Bohátka Sándor: VÁKUUMFIZIKA ÉS -TECHNIKA

Átírás

1

2 Bohátka Sándor: VÁKUUMFIZIKA ÉS -TECHNIKA Második, átdolgozott kiadás Tankönyv Információk: Megrendelés: ELFT titkárságán (1092 Budapest, Ráday u. 18. fsz. 3., tel.: , ELŐSZÓ A MÁSODIK KIADÁSHOZ A példányszámok elfogyása tette szükségessé a tankönyv második kiadását. Ekkor viszont már felhasználtuk az alkalmat néhány helyen az észlelt hibák kijavítására, didaktikailag előnyösebbnek vélt megoldásokra, pontosításokra és kb. 18%-os bővítésre. Egyébként az első kiadás mondanivalóját továbbra is változatlanul érvényesnek tartjuk a Bevezetéstől a Köszönetnyilvánításon át a legvégéig. E megjegyzéssel kísérve tesszük közzé a második kiadást abban a reményben, hogy hasznát veszi az olvasó. Debrecen, január 19. RÉSZLET A BEVEZETŐBŐL A SZERZŐ A tankönyv rendeltetése: Alapismereteket adni a vákuumfizika és technika tárgykörében. Szándékaink szerint azoknak szól, akik most ismerkednek e területtel, illetve önképzéssel megtanultak sok mindent, de ismereteik hiányosak, és rendszerezésre szorulnak. A tankönyv célja: Az olvasó megismerje az alapvető fogalmakat, a vákuum előállításának és mérésének módjait, ezek fizikai hátterét, a vákuumtechnikában használatos legfontosabb szerkezeti elemeket, anyagokat, a vákuumrendszerek felépítését és működtetését, továbbá a tervezéshez tudjon számolni néhány alapvető 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 jellegű magyar nyelvű könyv nem állt rendelkezésre. Ezért az idegen nyelvű alapművekből és a részletekkel foglalkozó közleményekből merítve, valamint saját anyagunk alapján állítottuk össze ezt a tankönyvet. E munka magját lényegében egy több mint két évtizede tartó egyetemi féléves kurzus anyaga szolgáltatja, amelyet kiegészített a IUVSTA Technical Training Course keretében 2006-ban Debrecenben tartott Gyakorlati Vákuumtechnikai Tanfolyam és további 3 tanfolyam témaköre. A tankönyv módszere: Középfokú ismeretekre épít, mert az oktatás során ez volt a közös nevező, 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 céljából törekszünk létező, hozzáférhető eszközök ábráit, paramétereit bemutatni példaként. Éppen a kutatásra szoruló témák és az alkalmazások sokrétűsége, gazdagsága az oka, hogy minden igényt nem elégíthetünk ki sem képességünk, sem a keret adta lehetőségünk szűkössége 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 HALMAZÁLLAPOTOK, A GÁZ MENNYISÉGÉT, ÁLLAPOTÁT MEGHATÁROZÓ FIZIKAI MENNYISÉGEK ÉS MÉRTÉKEGYSÉGEIK HALMAZÁLLAPOTOK A GÁZ MENNYISÉGÉT, ÁLLAPOTÁT MEGHATÁROZÓ FIZIKAI MENNYISÉGEK ÉS MÉRTÉKEGYSÉGEIK A KINETIKUS GÁZELMÉLET ALAPJAI AZ IDEÁLIS ÉS A REÁLIS GÁZOK MODELLJE ÉS TÖRVÉNYEI Ideális gázok Reális gázok SEBESSÉGELOSZLÁS ENERGIAELOSZLÁS KÖZEPES SZABAD ÚTHOSSZ, ÜTKÖZÉSEK Közepes szabad úthossz Gázok ütközése Közepes szabad úthossz kísérleti meghatározása RÉSZECSKEÁRAM, TÉRFOGATI ÁRAM GÁZOK NYOMÁSA GÁZSZÁLLÍTÁS KÉT EDÉNY KÖZÖTTI KIS NYÍLÁSON ÁT Részecskeáram (részecskefluxus), q N kis nyíláson át A szállított gáztömeg (tömegáram, tömegfluxus) q m A szállított gáztérfogat (térfogati gázáram): q V TRANSZPORT JELENSÉGEK DIFFÚZIÓ BELSŐ SÚRLÓDÁS (VISZKOZITÁS) GÁZOKBAN HŐVEZETÉS GÁZOKBAN GÁZOK ÁRAMLÁSA ÁRAMLÁSI TARTOMÁNYOK Viszkózus (kontinuum) áramlás Molekuláris áramlás Átmeneti áramlás GÁZÁRAM, SZÍVÓSEBESSÉG. SZIVATTYÚZÓ KÉPESSÉG (GÁZSZÁLLÍTÁS) Szívósebesség mérése GÁZVEZETÉKEK ÁRAMLÁSI ELLENÁLLÁSA, VEZETŐKÉPESSÉGE A SZIVATTYÚ EREDŐ ÉS TÉNYLEGES SZÍVÓSEBESSÉGE A szivattyú és a hozzácsatolt vezeték eredő szívósebessége Gázbeömlés hatása a szivattyú tényleges (effektív) szívósebességére ÁRAMLÁS KIS, VÉKONY FALVASTAGSÁGÚ NYÍLÁSON ÁT Lamináris áramlás kis, vékony falú nyíláson át Gázmennyiség-áram Vezetőképesség levegőre Szívósebesség Molekuláris áramlás kis, vékony falú nyíláson át MOLEKULÁRIS ÁRAMLÁS NAGY, VÉKONY FALÚ NYÍLÁSON ÁT ÁRAMLÁS CSÖVEKBEN Lamináris áramlás hosszú csövekben 64

4 Átmenet a molekuláris és lamináris tartomány között csövekben (Knudsen-áramlás) Molekuláris áramlás csövekben Rövid cső vezetőképessége molekuláris áramlásban Molekuláris áramlás csövön keresztül általános leírás Transzmissziós módszer a vezetőképesség meghatározására molekuláris áramlásban Más módszerek a vezetőképesség meghatározására RECIPIENS LESZÍVÁSI IDEJE GÁZOK ÉS KONDENZÁLT ANYAGOK KÖLCSÖNHATÁSA GÁZFORRÁSOK A VÁKUUMRENDSZERBEN GŐZÖK, PÁROLGÁS, KONDENZÁCIÓ Gázok kötődése a kondenzált anyag felületéhez Párolgás Párolgási áram sűrűsége SZORPCIÓ ÉS DESZORPCIÓ Szorpciós jelenségek, alapfogalmak Az adszorpció és deszorpció kinetikája Adszorpciós sebesség (adszorpciós részecskeáram sűrűség) Deszorpciós sebesség (deszorpciós részecskeáram sűrűség) Monomolekuláris réteg adszorpciója, Langmuir-féle adszorpciós izoterma Monomolekuláris adszorbeált réteg kialakulásának ideje ( monoréteg-idő ) Többrétegű adszorpció: Brunauer-Emmelt-Teller (BET) izoterma Abszorpció, gázelnyelés (okklúzió) GÁZDIFFÚZIÓ A SZERKEZETI ANYAGOK FALÁBÓL PERMEÁCIÓ NÉHÁNY GYAKORLATIAS MEGJEGYZÉS A VÁKUUMRENDSZEREK GÁZFORRÁSAIRÓL VÁKUUMMÉRŐK (ÖSSZNYOMÁSMÉRŐK VACUUM GAUGES) MECHANIKUS VÁKUUMMÉRŐK Bourdon-csöves vákuummérő Zárt terű (kapszula) vákuummérő Membrános vákuummérő (diaphragm gauge) Kapacitás vákuummérő (capacitance gauge) Piezoellenállás vákuummérő VISZKOZITÁSON ALAPULÓ (FORGÓGOLYÓS) VÁKUUMMÉRŐ FOLYADÉKOSZLOPOS NYOMÁSMÉRŐK Nyitott végű folyadékoszlopos nyomásmérő Zárt végű folyadékoszlopos nyomásmérő Kompressziós (McLeod típusú) vákuummérő HŐVEZETÉSEN ALAPULÓ VÁKUUMMÉRŐK Pirani vákuummérő Termokeresztes vagy termopár vákuummérő (thermocouple) IONIZÁCIÓS VÁKUUMMÉRŐK Az ionizációs vákuummérők hibaforrásai Az izzókatódos ionizációs vákuummérők fajtái Koncentrikus trióda típusú ionizációs vákuummérő Ionizációs vákuummérő közepes vákuum tartományra Bayard-Alpert típusú (BA) ionizációs vákuummérő Modulátoros Bayard-Alpert ionizációs vákuummérő Extraktoros ionizációs vákuummérő 134

5 Egyéb izzókatódos ionizációs vákuummérők Hidegkatódos ionizációs vákuummérők Penning-típusú vákuummérő Korszerű hidegkatódos ionizációs vákuummérők 140 A. A Penning-elrendezés hibáinak kiküszöbölése 140 B. A hidegkatódos vákuummérők sajátosságai 142 C. Különlegesen érzékeny hidegkatódos vákuummérők 144 D. Kombinált mérőfejek VÁKUUMMÉRŐK HITELESÍTÉSE Dugattyús nyomásmérő Higanyos vákuummérők Sztatikus módszer Direkt összehasonlítás nyomásstandarddal Sztatikus expanzió módszere Dinamikus módszer Direkt összehasonlítás nyomásstandarddal Dinamikus expanzió állandó vezetőképességgel Molekulanyaláb módszer PARCIÁLISNYOMÁS-MÉRŐK (TÖMEGSPEKTROMÉTEREK) MÁGNESES TÖMEGSPEKTROMÉTER KVADRUPÓL TÖMEGSPEKTROMÉTER HÁROMDIMENZIÓS KVADRUPÓL TS - (IONCSAPDA) REPÜLÉSI-IDŐ TÖMEGSPEKTROMÉTER IONREZONANCIA SPEKTROMÉTEREK PARCIÁLIS NYOMÁS MÉRÉSE OPTIKAI ÉS FÉLVEZETŐ ESZKÖZÖKKEL A TÖMEGSPEKTROMÉTER JELEINEK KIÉRTÉKELÉSE MARADÉKGÁZ ANALÍZIS LYUKKERESÉS NYOMÁSNÖVEKEDÉS MÓDSZERE Leszívásos módszer NAGYNYOMÁSÚ (BUBORÉKOS) MÓDSZER LYUKKERESÉS VÁKUUMMÉRŐVEL Lyukkeresés Pirani vákuummérővel Lyukkeresés ionizációs vákuummérővel LYUKKERESÉS GETTER-ION SZIVATTYÚVAL HALOGÉNES LYUKKERESŐ TÖMEGSPEKTROMÉTERES LYUKKERESÉS A tömegspektrométeres lyukkeresés alapmódszerei Néhány észrevétel a lyukkeresés gyakorlatához A szivárgás mértékének meghatározása Hidrogénes lyukkeresés SZIVATTYÚK(Pumps) FOLYAMATOS TÉRFOGATVÁLTOZÁSOS SZIVATTYÚ (Positive displacement p.) Alternáló szivattyú (alternating displacement pump) olajos Dugattyús szivattyú (piston pump) olajkenéses Forgó ürítéses szivattyúk (rotary displacement p.) olajos, vizes Folyadékgyűrűs szivattyú (liquid ring pump) Forgólapátos (csúszólapátos, rotációs) szivattyú [rotary (sliding) vane pump] Trochoid (hengeres forgódugattyús) szivattyú (trochoid pump) Forgódugattyús (Kinney vagy Stokes) szivattyú

6 (rotary piston vagy rotary plunger pump) Száraz kivitelű forgó ürítéses szivattyúk Roots szivattyú (Roots type rotary piston pump, mechanical booster pump) Körmös szivattyú (Claw pump) Csavarszivattyú (Screw pump) Spirál vagy csigavonalas szivattyú (Scroll pump) Száraz forgólapátos szivattyú Száraz kivitelű alternáló ürítéses szivattyúk Száraz dugattyús szivattyú (Dry piston pump) Membrán- (diafragma) szivattyú (diafragm pump) HAJTÓKÖZEGES SZIVATTYÚK (FLUID ENTRAINMENT PUMPS) Folyadéksugár szivattyú (liquid jet pump) Gőzsugár-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 turbo p. vagy turbo drag p.) Megjegyzések a (kombinált) turbómolekuláris szivattyúk használatával kapcsolatosan Osztott szívású (split flow) turbómolekuláris sziv Oldalcsatornás szivattyú (side channel pump, OnTool Booster) 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) 240 A. Dióda típusú getter-ion szivattyú 240 B. Nemesgáz-dióda típusú getter-ion szivattyú 242 C. Trióda típusú getter-ion szivattyú 242 D. Szublimációs és porlasztásos szivattyú kombinációja KRIOSZIVATTYÚK (Cryopumps) Krioszivattyúzási módszerek A krioszivattyúk jellemző paraméterei Krioszivattyú fajták TECHNIKAI ISMERETEK VÁKUUMTECHNIKAI ANYAGOK Gőznyomás Kigázosodás Permeáció KÖTÉSEK, TÖMÍTÉSEK, ÁTVEZETŐK Állandó kötések Oldható kötések Csatlakozások, átvezetők Csőmembránok (bellows) Hosszanti és forgó mozgásátvezetők (feedthroughs) Szigetelt átvezetők Szigetelt átvezetők 230

7 10.3. VÁKUUMTECHNIKAI ALKATRÉSZEK, ELEMEK VÁKUUMRENDSZEREK FELÉPÍTÉSE, ÜZEMELTETÉSE VÁKUUMRENDSZEREK Diffúziós szivattyús nagyvákuum-rendszer üzemeltetése Turbómolekuláris szivattyúval szívott nagyvákuum-rendszer üzemeltetése Példák egyéb UHV-rendszerekre VÁKUUMRENDSZEREK MŰKÖDTETÉSÉVEL KAPCSOLATOS MEGJEGYZÉSEK TISZTÍTÁS TISZTÍTÁSI SZEMPONTOK TISZTÍTÁSI ELJÁRÁS ULTRANAGY-VÁKUUM (UHV) HASZNÁLATRA Szemrevételezés Fizikai tisztítás Sűrített levegős 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 levegőn Módszerek a felületi tisztaság mérésére Újraszennyezés Megjegyzések FELADATMEGOLDÁS FÜGGELÉK HIVATKOZOTT IRODALOM JEGYZÉKE 309