Bohátka Sándor: VÁKUUMFIZIKA ÉS -TECHNIKA Tankönyv

Átírás

1

2 Bohátka Sándor: VÁKUUMFIZIKA ÉS -TECHNIKA Tankönyv Információk: megrendelés az ELFT titkárságán [Budapest, Fı u. 68. II. em., RÉSZLET A BEVEZETİBİL A tankönyv rendeltetése: Alapismereteket adni a vákuumfizika és technika tárgykörében. Szándékaink szerint azoknak szól, akik most ismerkednek a tárgykörrel, illetve önképzéssel megtanultak sok mindent, de ismereteik hiányosak, és rendszerezésre szorulnak. A tankönyv célja: Az olvasó megismerje az alapvetı fogalmakat, a vákuum elıállításának és mérésének módjait, ezek fizikai hátterét, a vákuumtechnikában használatos legfontosabb szerkezeti elemeket, anyagokat, a vákuumrendszerek felépítését és mőködtetését, továbbá a tervezéshez tudjon számolni néhány alapvetı fontosságú mennyiséget. Tehát ha kell, immár össze tudjon állítani, és képes legyen üzemeltetni egy vákuumrendszert, amelyhez persze a biztonságot majd a gyakorlat adja meg. A tankönyv tematikája: Az oktatás tematikájáról elég határozott a saját véleményünk, de hozzá való átfogó jellegő magyar nyelvő könyv nem állt rendelkezésre. Ezért az idegen nyelvő alapmővekbıl és a részletekkel foglalkozó közleményekbıl merítve, valamint saját anyagunk alapján állítottuk össze ezt a tankönyvet. E munka magját lényegében egy több mint másfél évtizede tartó egyetemi féléves kurzus anyaga szolgáltatja, amelyet kiegészített a IUVSTA Technical Training Course keretében 2006-ban Debrecenben tartott Gyakorlati Vákuumtechnikai Tanfolyam témaköre. A tankönyv módszere: Középfokú ismeretekre épít, mert az oktatás során ez volt a közös nevezı, de levezetés nélkül bevon az egyetemi kísérleti fizika tantárgyból is eredményeket. Igyekszik rámutatni a jelenségek mögötti fizikai okokra, de az analitikus, elméleti levezetéseket inkább feláldozza a szemléletesebb magyarázatért. Mint ahogy azt a címben is érzékeltetjük, egyszerre szeretnénk a fizikát is és a technikát is hangsúlyossá tenni, mert a gyakorlatban ezek elválaszthatatlanul vannak jelen. Az okozati viszonyok tisztánlátása érdekében a gépies rutint szolgáló nomogramokkal nem foglalkozunk. A gyakorlatiasság érdekében törekszünk létezı, hozzáférhetı eszközök ábráit, paramétereit bemutatni példaként. Éppen a kutatásra szoruló témák és az alkalmazások sokrétősége, gazdagsága az oka, hogy minden igényt nem elégíthetünk ki sem képességünk, sem a keret adta lehetıségünk szőkössége okán. Aki egy-egy terület problémáiban jobban el akar mélyedni, annak a csatlakozó tudományterületek és a legújabb kutatási eredmények tanulmányozását ajánljuk.

3 TARTALOMJEGYZÉK Oldal BEVEZETÉS 7 KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS A GÁZ MENNYISÉGÉT, ÁLLAPOTÁT MEGHATÁROZÓ FIZIKAI MENNYISÉGEK ÉS MÉRTÉKEGYSÉGEIK A KINETIKUS GÁZELMÉLET ALAPJAI AZ IDEÁLIS GÁZ MODELLJE SEBESSÉGELOSZLÁS ENERGIAELOSZLÁS KÖZEPES SZABAD ÚTHOSSZ, ÜTKÖZÉSEK Közepes szabad úthossz Sutherland korrekció Gázok ütközése Közepes szabad úthossz kísérleti meghatározása RÉSZECSKEÁRAM, TÉRFOGATI ÁRAM GÁZOK NYOMÁSA GÁZSZÁLLÍTÁS KÉT EDÉNY KÖZÖTTI KIS NYÍLÁSON ÁT Részecskeszállítás (részecskefluxus), q N A szállított gáztömeg: q m A szállított gáztérfogat (térfogati gázáram): q V GÁZTÖRVÉNYEK TRANSZPORT JELENSÉGEK DIFFÚZIÓ BELSİ SÚRLÓDÁS (VISZKOZITÁS) GÁZOKBAN HİVEZETÉS GÁZOKBAN GÁZOK ÁRAMLÁSA ÁRAMLÁSI TARTOMÁNYOK Viszkózus (kontinuum) áramlás Molekuláris áramlás Átmeneti áramlás GÁZÁRAM, SZÍVÓSEBESSÉG. SZIVATTYÚZÓ KÉPESSÉG (GÁZSZÁLLÍTÁS) Szívósebesség mérése CSİVEZETÉKEK ÁRAMLÁSI ELLENÁLLÁSA, VEZETİKÉPESSÉGE A SZIVATTYÚ EREDİ ÉS EFFEKTÍV SZÍVÓSEBESSÉGE A szivattyúhoz csatolt vezeték hatása a szivattyú eredı szívósebességére Gázbeömlés hatása a szivattyú effektív szívósebességére ÁRAMLÁS KIS, VÉKONY FALVASTAGSÁGÚ NYÍLÁSON ÁT Viszkózus áramlás kis, vékony falvastagságú nyíláson át Kis nyílás gázmennyiség-árama, lamináris áramlás Kis nyílás vezetıképessége levegıre lamináris áramlás Kis nyílás szívósebessége levegıre lamináris áramlás Molekuláris áramlás kis, vékony falú nyíláson át 58

4 4.6. MOLEKULÁRIS ÁRAMLÁS NAGY VÉKONY NYÍLÁSON ÁT ÁRAMLÁS CSÖVEKBEN Lamináris áramlás csövekben Átmenet a molekuláris és lamináris tartomány között csövekben (Knudsen-áramlás) Molekuláris áramlás csövekben Rövid csı vezetıképessége molekuláris áramlásban Molekuláris áramlás csövön keresztül általános leírás Transzmissziós módszer a vezetıképesség meghatározására RECIPIENS LESZÍVÁSI IDEJE GÁZOK ÉS KONDENZÁLT ANYAGOK KÖLCSÖNHATÁSA GÁZFORRÁSOK A VÁKUUMRENDSZERBEN GİZÖK, PÁROLGÁS, KONDENZÁCIÓ Kondenzáció Párolgás Párolgási áram sőrősége SZORPCIÓ ÉS DESZORPCIÓ Szorpciós jelenségek, alapfogalmak Az adszorpció és deszorpció kinetikája Adszorpciós sebesség (adszorpciós részecskeáram sőrőség) Deszorpciós sebesség (deszorpciós részecskeáram sőrőség) Monomolekuláris réteg adszorpciója, Langmuir-féle adszorpciós izoterma Monomolekuláris adszorbeált réteg kialakulásának ideje ( monoréteg-idı ) Többrétegő adszorpció: Brunauer-Emmelt-Teller (BET) izoterma Abszorpció, gázelnyelés (okklúzió) GÁZDIFFÚZIÓ A SZERKEZETI ANYAGOK FALÁBÓL PERMEÁCIÓ NÉHÁNY GYAKORLATIAS MEGJEGYZÉS A VÁKUUMRENDSZEREK GÁZFORRÁSAIRÓL VÁKUUMMÉRİK (ÖSSZNYOMÁSMÉRİK VACUUM GAUGES) MECHANIKUS VÁKUUMMÉRİK Bourdon-csöves vákuummérı Zárt terő (kapszula) vákuummérı Membrános vákuummérı (diaphragm gauge) Kapacitás vákuummérı (capacitance gauge) Piezoellenállás mérıfej VISZKOZITÁSON ALAPULÓ (FORGÓGOLYÓS) VÁKUUMMÉRİ FOLYADÉKOSZLOPOS NYOMÁSMÉRİK Nyitott végő folyadékoszlopos nyomásmérı Zárt végő folyadékoszlopos nyomásmérı Kompressziós (McLeod típusú) vákuummérı HİVEZETÉSEN ALAPULÓ VÁKUUMMÉRİK Pirani vákuummérı 107

5 Termokeresztes vagy termopár vákuummérı (thermocouple) IONIZÁCIÓS VÁKUUMMÉRİK Izzókatódos ionizációs vákuummérık fajtái Koncentrikus trióda típusú ionizációs vákuummérı Ionizációs vákuummérı közepes vákuum tartományra Bayard-Alpert típusú (BA) ionizációs vákuummérı Modulátoros Bayard-Alpert ionizációs vákuummérı Extraktoros ionizációs vákuummérı Egyéb izzókatódos ionizációs vákuummérık Hidegkatódos ionizációs vákuummérık Penning-típusú vákuummérı Hidegkatódos invertált magnetron vákuummérı Hidegkatódos magnetron vákuummérı Megjegyzések a hidegkatódos vákuummérık Használatához VÁKUUMMÉRİK HITELESÍTÉSE Dugattyús nyomásmérı Higanyos vákuummérık Sztatikus módszer Direkt összehasonlítás nyomásstandarddal Sztatikus expanzió módszere Dinamikus módszer Direkt összehasonlítás nyomásstandarddal Dinamikus expanzió állandó vezetıképességgel Molekulanyaláb módszer PARCIÁLISNYOMÁS-MÉRİK (TÖMEGSPEKTROMÉTEREK) MÁGNESES TÖMEGSPEKTROMÉTER KVADRUPÓL TÖMEGSPEKTROMÉTER HÁROMDIMENZIÓS KVADRUPÓL TS - (IONCSAPDA) REPÜLÉSI-IDİ TÖMEGSPEKTROMÉTER IONREZONANCIA SPEKTROMÉTEREK PARCIÁLIS NYOMÁS MÉRÉSE OPTIKAI ÉS FÉLVEZETİ ESZKÖZÖKKEL A TÖMEGSPEKTROMÉTER JELEINEK KIÉRTÉKELÉSE MARADÉKGÁZ ANALÍZIS LYUKKERESÉS NYOMÁSNÖVEKEDÉS MÓDSZERE NAGYNYOMÁSÚ (BUBORÉKOS) MÓDSZER LYUKKERESÉS VÁKUUMMÉRİVEL Lyukkeresés Pirani vákuummérıvel Lyukkeresés ionizációs vákuummérıvel LYUKKERESÉS GETTER-ION SZIVATTYÚVAL HALOGÉNES LYUKKERESİ TÖMEGSPEKTROMÉTERES LYUKKERESÉS A tömegspektrométeres lyukkeresés alapmódszerei Néhány észrevétel a lyukkeresés gyakorlatához A szivárgás mértékének meghatározása 154

6 9. SZIVATTYÚK FOLYAMATOS TÉRFOGATVÁLTOZÁSOS SZIVATTYÚ (Positive displacement p.) Alternáló szivattyú (alternating displacement pump) olajos Dugattyús szivattyú (piston pump) olajkenéses Forgó ürítéses szivattyúk (rotary displacement p.) olajos Folyadékgyőrős szivattyú (liquid ring pump) Forgólapátos (rotációs) szivattyú (rotary vane pump) Csúszólapátos szivattyú (sliding vane pump) Trochoid (hengeres forgódugattyús) szivattyú (trochoid pump) Forgódugattyús (Kinney vagy Stokes) szivattyú (rotary piston vagy rotary plunger pump) Száraz kivitelő forgó ürítéses szivattyúk Roots szivattyú (Roots type rotary piston pump) Körmös szivattyú (Claw pump) Csavarszivattyú (Screw pump) Spirál vagy csigavonalas szivattyú (Scroll pump) Száraz kivitelő alternáló ürítéses szivattyúk Száraz dugattyús szivattyú (Dry piston pump) Membrán- (diafragma) szivattyú (diafragm pump) HAJTÓKÖZEGES SZIVATTYÚK (FLUID ENTRAINMENT PUMPS) Folyadéksugár szivattyú (liquid jet pump) Gızsugár-szivattyú (vapour jet pump) Fúvókás (ejektoros) szivattyú (ejector pump) Diffúziós szivattyú (diffusion pump) Kombinált diffúziós-fúvókás (búszter) szivattyú (booster pump) MOLEKULÁRIS SZIVATTYÚK Molekuláris szivattyú (molecular pump) Turbómolekuláris szivattyú Kombinált (hibrid) turbómolekuláris szivattyú (hybrid/compact turbo p. vagy turbo drag p.) Megjegyzések a (kombinált) turbómolekuláris szivattyúk használatával kapcsolatosan SZORPCIÓS SZIVATTYÚK (Sorption pumps) Adszorpciós szivattyú (Adsorption pump) Getterszivattyúk (Getter pumps) Szublimációs szivattyúk (Sublimation pumps) Nem párolgó (térfogati) getterek (Non Evaporable Getters, NEG) Szublimációs getter-ion szivattyú: Orbitron Porlasztásos getter-ion szivattyú (Sputter-ion pump) KRIOSZIVATTYÚK (Cryopumps) Krioszivattyúzási módszerek A krioszivattyúk jellemzı paraméterei Krioszivattyú fajták 214

7 10. TECHNIKAI ISMERETEK VÁKUUMTECHNIKAI ANYAGOK KÖTÉSEK, TÖMÍTÉSEK, ÁTVEZETİK Állandó kötések Oldható kötések Mozgásátvezetık Szigetelt átvezetık VÁKUUMTECHNIKAI ALKATRÉSZEK, ELEMEK VÁKUUMRENDSZEREK FELÉPÍTÉSE, ÜZEMELTETÉSE VÁKUUMRENDSZEREK Diffúziós szivattyús nagyvákuum-rendszer üzemeltetése Turbómolekuláris szivattyúval szívott nagyvákuum-rendszer üzemeltetése Egyéb UHV-rendszerek VÁKUUMRENDSZEREK MŐKÖDTETÉSÉVEL KAPCSOLATOS MEGJEGYZÉSEK TISZTÍTÁS TISZTÍTÁSI SZEMPONTOK TISZTÍTÁSI ELJÁRÁS ULTRANAGY-VÁKUUM (UHV) HASZNÁLATRA Szemrevételezés Fizikai tisztítás Sőrített levegıs fúvatás Gyöngyszórás Szén-dioxid havas fúvás Forgácsolás, köszörülés Polírozás Kémiai tisztítás Rozsdamentes acél Alumínium Réz Egyéb fémek Üveg Kerámiák Passziválás Speciális tisztító eljárások Ultrahangos tisztítás Elektropolírozás Plazma, parázskisülés (glow discharge) Kályházás levegın Módszerek a felületi tisztaság mérésére Újraszennyezés Megjegyzések FELADATMEGOLDÁS FÜGGELÉK HIVATKOZOTT IRODALOM JEGYZÉKE 265