukking voor de invalsdichtheid (1.48): Het aantal deeltjes dat aan het oppervlak wordt geadsorbeerd:

of:

!

Controleer dit Cursus Hogere Vacuümtechniek

Week 2 - 8

Thermische Adsorptie - Desorptie (vervolg) verblijftijd τ wordt gegeven door: met:

τ = τ 0 e Q / RT

τ 0 ≈ 10 −13 s; R = 8,31 J .mol −1.K −1

Q τ bij T = 293 K τ bij T = 393 K [kJ.mol-1] [s] [s] ---------------------------------------------------------------------------60 5x10-3 1x10-5 80 20 4x10-3 100 7x104 (100 uur) 2 200 3x108 (10 jaar) 3,5x106 (900 uur)


Week 2 - 9

Thermische Adsorptie - Desorptie (vervolg) Gas Oppervlak Q [kJ/mol] soort -----------------------------------------------------------------------N2 roestvast staal 13 fysisorptie N2 ijzer 166 chemisorptie O2 ijzer 570 chemisorptie Ar wolfraam 8 fysisorptie H2 koolstof (schoon) 8 fysisorptie


Week 2 - 10

Verblijftijden


Week 2 - 11

Thermische Adsorptie - Desorptie (vervolg) Aantal deeltjes dat per tijdseenheid botst met oppervlak A: A

dN b N cA 1 = = n c .A dt 4V 4 Aantal deeltjes dat blijft kleven wordt door de kleefkans s bepaald (sticking probability): probability

dN a dN b = s dt dt

Gecombineerd met:

8kT c= πm p N =n= V kT

dN a 24 p . A . s = 2 ,63 . 10 dt M .T g Cursus Hogere Vacuümtechniek

Week 2 - 12

Thermische Adsorptie - Desorptie (vervolg) p dNA/dt (Pa) (moleculen/m2.s) -----------------------------------------10-2 2,7x1020 10-3 2,7x1019 10-5 2,7x1017 10-7 2,7x1015

dV = 109,17 [ m 3 .s −1.m −2 ] = 10,9 [dm 3 .s −1.cm −2 ] = Smax dt

Vuistregel: elke cm2 oppervlak heeft een maximale pompsnelheid van 10 liter/s t Cursus Hogere Vacuümtechniek

Week 2 - 13

Adsorptie-desorptie evenwicht Q

De netto verandering per tijdseenheid van het aantal op een oppervlak geadsorbeerde deeltjes (dNs/dt) is steeds gelijk aan het aantal dat per tijdseenheid adsorbeert (dNa/dt), verminderd met het aantal deeltjes dat in diezelfde tijdseenheid desorbeert (dNd/dt):

Evenwicht:


Week 2 - 14

Adsorptie-desorptie evenwicht Q

Q

We concluderen dat voor een bepaalde gas-vaste stof combinatie het aantal aan een oppervlak A geadsorbeerde deeltjes Ns in evenwichtstoestand een functie is van: X de heersende druk p X en van de temperaturen ) Ts van het oppervlak ) en Tg van het gas. Bij verandering van Ts en/of Tg stelt zich dus een nieuw evenwicht in, waarbij: X De adsorptiekans sa zal veranderen X en eventueel ook de adsorptie-energie Ea


Week 2 - 15

Adsorptie-isothermen

met Cursus Hogere Vacuümtechniek

Week 2 - 16

Adsorptie-isothermen (vervolg) qad [Pa.m3.kg-1] 106 105 104 stikstof - 195 oC 103 102 101 100 10-1 10-2 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 101

stikstof 20 oC 102

103 104 105 p (Pa)


Week 2 - 17

Adsorptie-isothermen (slot) qad [Pa.m3.kg-1] 106 105 104

stikstof - 195 oC 103

neon - 195 oC

102 101

helium - 195 oC

100 10-1

stikstof 20 oC 10-2 10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

103

104

105

p (Pa)


Week 2 - 18

Rekenvoorbeeld: Oefening 2.3


Week 2 - 19

Desorptiesnelheid Q

Beschouw een verzameling van n0 geadsorbeerde deeltjes op het tijdstip t=0 en noem het aantal deeltjes dat daarvan op het tijdstip t nog niet is gedesorbeerd Ns. Voor het aantal moleculen dat vervolgens tussen t en t + dt desorbeert, kunnen we dan schrijven:

Integreren levert op: Na enig rekenwerk:


Week 2 - 20

Desorptiesnelheid


Week 2 - 21

Pompsnelheid in relatie tot ontgassing Pompsnelheid: S = pV = NkT ⇒ N = dN p dV ⇒ = dt kT dt

dV dt

pV kT

maat voor hoeveelheid gas per tijdseenheid, uitgedrukt in Pa.m3.s-1 dN p × S = Q = kT dt

Ontgassing bekend

pompsnelheid

Pompsnelheid beperkt door geleidingsvermogen ontgassing reduceren

N s − Q / RT dN s 24 p . A . s = 2 ,63 . 10 − e dt M .T g τ0

S

Oplossing: verontreiniging verwijderen en uitstoken Cursus Hogere Vacuümtechniek

Week 2 - 22

Voorbeeld ontgassing Systeem met binnenoppervlak 1 m2 ontgassing 10-6 Pa.m3.s-1 Om een einddruk van 10-8 Pa te behalen is een pompsnelheid nodig van: 100 m3.s-1 Het gat waar door moet worden gepompt moet dan al op 1 m2 zijn minst een oppervlak hebben van: Ontgassing vuil systeem: 10-2 Pa.m3.s-1.m-2 Ontgassing na ontvetten: 10-4 Pa.m3.s-1.m-2 Ontgassing na uitstoken: < 10-8 Pa.m3.s-1.m-2 Cursus Hogere Vacuümtechniek

Week 2 - 23

Niet-uitgestookt vacuümsysteem


Week 2 - 24

Cursus Vacuümtechniek

Recommend Documents