Přednáška 9 Vývěvy s vazbou molekul: kryosorpční, zeolitové, iontové a sublimační vývěvy.
Sorpční vývěvy využívají převážně jevu adsorpce molekul na povrchu tak jsou molekuly odstraňovány z čerpaného objemu
1. skupina převážně fyzikální adsopce tedy procesy za nízkých teplot (viz doba setrvání molekul na stěně) Využívané jsou dva procesy: adsorpce na porézních látkách za nízkých teplot (kryosorpční vývěvy použití zeolitů a aktiv. uhlí) kondenzace plynu za nízkých teplot (kryokondenzační vývěvy) Typická vývěva využívá oba principy http://cdsweb.cern.ch/record/1047069/files/p241.pdf
Zeolity V 18. století mineralogem A. F. Cronstedt pozoroval, že při rychlém ohřívání přírodních minerálů kameny začnou tančit, protože voda obsažena v pórech zeolitu utíká při ohřívání ven. Zeolity jsou krystalické hydratované alumosilikáty alkalických kovů a kovů alkalických zemin. Jedinečnost spočívá v tom, že prostorové uspořádání atomů vytváří kanálky a dutiny konstantních rozměrů. V těchto kanálcích se mohou zachytávat látky tuhého, kapalného a plynného skupenství. Zeolit se používá jako filtrační medium pro čištění zahradních jezírek, rybníků a akvárií. http://cs.wikipedia.org/wiki/zeolit
Jak získat nízkou teplotu teplota kapalného dusíku 77.4 K kapalného helia 4.2 K teplota kapalného dusíku pro účinné čerpání nedostačuje a práce s heliem je komplikovaná (a drahá) nutná tepelná izolace jiné řešení chladící stroj s plynným heliem
Typické parametry
Kryokondenzace
Čerpání plynů ze vzduchu Plyn P parc /P T kapal. T tuhnutí tenze par 20K čerp. r. So % K K Pa l/s *cm -2 He 0.0005 4.2-1.00E+05 30.5 H 2 0.01 20.4 14.2 1.00E+05 44 Ne 0.0018 27.3 24.2 6.00E+03 13.9 N2 78.1 77.4 63.2 3.00E-09 11.62 CO 0 81.2 66.2 5.00E-11 11.62 Ar 0.933 87.2 83.9 6.00E-11 9.9 O 2 20.93 80.2 54.2 1.00E-11 11 Kr 0.0001 120.2 116.2 1.00E-15 6.8 Xe 0.00000 9 164.2 161.4 0.00E+00 5.4 CO 2 0.03-195.2 0.00E+00 9.4
Kryosorpční bez kondenzace Nádoba naplněná zeolitem připojená k čerpané komoře umístěná do Dewarovy nádoby s LN. Uvnitř hliníkové lamely pro lepší rozvor tepla. 1. čerpací otvor 2. předčerpávací otvor 4. zeolit 1g má až 700m 2 5. lamela pro rozvod tepla http://www.umel.feec.vutbr.cz/~sandera/mvaf/6vyvevl.pdf
Kryosorpční v minulosti v provedení se zeolitem nutno regenerovat ohřevem na 600 o C
Příklad provedení s LHe a LN 2 stupňová
Chladící stroj má dvě části kompresor stlačuje plynné He na 20 bar při udržování pokojové teploty chladící hlavu plyn se rozpíná a odvání teplo, obvykle 2 stupně s pohyblivým pístem, plyn se vrací do kompresoru 1. stupeň teplota 30 80 K funguje i jako stínění 2. st. 2. stupeň teplota 8 20 K účinnost kompresor kw chladící hlava W
Kryosorpční vývěva 2 stupňová s chladícím strojem
Kryopumpy cca 3000 l/s: Oerlikon Leybold Coolvac 3000 a CTI On-Board 10
Pro simulace prostředí vesmíru
Mezní tlak pokud by čerpala jen N 2, tak mezní tlak je roven tenzi par dusíku při 20 K tedy 3*10-9 Pa ale ve vzduchu jdou dva plyny, které při 20 K nezkapalní He, H 2 (a částečně Ne) při čerpání od atm. tlaku by mezní tlak byl roven součtu parc. tlaků těchto plynů cca 10,5 Pa Jak mezní tlak snížit?
Mezní tlak proto je nutné kryosorpční vývěvu předčerpat např. rotační v. na cca 10 Pa nebo lépe tedy pokles tlaku o 4 řády a tím i zbytkového tlaku. a také čerpat nekondenzující plyny pomocí sorbentů a na adsorbovaných vrstvách jiných plynů (to je kryosorpce důležitý jev) je zajímavé, že nekondenzující plyny lépe adsorbují ve směsích s snad kondz. plyny při vzájemné interakci kryotrapping (H 2 + Ar, He + N 2 )
Praktické problémy pohyblivý píst se tře o stěny válců ohřev kvalita provedení ploch a systém těsnění je klíčový pro dosažení nízkých teplot, servis vyžaduje zkušenosti
Jak dlouho může vývěva pracovat dokud se nezaplní pokud čerpáme pracovní plyn s nějakým tokem, tak to může být třeba 6 hodin pokud jen udržujeme nízký tlak, tak měsíce Co dělat potom? Regenerace: vypneme chlazení a plyn se postupně uvolňuje a je odčerpáván Nutné zapojit do systému jako difuzní vývěvu stejné problémy dlouhá startovací doba a dochlazení
2. skupina Vývěvy s chemisorpcí tedy s chemickou vazbou plynu na povrch pevné látky zejména kovy (prakticky použitelné jsou Al, Ba, Mg, Nb, Ti, Ta, Th, Zr, ) ve vakuových obrazovkách se používalo často Zr jako pomocný prostředek čerpání (getr) z uvedených kovů je nejvhodnější titan nízká tenze nasycených par
Titan pro čerpání getrovací kapacita Cg 270 mbar * l/g pro H2 44 mbar * l/g pro O2 8.5 mbar * l/g pro N2 Jak musí taková vývěva pracovat? Čerpá jen čitý povrch z Ti, proto musí neustále vznikat nový čistí Ti povrch.
Jak na to vytváření nový povlaků z Ti se provádí dvěma způsoby sublimací Ti tj. zahřátím na vysokou teplotu rozprašováním Ti tj. dopady iontů Tomu odpovídají dva základní typy vývěv
Titanová sublimační vývěva Ti drát se zahřívá přímým průchodem proudu tedy musí být předčerpávána na méně než 0.1 Pa (střední volná délka větší než vzdálenost Ti a stěna) Ti dopadá na okolní (chlazené) stěny a tam se zachytávají molekuly čerpaných plynů, které jsou opět překryty kontinuálně vytvářenou vrstvou
Příklad modul Provozní rozpětí 10-4 až 10-12 mbar nutno dovybavit kryopanelem pro růst porézní vrstvy Ti
Použití čerpací rychlost od desítek l/s do 10 000 l/s prakticky sníží mezní tlak systému o jeden řád např z 10-9 Pa do 10-10 Pa to je jinak již velmi obtížné vhodné použití s turbomolekulární vývěvou nebo s iontovou vývěvou (viz dále)
Titanová iontová vývěva princip rozprašování Ti magnetické pole 0.1 T až 0.2 T dlouhé dráhy letu elektronů napětí 4 kv až 8 kv
Schéma Ti iontové vývěvy detail jedné buňky Katody Anody http://www.umel.feec.vutbr.cz/~sandera/mvaf/6vyvevl.pdf
Princip funkce elektrony ionizují čerpaný plyn, ionty jsou urychlovány směrem na katody kam dopadají probíhají dva procesy současně implantace iontů do katody tím mizí z vývěvy, jsou čerpány rozprašování Ti z katody a tedy růst Ti vrstvy všude na okolních plochách tam probíhá chemisorpce čerpání plynů jako u sublimační vývěvy
Čerpací rychlost opět do cca 10 000 l/s mezní tlak cca 10-10 Pa http://cdsweb.cern.ch/record/454179/files/p37.pdf
Problémy rozprašování Ti katod uvolňuje dříve implantovaný plyn ten se vrací do vývěvy (zpětný proud plynu) a také paměťový efekt pokud se čerpal dříve jiný plyn to se projeví zejména při čerpání interních plynů, které se nečerpají pomocí chemisorpce jako jsou Ar, He paměťový efekt sníží u nich čerpací rychlost čerpací rychlost inertních plynů je jen několik % z čerpací rychlosti pro N 2 a O 2.
Jak to řešit změnou geometrie tak, aby se rozprašování implantovaného plynu do Ti katod snížilo http://www.bctech.com.tw/index.php/ion-pump
Popis funkce ionty dopadají na mřížku katody velmi často šikmo, tedy katody jsou stále rozprašovány, ale implanace je menší také jsou ionty při dopadu na katodu často neutralizovány a pak jako neutrály dopadají na stěny (málo rozprašují) čerpací rychlost inertních plynů stoupne na 20 až 30 % rychlosti pro N 2.