380 likes | 660 Views
Plazma buzené za nízkého tlaku a jeho využití aneb fyzika věcí kolem nás. Mgr. Jan Čech, Ph.D., Masarykova univerzita 16.5.2014, Trenčianska univerzita Alexandra Dubčeka v Trenčíne. Nízkotlaké plazma kolem nás. Na technologiích založených na plazmatu za nízkého tlaku jsme již životně závislí
E N D
Plazma buzené za nízkého tlaku a jeho využitíanebfyzika věcí kolem nás Mgr. Jan Čech, Ph.D., Masarykova univerzita 16.5.2014,Trenčianska univerzita Alexandra Dubčeka v Trenčíne
Nízkotlaké plazma kolem nás • Na technologiích založených na plazmatu za nízkého tlaku jsme již životně závislí • Automobily - motor (dlc vrstvy), světla (paraboly, ochrana plastových světlometů), AR / anti-IR povlaky • Strojní součásti – povrchy řezných nástrojů • Mikroelektronika – veškeré procesy IO, displeje, AR povrchy čoček, … • Osvětlování – zářivky, neonové trubice, … Ref. Fig3 Ref. Fig4 Ref. Fig2 Ref. Fig1a,b
Plazma za nízkého tlaku? • Jak můžeme budit plazma? • Potřebujeme energii: • Tepelnou – prostě urychlíme těžké atomy/molekuly a ony nárazem povyráží nějaké elektrony – dělové koule (Sahova rovnice – ionizace za „normálních“ podmínek ~10-122!) • Elektrickou – urychlujeme nabité částice (lehké elektrony) – kulky z pušky
Plazma za nízkého tlaku? • Proč záleží na tlaku plynu ve kterém plazma budíme? • Protože „práce je dráhový účinek síly“ • Při buzení pomocí elektrické energie potřebujeme urychlit lehké elektrony na dostatečnou energii • W = Ek = F.d = q.E.d = q.U.d/D, kde d je dráha na níž elektron urychlujeme • No ale jak to souvisí s tlakem plynu?
K čemu je (nízkotlaké) plazma? • Zbraně hvězdných válek Ref. Fig5
K čemu je (nízkotlaké) plazma? • Zbraně hvězdných válek • K terapeutickým účelům – Postřižiny Ref. Fig6
K čemu je (nízkotlaké) plazma? • Zbraně hvězdných válek • K terapeutickým účelům – Postřižiny • K pohonu vesmírných plavidel Ref. Fig7
K čemu je (nízkotlaké) plazma? • Zbraně hvězdných válek • K terapeutickým účelům – Postřižiny • K pohonu vesmírných plavidel • Zdroj iontů a dalších aktivních částic Ref. Fig8
K čemu je (nízkotlaké) plazma? • Zbraně hvězdných válek • K terapeutickým účelům – Postřižiny • K pohonu vesmírných plavidel • Zdroj iontů a dalších aktivních částic • Zdroj záření Ref. Fig9
Přehled dnešní přednášky • První část: Vakuové technologie • Druhá část: Plazmové technologie
Plazma je kdyŽ... • Plazma je … „kvazineutrální ionizovaný plyn vykazující kolektivní chování“ • Ionizovaný = musím nějak vyrobit nabité částice = musím dodat energii • Kvazineutrální = kladných i nabitých částic je „z dálky“ stejně • Kolektivní chování = musím vyrobit dostatečný počet nabitých částic, aby dynamiku plynu ovlivňovaly elektrické/magnetické interakce
OK, co tedy je ten „nízký tlak“? • Horní mez tlaku: • Při zvyšování tlaku se mění „chemie“ plazmatu – zvyšuje se význam tzv. „trojných“ srážek (typicky ~103..4 Pa) – např. rekombinace na stěnách vs. v objemu • Při hodnotách p.d > 200 Torr.cm se mění charakter zapalování výbojů (Townsendův na streamerovský – materiál katody již nehraje roli) … p.d > 26 kPa.cm
OK, co tedy je ten „nízký tlak“? • Dolní mez tlaku: • Při příliš nízkém tlaku proběhne urychlovaný elektron výbojový prostor, aniž by se s čímkoliv srazil → nemůže ionizovat a tudíž nezapálí výboj (typicky ~10-1..10-2 Pa)
Plyn pod mikroskopem • Plyn je tvořen velkým množstvím pohybujících se částic -> ty se srážejí navzájem a dopadají také na stěnu nádoby v níž je plyn uzavřen – vyvolávají „tlak plynu“ • Kolik částic je za normálních podmínek v 1 cm3? • NL = 2,9 x 1019 (= NA/Vm) • Jakým způsobem se částice plynu pohybují a jak se to projevuje?
Plyn pod mikroskopem • Jaká je rychlost částic plynu? • Individuální! Plyn se navenek chová kompaktně, ale… • Rychlosti částic závisí na kinetické teplotě plynu a řídí se tzv. Boltzmann-Maxwellovým rozdělením (obrázek) • Rychlosti nabývají hodnot z intervalu (0 – ∞) – statisticky pak definujeme: nejpravděpodobnější/střední kvadratickou/střední aritmetickou rychlost • V jakkoliv teplém plynu jsou velice pomalé i velice rychlé částice – není jich zpravidla mnoho, ale hrají významnou roli Ref. Fig10
Plyn pod mikroskopem • Jeden velký biliár! • Pro danou teplotu a koncentraci částic je možné definovat „střední volnou dráhu mezi srážkami“ • Kolik částic tedy dopadá na jednotku plochy? • Nu = ¼ n.va – srážková frekvence • Aby se mohli odrazit, musí se „stěnou“ interagovat – při zachování hybnosti částic to znamená silové působení = • Tlak plynu …
Divoký kulečník kolem nás • Střední volná dráha (mezi dvěma po sobě jdoucími srážkami) • Závisí na: • Počtu terčů (hustota plynu – n) a velikosti projektilu – d • Rychlosti projektilů (teplota plynu – T) • Platí stavová rovnice: p =nkT, kde p je tlak plynu • Tj. p ↘, pak n ↘ a tedy d ↗ • Ek = F.d = q.E.d = q.U.d/D
Co tedy znamená, když snížíme tlak? • Ze stavové rovnice plyne: p↘ → n↘ • Snížení koncentrace → prodloužení střední volné dráhy (s = v * t →λ = vs * τ = vs/ ν snížení srážkové frekvence) • Tj. částice má více času mezi srážkami! A tedy více „času“ získat dostatečnou energii! • Srážkové frekvence jsou často užívanou veličinou pro klasifikaci procesů v plazmatu – hovoří o dominanci těch, či oněch procesů.
Historie nízkého tlaku • Vakuum – z lat. volně jako „chybějící/prázdný“ • odtud slovo „vzduchoprázdno“ • 1643 – první vakuum (E. Torricelli) • 1654 – veřejná demonstrace – Magdeburské koule (O. von Guericke) • 1855 – výboje v plynech, rtuťová vývěva (Geissler) • 1892 – Fleussova pístová vývěva Ref. Fig11 Ref. Fig12 Ref. Fig12
Historie nízkého tlaku 1745 – von Kleist: Leydenská láhev 1752 – Franklin: blesk, jako elektřina 1860 – Maxwell: střední volná dráha 1876 – Goldstein: Katodové paprsky 1880 – de la Rue: Paschenův zákon 1905 – Einstein: difúze nabitých částic 1925 – Langmuir: sheath 1928 – Langmuir: plasma 1929 – Debye: stínění – D. délka Ref. Fig14
Jak se tedy nízký tlak projevuje Ref. Fig15
Jak mohu nízký tlak získat • Musím nízký tlak získat • Používáme speciální zařízení - vývěvy • Musím nízký tlak udržet • Používáme velké a drahé vakuové nádoby • Používáme různě kvalitní těsnění • Musím umět nějak detekovat, že již nízký tlak mám a že nikde nemám „díry“ • Používáme manometry
Důležité charakteristiky vývěv • Výstupní tlak • Mezní tlak • Čerpací rychlost • Kapalina/Suchá vývěva • Provozní podmínky (teplota, hluk, vibrace) Ref. Fig16ab
vývěvy – získání nízkého tlaku • Transportní • Pístová/membránová (p .. 10 Pa / 10-2 Pa, od patm) • Rootsovy (p .. 10-3Pa, od p .. 102 Pa, příp. vícestupň. patm) • Turbomolekulární (p .. 10-9Pa, od p .. 101 Pa) • Rotační (p .. 10-2Pa, od patm, olej – tenze par do 10-3 Pa) • Difuzní (p .. 10-7Pa, předčerpání rot. Vývěvou, olej – tenze par!) • Iontové (p .. 10-4Pa, od p .. 10-1 Pa, čistá, bez vibrací – urychlení ionizovaných částic elektrickým polem (doutnavý výboj))
vývěvy – Membránová, Rootsova Ref. Fig17ab
vývěvy – Rotační Ref. Fig18a
vývěvy – Difúzní Ref. Fig19a
vývěvy – Turbomolekulární Ref. Fig20a
vývěvy – iontová Ref. Fig21a
vývěvy – získání nízkého tlaku • Netransportní • Sorpční (Zeolit, kryosorpce) • Getrové
Měření tlaku plynu • Obor tlaků, citlivost, přesnost, setrvačnost, vliv na plyn (tlak, složení) • Absolutní • Kapalinový manometr – U-trubice (Hg, olej) (p .. 105-10-1 Pa) • Kompresní McLeodův m. – zpřesnění U-trubice, p = KhH(p .. 102-10-4Pa), neměří spojitě, Hg! • Mechanické – membránové, vlnovcové(p .. 105-133 Pa) • Elektrické – kapacitní membránové (p .. 105-10-3Pa), piezo(p .. 105-101Pa), chyba < 1 %, kalibrační manometr
Měření tlaku plynu • Nepřímé • Odporový (Pirani), jednoduchý, (p .. 105-10-2Pa), chyba 15 %, závisí na plynu a teplotě okolí! • Ionizační (výbojka, čítač nabitých částic – proud), (p .. 101-10-9(10)Pa), chyba 15-30 %, závisí na plynu a teplotě, rozprašování elektrod, mění složení i tlak měřeného plynu Ref. Fig22
Kapalinové manometry Ref. Fig23ab
Manometry ionizační (Penningův) Ref. Fig24a
Vakuové nádoby– udržení nízkého tlaku • těsnost • průnik vodíku • těsnění • předkomory – load-lock • tvar – čerpací rychlost / odpor vedení, povrch = odplyňování (a ze všeho nejhorší nejsou trpaslíci, ale voda) • tenze par Ref. Fig25 Ref. Fig26 Ref. Fig27