VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV MIKROELEKTRONIKY FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF MICROELECTRONICS Primární etalon pro měření vysokého a velmi vysokého vakua Semestrální projekt z předmětu Vakuová technika AUTOR PRÁCE Michal Krajíček BRNO, 2009
Obsah 1 Úvod... 1 2 Definice státního (primárního) etalonu a uchovávání etalonů... 1 3 Dynamická expanze [2]... 1 3.1 Zdroj definovaného proudu plynu Q průtokoměr... 2 3.2 Čerpací vývěva... 3 3.3 Kalibrační komora... 3 3.4 Nevýhoda dynamické expanze... 3 3.5 Vývoj dynamické expanze... 4 4 Závěr... 4 5 Literatura... 5 Seznam obrázků 3.1 Blokové schéma dynamické expanze [2]... 2 3.2 Současný stav vyvíjeného etalonu vakua[4]... 4 1 Úvod Vysoké vakuum je definováno jak tlak v rozsahu 10-1 - 10-5 Pa. Velmi vysoké vakuum 10-5 - 10-10 Pa. Měření tak nízkého tlaku je problematické vysoké vakuum lze s velkou přesností měřit viskózními vakuometry, velmi vysoké vakuum pak ionizačními vakuometry. Tyto vakuometry je ale potřeba kalibrovat. Dříve byl pro tyto účely nejvhodnější Mcleodův vakuometr, který měří absolutně s přesností 2,5% jakýkoliv plyn. V současnosti se již jako etalon nepoužívá a byl nahrazen dynamickou expanzí. 2 Definice státního (primárního) etalonu a uchovávání etalonů Státní (primární) etalon) - Státní etalon je etalon, uznaný oficiálním (národním) rozhodnutím za etalon, poskytující základ určování hodnot jiných etalonů téže veličiny v dané zemi (VIM). [1] Schvalování státních etalonů ČR provádí Úřad pro normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví. Uchovávání státních etalonů v ČR provádí ve většině případů Český metrologický institut ČMI.[1] 3 Dynamická expanze [2] Princip měření tímto etalonem spočívá v napouštění kalibrační komory známým proudem plynu a vyčerpáváním této komory známou rychlostí. Přesnost tohoto etalonu se pohybuje kolem 1%, tudíž je to nejpřesnější vakuometr, který lze v dnešní době vyrobit pro měření vysokého a velmi vysokého vakua.dynamická expanze se skládá ze tří hlavních částí kalibrační komory, průtokoměru a čerpací 1
soustavy vývěv. Blokové schéma vakuometru na principu dynamické expanze je uvedeno na obrázku 3.1. 3.1 Blokové schéma dynamické expanze [2] 3.1 Zdroj definovaného proudu plynu Q průtokoměr Proud plynu je množství plynu, které projde určitým průřezem za jednotku času. Nejpoužívanější metodou, jak dosáhnout přesně definovaného proudu plynu je metoda konstantního tlaku. Metoda konstantního tlaku Úbytek plynu z komory se kompenzuje zmenšováním objemu tak, aby tlak zůstal stále stejný, čímž zůstává proud clonou také konstantní. Změna objemu je ovládána pomocí manometru, který je umístěn mezi komorou, ze které uniká plyn a objemem, který na začátku slouží jako zdroj plynu do komory. Při změně hodnoty tlaku změřeného manometrem se změní objem komory, čímž se tlak vrátí na původní hodnotu. Změna objemu se provádí buď válcem s pístem nebo měchovcem. Pro proud plynu platí vztah: dv V V Q p p dt t2 t1, kde p je tlak plynu, V objem a t čas 2 1 = = (3.1) 2
3.2 Čerpací vývěva Je nezbytné zajistit konstantní čerpací rychlost a čerpací rozsah v celém měřícím rozsahu dynamické expanze, z tohoto důvodu se mezi vývěvu a kalibrační komoru vloží clona s malou vodivostí C. Clona způsobí zmenšení čerpací rychlosti vývěvy a v případě, že je proudění přes clonu molekulární lze čerpací rychlost vypočítat ze vztahu: S C S ef = (3.2) S+ C, kde S je čerpací rychlost vývěvy a C je vodivost clony Mezi clonu a vývěvu je umístěna čerpací komora, která tlumí fluktuace čerpací rychlosti vývěvy, její rozměry musí být stejné jako kalibrační komory. Pro clonu válcovitého tvaru platí vztah: k T C = W A (3.3) 2 π M, kde W je pravděpodobnost, že molekula projde clonou, A je plocha otvoru, k Boltzmannova konstanta, T je absolutní teplota plynu a M je molární hmotnost plynu. Pro čerpání je důležité zvolit vývěvu s co nejstabilnější a největší čerpací rychlostí, což splňuje turbomolekulární vývěva. 3.3 Kalibrační komora Kalibrační komora svým vnitřním uspořádáním musí zajistit, že plyn v ní bude mít maxwellovské rozdělení rychlosti a že žádná molekula napouštěného plynu neproletí otvorem clony aniž by alespoň jednou nenarazila do stěny a nevytvořila tak tlak na stěnu. Ideálním tvarem kalibrační komory je koule, avšak pro náročnost výroby se používá válec. Pro zajištění stejné koncentrace molekul v celém objemu je nutné vhodně volit poměr výšky ku průměru válce.tlak generovaný dynamickou expanzí lze vypočítat ze vztahu: 1 1 p = + (3.4) S C 3.4 Nevýhoda dynamické expanze Je nutné udržovat celou aparaturu na konstantní teplotě, protože různá teplota v jednotlivých částech snižuje přesnost měření. Další nepříjemností je zdlouhavost měření pro každý tlakový bod. Dynamická expanze neměří absolutně. 3
3.5 Vývoj dynamické expanze V současné době vlastní ČMI dynamickou expanzi s možností měření vakua až do 10-7 Pa. Zároveň ale vyvíjí ve spolupráci s MFF UK dynamickou expanzi, která dokáže měřit přesný tlak až 10-10 Pa.[3] Současný stav vyvýjené dynamické expanze je uveden na obrázku 2.2. 4 Závěr 3.2 Současný stav vyvíjeného etalonu vakua[4] Dynamická expanze je v současné době nejpřesnější vakuometr. Přesností se vyrovná dříve používanému Mcleodovu vakuometru, avšak lze s ní dosáhnout vyššího tlaku, kdy Mcleodův vakuometr zvládne tlak do 10-4 Pa, kdežto dynamická expanze zvládne v současné době tlak 10-7 Pa a v blízké budoucnosti by mělo být možné takto měřit tlak 10-10 Pa. To umožní přesně kalibrovat ionizační vakuometry v celém jejich rozsahu. Nevýhodou dynamické expanze oproti Mcleodovu vakuometru je to, že neměří absolutně. Mcleodův vakuometr ovšem pro měření tlaku 10-4 Pa potřebuje jako akční medium rtuť, která je v současné době v Evropské unii politicky nepřípustná z důvodu její toxicity. 4
5 Literatura [1] Český metrologický institut.,české státní etalony. Dostupné z WWW: http://www.cmi.cz/index.php?lang=1&wdc=91 [2] Klenovský, P., Porovnání primárního etalonu vakua na principu kónické tlakové měrky s primárním etalonem velmi vysokého vakua na principu dynamické expanze pomocí útlumového viskózního vakuometru (SRG). Dostupné z WWW: http://is.muni.cz/th/105957/prif_b/bakalarkapk [3] Skupina vakuové fyziky KFPP.,Dynamická expanze. Dostupné z WWW: http://physics.mff.cuni.cz/kevf/vakuum2/img/web_metrolab.jpg 5