Technika wysokiej próżni „Basic vacuum technology” Chapter 1,2

Jednostki i zakresy próżni 1 mbar = 100 Pa 1 Torr = 131,6 Pa = 1 mm Hg 1 mbar = 0,76 Torr Zakresy słaba próżnia (LV) od 1013 mbar do 1 mbar średnia próżnia (MV) od 1 mbar do 10-3 mbar wysoka próżnia (HV) od 10-3 mbar do 10-8 mbar ultra wysoka próżnia (UHV) od 10-8 mbar do 10-11 mbar i mniej Rekord próżni 10-13 Torr (1,3·10-13 mbar)

Kinetyczna teoria gazów Rokład Maxwella-Boltzmanna Średnia energia kinetyczna Średnia prędkość Ciśnienie Częstość zderzeń Impingement rate/Flux Średnia droga swobodna

Gazy w układach próżniowych Istotne wielkości wykorzystywane do opisu gazów w próżni Gęstość liczbowa Impingement rate/Flux Średnia droga swobodna Wartości n, l, J dla różnych p na przykładzie N2 w 295K p [mbar] n [cm-3] l [cm] J [cm-2s-1] 1013 2,5·1019 6,6·10-6 2,9·1023 10-4 2,5·1012 67 2,9·1016 10-6 2,5 ·1010 6,7·103 2,9·1014

Podstawowe zadanie techniki próżniowej Odpompowanie gazu z komory do zadanej gęstości liczbowej (ciśnienia) Obniżenie ciśnienia powoduje wydzielanie się gazów. Źródła: przecieki parowanie uwalnianie gazów z wewnętrznych powierzchni powrót gazów z pompy Stabilna próżnia jest wynikiem osiągnięcia równowagi dynamicznej między tymi procesami, a procesem usuwania gazu przez pompę

Procesy powierzchniowe i wydzielanie gazów Wzrost stopnia wysycenia powierzchni adsorpcja dyfuzja z wnętrza ciała stałego na powierzchnię Spadek stopnia wysycenia powierzchni desorpcja Fizysorpcja, chemisorpcja Czas życia w stanie zaadsorbowanym ~exp(HA/RT) T = 295K HA [kJ/mol] τ [s] 2 3,2·10-12 10 3,6·10-6 15 0,02 50 5,8·1024 100 3,4·1062 200 1,1·10138

Procesy powierzchniowe i wydzielanie gazów Czas życia w stanie zaadsorbowanym można zmniejszyć poprzez wygrzewanie 150 - 300ºC, kilka godzin - dni Ustalanie równowagi adsorpcyjnej energia sorpcji, temperatura stopień wysycenia powierzchni Wielowarstwowa adsorpcja siła wiązania kolejnych warstw jest z reguły słabsza niż pierwszej może prowadzić do kondensacji

Przepływy gazów . . Jednostka ilości gazu mbar l (pV) Throughput Q [mbar l s-1] Q = pV przepustowość jest stała w układzie (prawo stałości przepustowości) daje informację o natężeniu strumienia cząsteczek dN/dt = d/dt(pV/kT) = Q/kT Szybkość (speed) S [mbar l s-1] S = Q/p [l s-1] zastępuje V w miejscach gdzie strumień objętościowy jest nieróżniczkowalny Q = pS . .

Przepływy gazów A A’ ciśnienie p1 . V p2 S przepływ gazu

Przepływy gazów Conductance C [l s-1] C = Q / (p1 – p2) jest miarą łatwości przepływu gazu między dwoma miejscami połączenia równoległe połączenia szeregowe Conductance C [l s-1] C = Q / (p1 – p2) jest miarą łatwości przepływu gazu między dwoma miejscami połączenia równoległe połączenia szeregowe Conductance C [l s-1] C = Q / (p1 – p2) jest miarą łatwości przepływu gazu między dwoma miejscami połączenia równoległe połączenia szeregowe Conductance C [l s-1] C = Q / (p1 – p2) jest miarą łatwości przepływu gazu między dwoma miejscami połączenia równoległe połączenia szeregowe Q C p1 p2 Q1 C1 p1 p2 p3 C2 Q2 Q1 C1 Q2 C2 p1 p2

Mechanizmy przepływów Przepływ lepki ‘napędzany’ zderzeniami między cząsteczkami stosują się do niego prawa mechaniki płynów dla takiego przepływu przewodność czynną dla rury można obliczyć ze wzoru Poiseuille conductance rośnie ze wzrostem ciśnienia Przepływ molekularny (HV, UHV) średnia droga swobodna jest większa od wymiarów układu zderzenia między cząsteczkami występują zaniedbywalnie rzadko nie ma możliwości przewidzenia trajektorii cząsteczek conductance nie zależy od ciśnienia (brak komunikacji między cząsteczkami)

Przepływ molekularny Zderzenia cząsteczek z powierzchniami podczas przepływu molekularnego wysokie prawdopodobieństwo adsorpcji (czyste powierzchnie) prawo cosinusów Knudsena chropowatość powierzchni

Przepływ molekularny Przepływ gazu przez otwór p1 p2 A

Przepływ molekularny Maksymalna szybkość pompy cząsteczki złapane przez pompę nie mogą wracać szybkość u wlotu do pompy oznaczamy S* Q Pompa A idealna pompa zatrzymuje wszystkie cząsteczki trafiające do jej wlotu w rzeczywistości część cząsteczek może wydostawać się z pompy stąd S* < Cwlotu S*/ Cwlotu jest miarą wydajności pompy

Przepływ molekularny Przepływ gazu przez rurę p1 p2 A

Przepływ molekularny Prawdopodobieństwo transmisji (przez rurę) W gdy A, L W=1 gdy L=O (otwór) dla bardzo długich rur (Knudsen) dla typowych rur stosowanych w układach próżniowych (Dushman)

Przepływ molekularny cd. rzeczywiście W1 gdy L0

Przepływ molekularny Przepływ przez złożone obiekty conductance dla obiektów o skomplikowanych kształtach oblicza się korzystając z metod Monte Carlo conductance dla ‘kolanka’ jest prawie taka sama jak dla prostej rury o tej samej średnicy i długości conductance dla złożonych układów można obliczyć z poniższego wzoru tylko, jeśli pomiędzy kolejnymi sumowanymi elementami są duże przestrzenie

Ilościowy opis procesu pompowania Ilościowy opis podstawowego zadania techniki próżniowej szybkość odpompowywania gazu całkowity throughtput gazu uwalnianego do komory podstawowe równanie przepływów w takim układzie V Komora p S S* Pompa QL QG QV QP

Ilościowy opis procesu pompowania cd. Ilościowy opis podstawowego zadania techniki próżniowej po osiągnięciu stanu równowagi staranne przygotowanie do eksperymentu pozwala zminimalizować QL i QV. Jeśli QP=O, wtedy QC=QG. Na początku pompowania można założyć, że QC=0, a wtedy: równanie to pozwala szacować (jedynie z góry!) ciśnienie jakie można otrzymać po odpowiednim czasie czas potrzebny do otrzymania odpowiedniego ciśnienia szybkość pompy, która pozwoli na osiąganie zadanego ciśnienia w określonym czasie