Vákuumtechnika Bevezetés, történet. Csonka István Frigyes Dávid

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

Download "Vákuumtechnika Bevezetés, történet. Csonka István Frigyes Dávid"

Zoltán Deák
5 évvel ezelőtt
Látták:

1 Vákuumtechnika Bevezetés, történet Csonka István Frigyes Dávid 1

2 A speci célja Alapvető vákuumtechnikai ismeretek megszerzése (elmélet/gyakorlat, kvalitatív/kvantitatív ismeretek) Ne féljünk tőle (vö. horror vacui), ugyanakkor ne csináljunk hülyeséget (anyagok, technikai megoldások) Azért érdemes mestertől tanulni vizsga 2

3 A speci felépítése 1. Bevezetés, célkitűzések, áttekintés (FD, CSIP) Rekurzió: lásd önhivatkozás. 2. Elméleti alapok (FD) Kinetikus gázelmélet, ütközési szám. Gázok hő- és elektromos vezetése, részecsketranszport. 3. Elővákuum szivattyúk és vákuummérők (CSIP) Térkiszorításos és egyéb szivattyúk. Abszolút és egyéb nyomásmérés. 4. Nagy- és ultranagyvákuum szivattyúk és vákuummérők (FD) 3

4 A speci felépítése 5. Anyagok (CSIP) Mit mibül? Mindennek van gőznyomása. Fém, műanyag, kerámia, üveg, olaj, zsír. 6. Alkatrészek, komponensek (CSIP) Mi van készen? Mit kell megcsinálni? Szabványok és más furmányok. 7. Preparatív vákuumrendszerek (CSIP) Rota, vacuum-line, fématom reaktor, CVD. 8. Nagyvákuum-rendszerek (FD) Ütközés nélkül, csak molekulárisan. 4

5 A speci felépítése 9. Ultranagyvákuum-rendszerek (FD) Tiszta felületek. 10.Vákuumrendszerek tervezése, kivitelezése, karbantartása (CSIP) 11.Hibakeresés, lyukkeresés (FD) 12.UHV-rendszerek szemügyre vétele (FD, CSIP) 5

6 Mi a vákuum? (I) Gyakorlati szempontból: olyan tér, amelynek nyomása kisebb, mint a környezeté (esetleg: mint az átlagos légnyomás) 6

7 Nyomásegységek SI: 1 Pa ( 1 N/m 2 ) 1 bar=10 5 Pa (1 mbar=1 hpa 1/1000atm) 1 atm=1,013 bar 1 torr=1 mmhg=1/760 atm (1 psi (psia, lbs; font/hüvelyk 2 )= 1/14,7 atm) (1 inchhg=1/30 atm) vízoszlopmm 7

8 Gyakori félreértések Mérő palackon/vákuumrendszerben nyomás/túlnyomás 10-6 mbar? Hogy bírja ki azt az anyag? p számít az anyag szempontjából, így 20mmHg és 10 6 között a különbség <3% Csak egy pillanatra nyitom ki a csapot 1cm 3 -nyi 1 atm + 1m : 1,

9 Mi van a vákuumrendszerben? Vacuus (3), űr, vide, vuoto: üres mégis levegő (78% N 2, 21% O 2, <1% Ar, 0,03% CO 2 ) víz más Honnan? egyetlen szivattyú sem tökéletes lyukak falak (deszorpció) párolgás 9

10 10

11 Mi a vákuum? (II) Elméleti szempontból: olyan tér, amelyben a közepes szabad úthossz nagyobb, mint az edény karakterisztikus mérete Közepes szabad úthossz (λ): Az a távolság, amelyet a részecske két részecskével való ütközés között megtesz. 11

12 Áramlás lyukon p=0 p=0 Knudsen-szám Viszkózus áramlás Molekuláris áramlás Kn < 0,01 λ Kn = Kn > 1 L visszaáramlás!!! Az edény karakterisztikus mérete 12

13 Gázmolekulák átlagos sebessége M=200,T=300K, v m =158m/s M=200,T=1000K, v m =288m/s 2RT v m = M f(v) O 2,T=300K, v m =395m/s O 2,T=1000K, v m =721m/s H 2,T=300K, v m =1580m/s v (m/s) 13

14 Vákuumrendszerek csoportosítása I. Elő(durva)vákuum 1 atm>p>10-3 sok ütközés term. egyensúly elektromos vezetés kém. reakciók preparatív feladatok, előszívás Nagyvákuum 10-5 >p>10-8 kevés ütközés hővez. kicsi csak unimol. gázf. műszerek Ultranagy-vákuum p<10-8 fallal is ritka ua. felületi reakciók felületi anal., -prep., MBE 14

15 Vákuumrendszerek csoportosítása II. N 2, 300K Atmoszféra Elővákuum Nagyvákuum Ultranagyvákuum Nyomás (mbar) db-sűrűség (db/cm 3 ) szabad úthossz (m) mol. ütk. (/s cm 3 ) fallal való ütk. (/s cm 2 ) monoréteg kialakulása (s) ~p ~1/p ~p 2 ~p ~1/p

16 Gázok hővezetése Szállított teljesítmény/w hősugárzás lineáris tartomány P~ρ~p P~λ~1/p p/mbar 16

17 Gázok elektromos vezetése Átütési szilárdság/v szigetelőkre az ellenállás nem jó mennyiség ~10-3 p/mbar 17

18 Mire jó a vákuum(technika)? Ionok, szabad elektronok, vákuum-uv fotonok, fókuszált lézernyalábok, stb. Reaktív anyagok (pl. szabad gyökök, sajt) Valóban tiszta felületek előállítása Forráspont, szublimációs pont csökkentése Hővezetés csökkentése 18

19 Hol használjuk? Műszerek kémiai analitika, szerkezetkutatás (MS, UPS) felületanalitika (XPS, STM, LEED ) Preparatív feladatok vákuumdesztillácó CVD Felületi vizsgálatok katalizátorkutatás Egyéb fényforrások mikroelektronika hőszigetelés (vö. termosz) elektroncső liofilizálás űrkutatás 19

20 Egy általános vákuumrendszer felépítése 20

21 Történeti áttekintés Már a régi görögöknél találjuk a vákuumot Horror vacui (Arisztotelész) és szivattyú Galilei. Miért nem lehet akármilyen mélyről felszivattyúzni a vizet? 1643 Torricelli 1648 Pascal - tényleg a légnyomás nyomja fel a Hg-t (torricelli-barométer torricelli-űrben) 21

22 Történeti áttekintés 1657 Otto von Guericke (dugattyús szivattyú) 22

23 Történeti áttekintés 1692 Papin gőzgépe 1698 Savery gőzgépe 1712 Newcomen gőzgépe ~1780 Watt gőzgépe (kondenzátor, fáradtgőzös szélfrissítés) 1866 Otto-Langen gázmotor Amúgy: dugattyús szivattyúk (Toepler), vízsugár-szivattyú, mérsékelt ipari érdeklődés 23

Ma elővákuumnak nevezett nyomástartomány (átlagos szabad úthossz jóval kisebb

24 Történeti áttekintés XIX. század vége: igazi vákuumtechnika születése. Hajtóerő: izzólámpa (1879). Ma elővákuumnak nevezett nyomástartomány (átlagos szabad úthossz jóval kisebb az eszköz karakterisztikus méreténél). Izzólámpában getter alkalmazása. Térkiszorításos szivattyúk (W. Gaede), abszolút nyomásmérés. 24

25 Történeti áttekintés 1913 molekuláris szivattyú (Gaede; turbószivattyúk őse) gőzdiffúziós szivattyú ötlete és megvalósítása Hg-val (Gaede, Langmuir) 25

26 Történeti áttekintés E két szivattyú tipussal elérhetővé vált a nagyvákuum tartomány (elektroncső), a vákuumtechnika felnőtt. Közben: nem-abszolút nyomásmérés (hővezetés, viszkozitás, ionizálhatóság) 1928 Alkánok, ftalátok, szebacátok alkalmazása gőzdiffúziós szivattyúban. 26

Történeti áttekintés 1930-as években valószínűleg elérik az ultranagy-vákuum tartományt (monoréteg kialakulása órás nagyságrendben) Vákuum vegyipari,

27 Történeti áttekintés 1930-as években valószínűleg elérik az ultranagy-vákuum tartományt (monoréteg kialakulása órás nagyságrendben) Vákuum vegyipari, élelmiszeripari alkalmazása 1940-es években ionizációs és titánszublimációs szivattyú 1960-as évek végén turbomolekuláris szivattyú Olajmentes rendszerek Vákuum mindenütt 27

Hasonló dokumentumok

Vákuumtechnika Nagy- és ultranagyvákuumszivattyúk/mérők. Csonka István Frigyes Dávid

Vákuumtechnika Nagy- és ultranagyvákuumszivattyúk/mérők Csonka István Frigyes Dávid 1 Szivattyúk működése kompresszió elővákuumszivattyúknál a kivont térfogatot atmoszféra fölé kell komprimálni, nagyvákuumszivattyúknál