Přednáší a cvičí : Josef Šandera, UMEL

Doporučená literatura Přednáší a cvičí : Josef Šandera, UMEL http://www.umel.feec.vutbr.cz/~sandera/ Doporučená literatura: Fikes L.: Fyzika nízkých tlaků, SNTL, Praha 1991, učebnice pro SPŠ elektrotechnické Pátý L.: Vakuová technika, skriptum ČVUT, Praha 1990 Grozskowski J.: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 Jaroslav Boušek, Josef Šandera: Elektrovakuové přístroje a technika nízkých teplot A.Roth: Vacuum Technology, 1990 Elsevier Science B.V. 1990, ISBN 0 444 880100 J. F. O‘Hanlon: A User‘s Guide to Vacuum Technology, John Wiley & Sons Inc., Hoboken, New Jersey V.Hulínský, K.Jurek: Zkoumání látek elektronovým paprskem, SNTL, Praha 1982 Vacuum Technology

J.Šandera, FEKT, UMEL, Brno

1

BEPT – elektrovakuové přístroje a technika nízkých tlaků přehled přednášených témat

1) Klasifikace vakua, plyn, pára, tlak a jednotky tlaku a přepočty., 2) Zákony ideálního plynu 3) Základy kinetické teorie plynů 4) Objemové a transportní jevy 5) Proudění plynu vakuovým potrubím 6) Povrchové procesy 7) Mezní tlaky a čerpací rychlosti vývěv 8) Teorie činnosti vývěv. 9) Měření vakua 10) Hledání netěsností 11) Konstrukce vakuových aparatur - materiály , provedení. 12) Technologické procesy ve vakuu, vakuové napařování. Vacuum Technology

J.Šandera, FEKT, UMEL, Brno

2

MVAF – vakuová technika přehled přednášených témat

1) Klasifikace vakua, plyn, pára, tlak a jednotky tlaku a přepočty., 2) Zákony ideálního plynu 3) Základy kinetické teorie plynů 4) Objemové a transportní jevy 5) Proudění plynu vakuovým potrubím 6) Povrchové procesy 7) Mezní tlaky a čerpací rychlosti vývěv 8) Teorie činnosti vývěv. 9) Měření vakua 10) Hledání netěsností 11) Konstrukce vakuových aparatur - materiály , provedení. 12) Technologické procesy ve vakuu, vakuové napařování. Vacuum Technology

J.Šandera, FEKT, UMEL, Brno

3

Vakuová technika - historie a) Počátek 17 století – Torricelli – pokusy měření atmosférického tlaku pomocí sloupce rtuti b) Otto von Gericke (rok 1657) , v Magdeburgu polokoule s vyčerpaným vzduchem c) Edison – pokusy s vakuem při konstrukci žárovky 1879

Vacuum Technology

J.Šandera, FEKT, UMEL, Brno

4

Vakuová technika Zabývá se tlaky nižšími, jako tlak je atmosférický V současné době se dá dosáhnout běžně tlaku 10-9Pa. Vakuum se používá: ƒ V průmyslu při manipulaci ƒ Metalurgie – výroba čistých kovů, zušlechtování povrchů, odlévání, svařování ƒ Odplyňování, sušení mrazem ƒ Optika – zrcadla, objektivy, bižuterie ƒ Chemie, farmacie, biologie potravinářství ƒ Elektronika - výroba elektronek, obrazovek ƒ Iontové a elektronové procesy Uvědomit si rozdíl konstrukce mezi průmyslem a laboraroří

Vacuum Technology

J.Šandera, FEKT, UMEL, Brno

5

Obory nízkých tlaků (vakua) Vakuum

Tlak /Pa/

Příklad použití

atmosféra

101 kPa

při povrchu země

technické

10 kPa

plynem plněné žárovky

primární vakuum

100 Pa 10 –1Pa 10 –2Pa

výbojky metalurgické pece Dewarovy nádoby

vysoké vakuum

10 –3Pa 10 –4Pa 10 –5Pa 10 –6Pa

vakuové napařování přijímací elektronky vysílací elektronky urychlovače částic

ultra vakuum

10 –7Pa 10 –8Pa 10 –10Pa

rentgenky výzkum povrchů speciální aparatury

extrémně vysoké vakuum

10 –11Pa 10 –12Pa 10 –13Pa

výzkum kosmický prostor

Vacuum Technology

J.Šandera, FEKT, UMEL, Brno

6

Nízké vakuum (1000 Pa až 1Pa) ƒ Manipulace s předměty v průmyslu ƒ Vakuové balení a tvarování, odlévání ƒ Filtrace ƒ Odplyňování, zahušťování agresivních kapalin, sušení, destilace ƒ Impregnace v elektrotechnice ƒ Odplynění povrchu při kování kovů

Vacuum Technology

J.Šandera, FEKT, UMEL, Brno

7

Střední vakuum (10 -1 až 10 -3 Pa) ƒ Metalurgie – odlévání, čistění, úprava povrchu kovů ƒ Pájení ƒ Tepelné izolace ƒ Vakuová destilace, vysoušení s vymrazováním (freezedrying) ƒ Farmacie ƒ Potravinářství – sušené mléko, instantní káva, uchování potravin bez chlazení

Vacuum Technology

J.Šandera, FEKT, UMEL, Brno

8

Vysoké vakuum (10 -4 až 10 -8 Pa) ƒ Kryogenní a elektrická izolace

ƒ Výroba elektronek, obrazovek, rentgenky ƒ Hmotové spektrometry, detektory netěsností ƒ Optická a elektrická úprava povrchů - úprava optických čoček - pokovení plastů - úprava povrchu kovů (tvrdokovy) - tenké vrstvy v mikroelektronice Vacuum Technology

J.Šandera, FEKT, UMEL, Brno

9

Je třeba se zabývat, ƒ Charakteristikou chování plynů, vzduchu ƒ Vlastnostmi a chováním fázového rozhraní plyn-pevná látka, plyn-kapalina, plyn-plyn ƒ Proudění plynu ƒ Chování plynu při čerpacím procesu ƒ Výrobou, distribucí a měřením vakua ƒ Návrhem vakuových systémů

Vacuum Technology

J.Šandera, FEKT, UMEL, Brno

10

Co je to plyn, pára ƒ Plyn – stav hmoty v plynném skupenství, skládá se z molekul ƒ Molekuly - jednoatomové (He, Ne, Ar …) - víceatomové N2, O2, CH4 - vzájemné působení malými přitažlivými silami ƒ Pára – hmota v plynném skupenství, vzniká odpařením kapaliny, je s kapalinou v rovnováze ƒ V praxi se většinou vyskytuje směs plynů a par ƒ Fyzikální stav plynu, nebo páry je možno popsat stavovýmí veličinami, Tlak (p), Vacuum Technology

objem (V)

teplota (T)

J.Šandera, FEKT, UMEL, Brno

11

Složení atmosférického vzduchu (Norton 1961) Vzduch je směs plynů a par

N2 ............................................... 75 % hmotnostní O2 ............................................... 23 % hmotnostní Ar ............................................ 1,25 % hmotnostní CO2 .......................................... 0,05 % hmotnostní H2 ................................... 0,000002 % hmotnostní O3 .....................................0,000002 % hmotnostní Do výšky 100 km – složení stejné Nad 100 km – N2 , O2 přechází na atomární formu N, O Nad 10 000 km převažuje H, He Vacuum Technology

J.Šandera, FEKT, UMEL, Brno

12

Molekuly a atomy - základní pojmy a konstanty ƒ Mol (kmol) – číselně se rovná molekulové hmotnosti stejnorodé látky vyjádřené v g (kg) ƒ Avogadrovo číslo NA – určuje počet molekul v jednom molu látky NA=6,023 .1023 molekul ƒ VM= molární objem – objem jednoho molu plynu, při tlaku 760 torr (cca 101) kP a teplotě 0 oC zaujímá mol plynu 22,415 l/mol ƒ Ro= universální plynová konstanta … pro jeden mol plynu má hodnotu

R0 = p.V

T

Vacuum Technology

= 760.22,415

273,16

= 62,364 Torr.lit / 0 K .mol

J.Šandera, FEKT, UMEL, Brno

13

Tlak plynu (p)

F p= S

dF dp = ds Platí

⎡N⎤ ⎢⎣ m 2 ⎥⎦

,nebo

ƒ Platí Pascalův zákon – Tlak v kapalinách a plynech se šíří všemi směry rovnoměrně - namalovat obrázek ƒ Jednotky tlaku 1 Pascal ……….. 1N/m2 1 Torr ( 1 Torr = 1 mmHg = 133,3 Pa ), číselně se rovná váze 760 mm Hg sloupce, jestě se často používá 1 at = kg/cm2 1 b (bar) = 1,05.105 Pa, 1mb ……… často se používá v Evropě lb/ft2 je přibližně 47,88 N/m2, lb/in2 je přibližně 6894,7 N/m2 Vacuum Technology

J.Šandera, FEKT, UMEL, Brno

14

Ideální a reálný plyn Ideální plyn (ideal, perfect gas): • molekuly mají kulový tvar • mají zanedbatelnou velikost ve srovnání v objemem, který plyn vyplňuje • mezi molekulami nepůsobí žádná síla • molekuly se pohybují po ideálně náhodných přímkových drahách • srážky mezi molekulami jsou dokonale elastické Reálné plyny mají mimo jiné interatomové síly, pokud tyto zesilují, vzniká nový stav, plyn zkapalňuje (liquefy) Vacuum Technology

J.Šandera, FEKT, UMEL, Brno

15

Vlastnosti plynů Zákon Boyle – Mariottův Platí:

p.V = p1.V1 = p2.V2 Platí při konstantní teplotě T = konst. , důsledkem je zvýšení tlaku při zmenšení objemu a snížení tlaku při zvětšení objemu Využití např. u mechanických vývěv, kompresorů Vacuum Technology

J.Šandera, FEKT, UMEL, Brno

16

Vlastnosti plynů Zákon Gay – Lussacův (Charlesův)….. Rok 1802 Platí:

V = V0 .(1 + α t .tc )

p = p0 .(1 + α t .tc )

V0 je objem při 0 oC

αt = 1/273,16 [oC-1]….. koeficient teplotní roztažnosti plynů a je pro všechny plyny stejný Zavádíme absolutní teplotu T [K]……..T=tc+273 Platí při konstantním tlaku p = konst., důsledkem je zvýšení objemu při zahřívání Využití např. u teploměrů Vacuum Technology

J.Šandera, FEKT, UMEL, Brno

17

Teplotní stupnice Celsiova stupnice 0oC …. bod tání vody, 100oC …. bod varu vody Kelvinova stupnice …. definuje absolutní teplotu

T = tc + 273,16

V = V0 .α T .T Vacuum Technology

J.Šandera, FEKT, UMEL, Brno

18

Vlastnosti plynů Daltonův zákon n

p = p1 + p2 + ............ pn = ∑ pi i =1

Platí pro směsi plynů, které spolu chemicky nereagují Každý plyn ve směsi přispívá k celkovému tlaku p svým částečným (parciálním) tlakem pi takovým, který by se v objemu vytvořil, kdyby jej daná složka směsi zaujímala sama při stejné teplotě Vacuum Technology

J.Šandera, FEKT, UMEL, Brno

19

Stavová rovnice plynů Charakterizuje chování ideálního plynu za stavových podmínek

p.V = p0.V0 V0 = VM .α T .T p.V = p0.VM .αT .T R0= universální plynová konstanta – platí pro jeden mol Vacuum Technology

J.Šandera, FEKT, UMEL, Brno

20

Stavová rovnice plynů – různá forma zápisu

p.V = p0.VM .αT .T = R0.T p.V = n.R0.T p.V = m.R.T p = ρ.R.T Vacuum Technology

…. tvar pro „n“ molů plynu

…. tvar pro „m“ kg. plynu

J.Šandera, FEKT, UMEL, Brno

R=

R0

M

ρ = mV 21

Stavová rovnice plynů – poloempirická Van der Waalsova Respektuje objem molekul a jejich přitažlivé síly

⎛ a ⎞ ⎜ p + 2 ⎟ . (Vm − b ) = R0 T ⎟ ⎜ V m ⎠ ⎝ Zohledňuje mezimolekulové síly

⎛ a ⎞ ⎜ p + 2 ⎟ . (Vm − b ) = nR0T ⎟ ⎜ V m ⎠ ⎝ Zohledňuje objem molekul

Odchylky od stavové rovnice je třeba brát v úvahu pouze při nízkých teplotách a vysokých tlacích Při běžných podmínkách vyhovuje klasická rovnice Kdy je třeba s touto rovnicí počítat ? Vacuum Technology

J.Šandera, FEKT, UMEL, Brno

22

Barometrická formule – závislost atmosférického tlaku na nadmořské výšce

⎛ µa g ⎞ ph = p0 exp⎜⎜ − .h ⎟⎟ ⎝ kT ⎠ Vztah neplatí přesně pro velké výšky Rozdíly jsou způsobeny - složením vzduchu - ionizací vzduchu - působením elektrického a magnetického pole Používá se pro - stanovení Boltzmanovy konstanty, ve fyzice Vacuum Technology

J.Šandera, FEEC, TU Brno

23