Fyzikální základy moderních technologií

Transkript

1 Fyzikální základy moderních technologií Obsah přednášky : I. Vakuová technika II. Plazma a aplikace plazmových technologií III. Moderní lasery a jejich aplikace IV. Piezoelektrické jevy a jejich aplikace

2 Úvod do vakuové techniky Jednotky tlaku Základní jednotkou tlaku je Pascal [Pa]. Jeden Pascal je tlak, který vyvolá síla 1 newtonu rovnoměrně rozložená na rovinné ploše s obsahem jednoho čtverečního metru, kolmé ke směru síly. Další jednotky tlaku: Torr ( 1 Torr = 1 mmhg ) - jedna z nejstarších jednotek pro vyjádření tlaku, stále se však používá v USA a v Japonsku. Od ní je odvozená jednotka 1 micron Hg = 1 millitorr. 1 Torr = Pa, 1 Pa =7.5x10-3 torr mbar jednotka odvozená od jednotky bar se ještě často používá v Evropě, především v německy mluvících zemích. 1 millibar = 100 Pa = 0.75 Torr atm atmosféra, starší jednotka (1 atm = 760 Torr), ve vakuové technice se nepoužívá. Standardní atmosféra byla nahrazena novou jednotkou Pascal v roce 1971: 1 atm = 105 Pa [N/m2]: 1atm = bar = x105 Pa = 760 torr PSI- pound per square inch (libra na čtvereční palec) se používá v anglosasských zemích pro vyjádření tlaku, ne však často ve vakuové technice.

3 Úvod do vakuové techniky Oblasti tlaku ve vakuové technice Hrubé vakuum ( Pa /1Torr 10-3 Torr): Mechanické manipulátory, vakuové balení a formování, manipulace s plyny a jejich filtrace, odplyňování olejů, zahušťování/kondenzace vodných roztoků, sušení, destilace, impregnace v elektrotechnice, odplyňování v metalurgii. Střední vakuum ( Pa / Torr): Metalurgické procesy, (tavení, slévání, sintrování), tepelné procesy, žíhání, vakuová destilace, sušení v farmakologii a potravinářství. (Sušení se používá především pro mléko a kávu, v suchem stavu však může být uchovávána bez chlazení většina potravin.)

4 Úvod do vakuové techniky Vysoké vakuum ( Pa / Torr): Kryogenní zařízení, elektrická izolace, výroba elektronek a obrazovek, hmotnostní spektrometry, tenké vrstvy a povlaky ve strojírenství, chemii, elektronice a architektuře. Poznámka: Tloušťka vrstev deponovaných pomocí vakuových technologií je v rozmezí několika nanometrů až několika mikrometrů. Jedná se například o antireflexní vrstvy v optice, na čočkách, dekorativní vrstvy na plastických hmotách, otěru vzdorné vrstvy na nástrojích a na třecích plochách v různých strojích, a v neposlední řadě tenké vrstvy pro mikroelektroniku na polovodičích a keramice. Ultravakuum (pod 10-6 Pa / 10-8 Torr): Elektronové mikroskopy, analytické hmotnostní spektrometry, urychlovače částic, simulátory kosmického prostoru, zařízení pro studium čistých povrchů

5 Úvod do vakuové techniky - nejnižší tlak dosažený v laboratoři Pa - tlak v mezihvězdném prostoru Pa - tlak na Měsíci 10-9 Pa (sluneční vítr), což je řádově 10 5 částic v 1 cm 3 - atmosférický tlak (10 5 Pa) molekul v 1 cm 3 - hrubé vakuum až molekul v 1 cm 3 - jemné vakuum až molekul v 1 cm 3 - vysoké vakuum 10 9 až molekul v 1 cm 3 - ultravysoké vakuum 10 4 až 10 9 molekul v 1 cm 3

6 Aplikace vakuové techniky

7 Aplikace vakuové techniky

8 Aplikace vakuové techniky

9 Vakuová technika Teoretické základy vakuové techniky tlak plynu tepelný pohyb molekul střední volná dráha molekul proudění plynu vakuová vodivost čerpání plynů ze systémů

10 Teoretické základy vakuové techniky S klesajícím tlakem se chování plynů stále více blíží chování ideálního plynu. Platí tedy stavová rovnice, ze které po úpravě získáme často používaný vzorec pro tlak p p n kt V n V... prostorová hustota molekul k... Boltzmannova konstanta T... termodynamická teplota

11 Teoretické základy vakuové techniky Je-li plyn tvořen směsí plynů, je celkový tlak (totální tlak p tot ) dán součtem parciálních tlaků p p jednotlivých složek p p p tot p

12 Teoretické základy vakuové techniky Nejčastěji je čerpán vzduch. Parciální tlaky hlavních složek při atmosférickém tlaku p a = 10 5 Pa: dusík... 77,2 kpa kyslík... 21,0 kpa vodní pára... 1,2 kpa argon... 0,9 kpa CO ,03 kpa neon... 0,002 kpa

13 Teoretické základy vakuové techniky Rychlost tepelného pohybu molekul I v ustáleném stavu se rychlosti jednotlivých molekul liší Maxwellovo rozdělení sřední aritmetická rychlost v a molekul je dána vztahem: v a kde m je hmotnost molekuly. 1 n 8kT vi n i m Závislost na teplotě není příliš silná jde o odmocninu termodynamické teploty

14 Teoretické základy vakuové techniky Rozdělení rychlostí atomů helia, argonu a neonu při teplotě 300 K

15 Teoretické základy vakuové techniky Rozdělení rychlostí molekul O 2 v závislosti na teplotě

16 Teoretické základy vakuové techniky Rozdílná hmotnost molekul chování těchto plynů ve vakuových soustavách. (např. čerpací rychlost různých druhů vývěv se liší podle druhu plynu). Obecně: s klesajícím tlakem se liší poměrné složení zbytkové atmosféry ve vakuové soustavě od složení vzduchu při atmosférickém tlaku. Největší obtíže většinou vykazuje čerpání vodních par, případně olejových par, které se do soustavy dostávají zpětným tokem z vývěvy. Složení zbytkové atmosféry lze ovlivnit konstrukcí vývěvy a výběrem materiálů pro stavbu vakuové soustavy.

17 Teoretické základy vakuové techniky Chování plynů za nízkých tlaků významně ovlivňuje střední volná dráha molekul mezi dvěmi po sobě následujícími srážkami l kt d 2 m kde d m je charakteristický rozměr ( průměr ) molekuly l

18 Teoretické základy vakuové techniky Pro praxi vystačíme s přibližným vztahem pro střední volnou dráhu ve vzduchu l m ppa

19 Teoretické základy vakuové techniky při tlaku 1Pa je střední volná dráha přibližně 7 mm. Poměr mezi vnitřními rozměry soustavy a střední volnou dráhou významně ovlivňuje proudění plynů ve vakuových soustavách

20 Teoretické základy vakuové techniky Zavádí se podobnostní Knudsenovo číslo Kn l d d charakteristický rozměr soustavy, kterou plyn proudí (průměr trubky, průměr komory apod.) Jestliže při vyšších tlacích převažuje vzájemná interakce molekul mezi sebou, při nižších tlacích významně ovlivňuje proudění interakce molekul se stěnami.

21 Teoretické základy vakuové techniky Kn 0,1 0,1 Kn Kn 0,5. kontinuální (viskózní) proudění 0,5 přechodové (Knudsenovo) proudění. molekulární proudění

22 Teoretické základy vakuové techniky Pro kvantitativní popis proudění plynu použijeme objemový proud plynu q V q V pv t W, kde V je objem plynu prošlý zvoleným průřezem potrubí při tlaku p za čas t. Tato veličina také udává výkon přenášený vedením.

23 Teoretické základy vakuové techniky Schopnost proudění plynu částmi vakuových systémů (otvory, spojovací potrubí, ventily) charakterizuje veličina vakuová vodivost G. Je-li na vstupu vakuového systému tlak p 1 a na výstupu tlak p 2 <p 1, je objemový proud plynu q V tekoucí tímto systémem určen vztahem q G p p V 1 2 Hlavní zásadou při konstrukci vakuových systémů je dosažení maximální vakuové vodivosti.

24 Teoretické základy vakuové techniky Celkovou vakuovou vodivost G soustavy složené z jednotlivých částí o vodivostech G i (potrubí, ventily, kolena apod.) počítáme podobně jako vodivost elektrických obvodů. Nejčastějším případem je sériové zapojení (např. od vývěvy vede potrubí přes ventily a kolena k pracovní komoře). Pak pro celkovou vodivost platí 1 n 1 G i 1 G i kde G i jsou vakuové vodivosti jednotlivých částí soustavy

25 Teoretické základy vakuové techniky Důležité : Při poklesu tlaku a přechodu od viskózního proudění k molekulárnímu vakuová vodivost téže součásti řádově klesá. Příklad : vakuová vodivost válcové trubky o průměru d a délce l : viskózní proudění G konst.. l 2 4 d p1 p2 molekulární proudění G const. d l 3

26 Teoretické základy vakuové techniky Pro vysvětlení průběhu čerpání vakuových systémů vývěvami je třeba zavést ještě vztah, jehož pomocí lze určit počet μ molekul plynu, které dopadají při tlaku p a teplotě T za jednu sekundu na plochu 1 m 2 : 1 va vanv 4 4kT p v a.. střední aritmetická rychlost molekul n V... prostorová hustota molekul

27 Teoretické základy vakuové techniky Charakteristika čerpacího procesu Použijeme zjednodušený model vývěvy: nádoba o objemu V obsahuje plyn o tlaku p a hustotě molekul n V, vně nádoby ve velmi velkém prostoru je tentýž plyn o tlaku p m <p. V čase t= 0, kdy je v nádobě tlak p 0, je odstraněna část boční stěny o ploše A. Úkol : Stanovte časový průběh tlaku p(t) v nádobě Na každý m 2 plochy A dopadá ze vnitřku nádoby μ molekul a zevně μ m molekul. Za čas dt poklesne počet molekul v nádobě o Av dn Vdn A dt n n 4 a V m V Vm

28 Teoretické základy vakuové techniky Rovnici vynásobíme součinitelem kt a s použitím vztahu dostáváme rovnici pro p(t): Jejím řešením je funkce p nkt V dp dt Av 4V a p p m Ava t 4V pt pe 0 p m Tlak v nádobě klesá exponenciálně v čase k hodnotě p m, která se nazývá mezní tlak

29 Teoretické základy vakuové techniky Konstanta S Ava A 8kT 4 4 m se nazývá čerpací rychlost vývěvy Čerpací rychlost závisí na konstrukci vývěvy (plocha A), na teplotě T a na druhu plynu (hmotnost molekuly m). Časový průběh tlaku v tomto ideálním případě určuje funkce S t V p t p0e p m Tlak v soustavě klesá v čase exponenciálně k hodnotě mezního tlaku p m!

30 Teoretické základy vakuové techniky Procesy při čerpání soustavy Předpoklad: vývěvou čerpáme vakuovou soustavu od počátečního atmosférického tlaku až do vysokého vakua. Nejprve: objemový proces, čerpané plyny vykazují viskózní chování. Dosáhne-li tlak hodnoty, při níž Kn > 0,1, začnou se uplatňovat procesy na stěnách aparatury. Pro Kn > 0,5 zcela převládnou. Proudění molekulární charakter a výrazně se uplatňuje skutečnost, že čerpáme oddělené molekuly, které se navzájem neovlivňují.

31 Teoretické základy vakuové techniky Při nízkých a velmi nízkých tlacích se výrazněji uplatňuje skutečnost, že nečerpáme jen původní plynovou náplň aparatury, ale i další složky: - plyny tvořené zpětným proudem vývěvy - plyny vnikající do soustavy netěsnostmi - plyny uvolňované desorpcí ze stěn - páry pevných materiálů uvolňované sublimací - páry olejů a maziv proudící z vývěvy a z mazaných průchodů - plyny a páry uvolňované při technologických procesech. Všechny tyto složky ovlivňují (zvyšují) mezní tlak vakuové soustavy a složení zbytkové atmosféry.

32 Teoretické základy vakuové techniky Povrchové procesy vliv doby vzájemné interakce molekul na probíhající děje netřeba, protože trvání dotyku molekul je řádově s, zatímco střední doba letu mezi srážkami je podstatně delší, např. při tlaku 1 Pa to je řádově 10-4 s. V případě interakce molekul s pevnou látkou (stěnou aparatury) se situace kvalitativně liší. Případy, kdy se molekuly od stěny pružně odrážejí, jsou spíše výjimečné - např.ideální stav: interakce atomů netečných plynů (He, Ar,..) s přechodovými kovy (W, Mo, Au apod.). V takovém případě je doba setrvání molekuly na stěně dosud neuvažován S 0.

33 Teoretické základy vakuové techniky Na molekulu, která dopadla na povrch pevné látky, působí přitažlivé síly, které ji na určitou dobu vážou, doba setrvání S 0. kinetickou energii molekula ztrácí, předává ji pevné látce ve formě tepla pokud by molekula nezískala dostatečnou energii, zůstala by vázána na povrchu. Částice pevné látky ale kmitají s energií odpovídající teplotě látky a molekuly na ně vázané tuto energii akumulují a to jim umožňuje uvolnit se po určité době z vazby a vrátit se do prostoru. O době setrvání molekul na povrchu tedy rozhoduje intenzita vazby a teplota pevné látky.

34 Teoretické základy vakuové techniky Rozlišujeme dva základní typy vazeb : Fyzikální adsorpce má charakter kondenzace a vazby jsou čistě fyzikální, např. Van der Waalsova vazba. Zachovávají se individuální vlastnosti adsorbované molekuly i částic povrchu. Molární kondenzační teplo Q A této vazby dosahuje maximálně 33 kj/mol. Chemisorpce má charakter chemické vazby, adsorbovaná molekula získává nebo odevzdává elektron, disociuje apod. Vazby jsou mnohem silnější, molární kondenzační teplo Q A obvykle přesahuje hodnotu 40 kj/mol.

35 Teoretické základy vakuové techniky Doba setrvání molekul na stěně je určena vztahem S Q A e RT, 0 kde R je univerzální plynová konstanta a T je teplota stěny s Veličina je perioda kmitů krystalové mříže materiálu stěny, charakterizuje proces předávání energie kmitů částic pevné látky adsorbované molekule exponenciální závislost doby setrvání na adsorbčním teple i malý nárůst Q A může mít za následek řádové prodloužení doby setrvání molekul na stěně. Zvýšení termodynamické teploty stěny naopak dobu setrvání zkracuje.

36 Teoretické základy vakuové techniky Molekulární adsorpční teplo O 2, N 2, CO 2 na běžných kovech je v rozmezí kj/mol a doby pobytu molekul na stěně je řádově s. Molekulární adsorpční teplo velkých molekul (oleje, tuky apod.) je v rozmezí kj/mol a tomu odpovídá doba pobytu řádově 10-6 až 10-2 s. Existují i extrémní případy např. adsorpční teplo kyslíku na wolframu je 880 kj/mol a doba pobytu kyslíkové molekuly na stěně je z hlediska trvání technologických procesů prakticky nekonečná. I když je doba pobytu molekul na stěnách v běžných případech zdánlivě krátká, počet desorbovaných molekul závisí na hustotě pokrytí povrchu n S a může být velmi vysoký.

37 Teoretické základy vakuové techniky Uvažujme krystal s mřížkovou konstantou 0,5 nm. Hustota atomů na jeho povrchu je m -2. Kdyby byl krystal pokryt monomolekulární vrstvou molekul adsorbovaných vždy jedna molekula na jednom atomu, byla by hodnota n S stejná, tj. n S = m -2. Pro počet molekul S uvolňovaných desorpcí z jednotky plochy povrchu platí: n n e dynamický proces, část desorbovaných molekul dopadá zpět na povrch a podléhá adsorpci. Kvantitativní vyhodnocení je proto komplikované. Q A S S RT S 0.

38 Teoretické základy vakuové techniky Desorpce plynů a par ze stěn - zvyšuje mezní tlak v soustavě - zpomaluje proces čerpání, protože snižuje efektivní čerpací rychlost V praxi : postup využívající zkracování doby pobytu molekul v důsledku zvýšení teploty stěny. Vakuové soustavy se konstruují tak, aby bylo možné stěny na přechodnou dobu zahřát. Pro vysoké vakuum obvykle stačí i ohřev stěn horkou vodou, pro velmi vysoké vakuum musí být použity teploty vyšší, používá se ohřev odporovými topnými tělesy nebo ohřev radiační. Po dobu zvýšené teploty stěn se systém intenzivně čerpá, tím se sníží hodnota n S. Po poklesu teploty na provozní hodnotu se tak řádově sníží hustota desorbovaných molekul a tím i sníží mezní tlak.

39 Teoretické základy vakuové techniky

40 Teoretické základy vakuové techniky Dalším zdrojem nežádoucího plynu v soustavě : plyny a páry uvolňované odpařováním nebo sublimací materiálů tvořících vnitřní stěny vakuové soustavy. Připomeneme si pojem tlak nasycených par: Částice stěny jsou vázány k objemu látky s určitou vazební energií Q V a mohou přebírat energii kmitů sousedních atomů tak, že se s určitou pravděpodobností rostoucí s teplotou mohou uvolnit do prostoru (vypařit nebo sublimovat). S rostoucí teplotou proto jejich počet vzrůstá a tím i vzrůstá parciální tlak takto vzniklých par. V důsledku toho ale roste i počet atomů nebo molekul, které se vracejí zpět na stěnu a ulpívají tam. Jestliže se počet uvolňovaných a vracejících se molekul vyrovná dosahuje tlaku, který se označuje jako tlak nasycených par. Tlak nasycených par roste s teplotou.

41 Teoretické základy vakuové techniky

42 Teoretické základy vakuové techniky V předcházejícím grafu je tlak vyjádřen v torr, hodnoty v Pa získáme vynásobením konstantou 133. Z tohoto grafu lze vyvodit i základní zásady pro používání kovů v konstrukcích vakuových soustav. Z obecných kovů je zřejmě vyloučen zinek, v případě velmi vysokého vakua i slitiny zinku a hořčíku, zejména mosaz. Významnou roli hraje těsnění spojů, které je zajišťováno O-kroužky a jejich materiál musí splňovat požadavek dostatečně nízkého tlaku nasycených par. Voda má tlak nasycených par 133 Pa a z toho důvodu je její přítomnost v aparatuře nanejvýš nežádoucí. Proto je při zavzdušňování vakuových soustav dbát na to, aby žádná část neměla teplotu nižší než je rosný bod. Při opětném čerpání aparatury by voda kondenzovaná na studených plochách podstatně zpomalovala pokles tlaku.

43 Teoretické základy vakuové techniky Shrnutí Pro časový průběh tlaku při čerpání reálné soustavy platí: n n St St q Vi V V i 1 () 0 1, pt p e e kde qvi i 1 je součet všech parazitních proudů plynů, které musí vývěva čerpat navíc k plynu z objemu systému, tj. zpětný proud vývěvy, plyny desorbované ze stěn, plyny vnikající do soustavy netěsnostmi, páry pevných materiálů uvolňované sublimací, páry olejů a maziv, plyny a páry uvolňované při technologických procesech. S

44 Teoretické základy vakuové techniky Z analýzy předcházející rovnice vyplývá, že čerpací proces má dvě etapy: - první člen na pravé straně popisuje první etapu, kdy převládá čerpání z objemu a tlak relativně rychle klesá, - druhý člen popisuje druhou etapu, v níž se čerpají parazitní proudy plynů a tlak klesá značně pomaleji. Tuto etapu lze zkrátit výše popsaným postupem využívajícím ohřev soustavy. Mezní tlak soustavy je hodnota pt () pro čas t, tj. n qvi i 1 pm S Mezní tlak soustavy je určen jak čerpací rychlostí soustavy, tak vlastnostmi čerpaného systému.

45 Získávání nízkých tlaků Vývěvy V praxi se užívá řada typů vývěv a lze je charakterizovat podle různých hledisek : princip, parametry, účel, mezní tlaky. Princip činnosti hlavní parametry: mezní tlak a čerpací rychlost, ovšem měřené na vstupní přírubě vývěvy (v odborném slangu : zapojení nakrátko). Nebereme v úvahu parametry připojené vakuové soustavy - u vstupu do pracovní komory jsou parametry (mezní tlak a efektivní čerpací rychlost) podstatně ovlivněny konstrukcí soustavy.

46 Získávání nízkých tlaků Podle principu činnosti se vývěvy dělí takto: 1. Vývěvy transportní -vývěvy s periodicky proměnným pracovním objemem -vývěvy s přenosem hybnosti 2. Vývěvy s vazbou molekul - kryogenní vývěvy -sorpční vývěvy - iontové vývěvy

47 Získávání nízkých tlaků Vývěvy s periodicky proměnným pracovním objemem Historicky nejstarším typem vývěv jsou vývěvy pístové. V současné době se používají jen zřídka. Důvodem je konstrukční i výrobní náročnost klikového mechanizmu a nízká účinnost. Podobné: vývěvy membránové. Používají se poměrně často vzhledem k nízké ceně a konstrukční jednoduchosti (nově vyvinuty nové materiály pro membrány kovové i keramické umožňující podstatné zlepšení parametrů). Výhoda: možnost volby materiálů, které umožňují čerpání agresivních plynů a par. Na trhu jsou membránové vývěvy s čerpací rychlostí S v rozmezí 0,1 až 10 m 3.h -1 a mezním tlakem řádově 10 1 Pa.

48 Získávání nízkých tlaků Schéma membránové vývěvy a fotografie jejího provedení. Ve schématu naznačený klikový mechanizmus se v praxi užívá zřídka, pohyb membrány obvykle vyvolávámechanizmus poháněný elektromagnetem.

49 Získávání nízkých tlaků Rotační vývěvy jsou nejčastěji používané vývěvy pro získávání hrubého až středního vakua. Vyrábějí se v provedení jednostupňovém nebo dvoustupňovém. Jednostupňové rotační vývěvy: čerpací rychlost S: m 3.h -1 mezní tlak p m Pa. Použití : vakuové sušení, svařování elektronovým paprskem, výroba žárovek, metalurgie atd. Dvoustupňové rotační vývěvy: čerpací rychlost S : 2,5 250 m 3.h -1 mezní tlak p m : 0,1 0,5 Pa. Použití: nejčastěji používaný typ vývěv, např. pro předčerpávání turbomolekulárních a difúzních vývěv, pro depozici povlaků a tenkých vrstev, ve výzkumu a vývoji. Výhody : nízká cena, jednoduchá obsluha, dlouhá životnost Nevýhoda: určitý obsah oleje ve zpětném proudu vývěv

50 Získávání nízkých tlaků otáčející se rotor má v sobě drážky, v nichž jsou zapuštěné pohyblivélopatky mezi středem rotoru a oběma lopatkami jsou pružiny, které vytlačují lopatky tak, že jsou v dotyku s vnitřní stěnou statoru. rotor je umístěn excentricky a dotýká se statoru v prostoru mezi sacím a výfukovým hrdlem. výfukové hrdlo je opatřeno výtlačným ventilem, který zabraňuje zpětnému proudění plynu.

51 Získávání nízkých tlaků Dvoustupňové rotační vývěvy

52 Získávání nízkých tlaků

53 Získávání nízkých tlaků Šroubové vývěvy Čerpací ústrojí je tvořeno dvěma paralelně uloženými šrouby s opačným chodem a s proměnným stoupáním. Nepotřebují žádné ventily. Vzhledem k vysokému kompresnímu poměru a vysokým čerpacím rychlostem je třeba vývěvu chladit.

54 Získávání nízkých tlaků Šrouby se otáčejí bez vzájemného dotyku i bez dotyku se stěnami komory. Čerpací rychlost závisí na objemu komory a otáčkách rotorů, mezní tlak na přesnosti provedení. Zpětný proud neobsahuje žádné kontaminanty. Dosažitelný mezní tlak řádově 10 Pa. Čerpací rychlosti jsou v rozmezí 100 až 1000 m 3.h -1. Vývěvy mají nízkou spotřebu energie a nízkou hlučnost. Jde o velmi progresivní typ vývěv.

55 Získávání nízkých tlaků

56 Získávání nízkých tlaků Vývěvy s přenosem hybnosti Princip činnosti : Molekulám čerpaného plynu se uděluje přídavná hybnost v takovém směru, aby se pohybovaly ve směru čerpání, tj. z čerpaného objemu směrem k výstupu vývěvy. Této změny hybnosti se dosahuje - nárazem na pohybující se pevnou látku - difúzí do proudu nosné páry. V prvním případě se molekuly čerpaného plynu se dostávají do interakce s povrchem rotoru. Doba setrvání na povrchu je vzhledem k rychlosti interakce a materiálu rotoru (obvykle nerezová ocel) prakticky nulová ( S s ) a molekuly se odrážejí podle zákonů mechaniky (úhel dopadu ~ úhel odrazu). Tato interakce způsobuje předání hybnosti molekulám v takovém směru, aby se pohybovaly od vstupu z čerpaného objemu směrem k výstupu vývěvy.

57 Získávání nízkých tlaků V prvním případě se molekuly čerpaného plynu se dostávají dointerakce s povrchem rotoru. Doba setrvání na povrchu je vzhledem k rychlosti interakce a materiálu rotoru (obvykle nerezová ocel) prakticky nulová ( ) a molekuly se S s odrážejí podle zákonů mechaniky (úhel dopadu ~ úhel odrazu). Tato interakce způsobuje předání hybnosti molekulám v takovém směru, aby se pohybovaly od vstupu z čerpaného objemu směrem k výstupu vývěvy. Rychlosti tepelného molekul se blíží 1000 m.s -1 a proto je nezbytné, aby obvodová rychlost rotoru v místě interakce byla řádově stejně velká.

58 Získávání nízkých tlaků Ve druhém případě se využívá difúze čerpaného plynu do proudu rychle se pohybující páry pracovního média. Vlivem srážek molekul plynu s molekulami páry získávají vysokou rychlost i molekuly plynu. Páry média spolu s čerpaným plynem pak postupují do difuzéru, v němž se zpomalí a jejich tlak vzroste. I když se intenzivně pracuje na vývoji tohoto druhu vývěv, nebyla doposud postavena vývěva, která by měla výstupní tlak rovný tlaku atmosférickému. Proto za ně musí být zařazena předčerpávající vývěva (rotační, šroubová), která čerpaný plyn stlačuje na tlak převyšující tlak atmosférický.

59 Získávání nízkých tlaků Rootsovy vývěvy dva rotory otáčející se proti sobě. Tyto rotory mají takový tvar, aby při jejich otáčení nevznikla mezi stěnou a rotory, ani mezi rotory a stěnou mezera. Těsnění je zajištěno přesností výroby. mezi lopatkami navzájem, ani mezi lopatkami a rotorem neexistuje tření, nejsou tedy zapotřebí žádné mazací, ani těsnící látky. převodovka, která je nutná pro synchronizaci pohybu rotorů je umístěna mimo prostor vývěvy. To znamená, že vývěva nemůže být znečišťována ani parami oleje z převodovky.

60 Získávání nízkých tlaků

61 Získávání nízkých tlaků Otáčky rotorů: 1500 až 3000 min -1. Pokud je tlak natolik nízký, že proudění v mezerách mezi rotory a skříní je molekulární, čerpací rychlost je vysoká. Při přechodu na proudění viskózní roste vakuová vodivost a čerpací rychlost rychle klesá. Tím je dán maximální možný výstupní tlak Rootsových vývěv. Obvykle se používají jako boostery ve velkých čerpacích systémech pomocné vývěvy zvyšující čerpací rychlost rotačních nebo šroubových vývěv.

62 Získávání nízkých tlaků Turbomolekulární vývěvy V současné době nejčastěji používané vývěvy pro dosažení vysokého a velmi vysokého vakua. Čerpací systém je tvořen soustavou lopatkami opatřených rotorů a statorů. Molekuly čerpaného plynu dopadají na lopatky rotoru prvního stupně a po krátké době rotor opouštějí s rychlostí složenou z rychlosti tepelného pohybu a obvodové rychlosti rotoru.

63 Získávání nízkých tlaků Molekuly pokračují do oblasti statoru, jehož opačně natočené lopatky usměrní pohyb molekul ve směru osy otáčení rotoru dostanou se do oblasti druhého stupně rotoru a proces usměrnění jejich pohybu axiálním směrem pokračuje. Technické problémy : Obvodová rychlost rotorů musí být řádově rovna rychlosti tepelného pohybu. Např. pro dusík je v a přibližně 480 m.s -1. Potom rotor malé vývěvy o průměru 10 cm musí mít otáčky min -1. Pro větší vývěvy sice potřebné otáčky klesají s průměrem, ale momenty setrvačnosti a tím i dynamické problémy rostou se čtvercem průměru. Turbomolekulární vývěvy proto představují výrobky vysoké technické úrovně. Pohánějí je bezkartáčové stejnosměrné motory s komplikovanou regulací.

64 Získávání nízkých tlaků čerpacími rychlosti : 10 l.s -1 do 5000 l.s -1. mezní tlak řádu 10-5 Pa, u speciálních konstrukcí umožňujících dříve popsaný proces ohřívání a zchlazení vývěvy to je 10-7 Pa. vysoké otáčky rotoru vyžadují jeho speciální uložení, užívají se levitující magnetická ložiska. nezbytná jsou bezpečnostní opatření pro případ výpadku napájení a potřeby postupného snižování otáček.

65 Získávání nízkých tlaků Difúzní vývěvy Princip: vysvětlíme na technicky jednodušší parní ejektorové vývěvě. Páry pracovního média obvykle voda) se urychlují v trysce až na nadzvukové rychlosti, jejich tlak klesá a strhávají molekuly čerpaného plynu. Společně proudí do difuzéru, v němž se rozpínají a zpomalují, kinetická energie se mění v tlakovou. Plyny se tak stlačují a stlačené odvádějí. Tyto vývěvy mají mezní tlak až 10 Pa a stavějí se pro průmyslové účely (sušení, metalurgie apod.) s vysokými čerpacími rychlostmi).

66 Získávání nízkých tlaků Difúzní vývěvy jsou vícestupňové ejektorové vývěvy, pracovní médium jsou speciální oleje s nízkou tenzí nasycených par.

67 Získávání nízkých tlaků Molekuly čerpaného plynu pronikají do oblasti trysek a difundují do proudu par proudících z trysek s nadzvukovou rychlostí. Srážkami s molekulami par jsou usměrněny do prostoru kondenzace páry prvního stupně na chlazené stěně vývěvy. Odtud difundují do páry vystupující z dalšího stupně a děj se opakuje, až se čerpané molekuly shromažďují v dolní části vývěvy odkud jsou odčerpávány tzv. předvakuovou vývěvou (rotační, šroubovou apod.). Výstupní tlak par je 10 0 až 10 1 Pa a mezní tlak předvakuové vývěvy nesmí tuto hodnotu překračovat. Nevýhodou je určitý zpětný tok olejových par do čerpaného objemu. chlazeného lapače olejových par na vstup vývěvy. Lapače ale představují členy s nízkou vakuovou vodivostí a proto podstatně snižují efektivní čerpací rychlost vývěv.

68 Získávání nízkých tlaků Výhodou difúzních vývěv je konstrukční jednoduchost a z toho vyplývající nízká cena. Dále odolnost a dlouhá životnost, schopnost čerpat jakékoli plyny. Nevýhodou zpětný proudu olejových par i poměrně dlouhá doba náběhu (30-60 minut) a stejně dlouhá doba ochlazování. Spotřebu chladící vody lze omezit chladícím okruhem, což ovšem navyšuje cenu. Oleje jsou drahé moderní silikonové oleje stojí USD 1000/ litr a více, ale spotřeba je malá a životnost až dva roky při nepřetržitém provozu. Mezní tlak závisí na způsobu chlazení lapače olejových par. Bez lapače je mezní tlak řádově 10-4 Pa, s vodou chlazeným lapačem 10-5 Pa a při chlazením LN2 (kapalný dusík) až 10-7 Pa. Rozsah čerpacích rychlostí je zhruba stejný jako u turbomolekulárních vývěv.

69 Měření nízkých tlaků MĚŘENÍ NÍZKÝCH TLAKŮ Metody měření nízkých tlaků se dělí na dvě základní skupiny: 1. Přímé měření ze silových účinků tlaku plynu, výsledek nezávisí na druhu plynu, některé metody jsou absolutní, slouží ke kalibraci měřidel ze druhé skupiny. 2. Nepřímé měření ze změn těch fyzikálních vlastností plynů, které závisí na tlaku (tepelná vodivost, ionizační schopnost apod.). Výsledky všech nepřímých metod závisejí na chemickém složení měřeného plynu. Výsledek měření často ovlivňují i některé parametry prostředí, zejména teplota. Důsledkem těchto skutečností je, že relativní nejistoty výsledkůčasto dosahují i několika desítek procent.

70 Měření nízkých tlaků Přímé měření nízkých tlaků Měří se silový účinek vyvolaný tlakem plynu obvykle srovnávací metodou (porovnání známého a měřeného tlaku) Hrubé vakuum měří se membránovými tlakoměry s různým tvarem membrán a převodem na výchylku ručky na stupnici. Bourdonův vakuoměr : deformačním prvkem je tvarovaná kapilára (3), pohyb konce kapiláry je mechanickým převodem převáděn na výchylku ručky na stupnici. Rozsah je Pa, rel. nejistota okolo 10 %, údaj nezávisí na druhu plynu, ale je pouze informativní.

71 Měření nízkých tlaků Membránový manometr s vlnovcovou membránou uzavírající vyčerpaný prostor s definovaným tlakem. Průhyb membrány se mechanicky převádí na otáčení ručky na stupnici. Dolní mez rozsahu je Pa, vlastnosti obdobné jako v předchozím případě.

72 Měření nízkých tlaků Kapacitní vakuoměr Moderní verze membránového vakuoměru. Průhyb membrány nerezová ocel nebo keramika) je měřen kapacitním snímačem. Prostor pod membránou je vyčerpán na nízký tlak p 0 určující dolní mez rozsahu. Přístroje měřítlak p až v rozsahu 4 řádů, nejnižší dolní mez je 10-3 Pa.

73 Měření nízkých tlaků Piezoelektrický membránový vakuoměr Membrána je zhotovena z piezoelelktrické keramiky, elektrické napětí vyvolané její deformací je snímáno napařenými kovovými kontakty. Dolní mez rozsahu je 10 1 Pa. Výhodou je, stejně jako v předchozím případě, elektrický výstup využívaný pro regulaci procesů. Tento typ vakuoměrů má vysokou přesnost, relativní nejistota údaje může být okolo 1 %.

74 Měření nízkých tlaků Nepřímé měření nízkých tlaků Tepelné vakuoměry Na údaj o tlaku plynu se převádí výsledek měření jeho tepelné vodivosti. Nevýhodou je závislost údaje na druhu měřeného plynu a relativně malý rozsah lineární části. Výhodou je nízká cena, spolehlivost a odolnost.

75 Měření nízkých tlaků Piraniho měrka Měrný element: tenké žhavené vlákno, obvykle platinové, jehož teplota se udržuje na konstantní hodnotě. Měří se: proud potřebný k udržení této teploty a elektronicky převádí na tlak. Zařízení vyžaduje kalibraci pomocí absolutního tlakoměru (zajišťuje výrobce), výstupem je kalibrační křivka dodávaná k přístroji.

76 Měření nízkých tlaků Ionizační vakuoměry Penningův ionizační vakuoměr se studenou katodou Mezi elektrodami hoří výboj, který se udržuje díky magnetickému poli zakřivení drah elektronů (Lorentzova síla) prodlužuje jejich dráhu a zvyšuje pravděpodobnost ionizace. Ionizační proud je mírou tlaku Dolní mez měření je podle typu 10-5 až 10-4 Pa Cena je relativně nízká, zařízení je velmi odolné s dlouhou životností.

77 Měření nízkých tlaků Triodové ionizační vakuoměry Princip : ze žhavené katody jsou emitovány elektrony ionizující plyn. Elektrické pole je přitahuje k elektrodě K E, která je tvořena síťkou, okolo které kmitají a vznikající kladné ionty jsou přitahovány k elektrodě K I. Mírou tlaku je ionizační proud. Dolní mez rozsahu je až 10-8 Pa Charakteristika je nelineární, přístroj vyžaduje kalibraci. Je to nejcitlivější vakuoměr.

78 Měření nízkých tlaků Realizace ionizačního vakuometru