Technika wysokiej próżni

1. Technika wysokiej próżni Podstawowe procesy fizyczne związane z technologią próżni Piotr Legutko

2. Plan prezentacji • podstawowe pojęcia • przemiany gazu doskonałego • zarys teorii kinetycznej gazów • oddziaływanie cząsteczek gazu z powierzchnią • gaz w ciele stałym

3. ciśnienie gazu zasady termodynamiki temperatura gazu Podstawowe pojęcia

4. Próżnia w liczbach • Jednostki • 1 mbar = 100 Pa • 1 Torr = 131,6 Pa = 1 mm Hg • 1 mbar = 0,76 Torr • Zakresy próżni • Niska 105 – 102 Pa • Średnia 102 – 10-1 Pa • Wysoka 10-1 – 10-6 Pa • Bardzo wysoka (UHV) 10-6 – 10-10 Pa • Ekstremalnie wysoka (XHV) poniżej 10-10 Pa • Rekord próżni • 1,3·10-11 Pa

5. Przemiana izotermiczna Przemiana izochoryczna Przemiana izobaryczna Przemiana adiabatyczna Przemiany gazu doskonałego

6. Liczba Avogadro Koncentracja (gęstość liczbowa) Ilość gazu

7. Równanie stanu gazu doskonałego (Równanie Clapeyrona) Równanie stanu gazu rzeczywistego Równania stanu gazu

8. Parowanie Równanie Clausiusa - Clapeyrona

9. Zarys teorii kinetycznej gazów • gaz jest złożony z niezmiernie małych atomów i/lub cząsteczek • cząsteczki te są w nieustannym ruchu • energia wewnętrzna gazu jest energią kinetyczną wszystkich rodzajów ruchów wszystkich jego cząsteczek Założenia

10. Zarys teorii kinetycznej gazów Rokład Maxwella-Boltzmanna

11. Zarys teorii kinetycznej gazów Ciśnienie gdzie: n – gęstość liczbowa k – stała Boltzmanna T – temperatura

12. Zarys teorii kinetycznej gazów Strumień gazu gdzie: p – ciśnienie m – masa k – stała Boltzmanna T – temperatura

13. Zarys teorii kinetycznej gazów Średnia energia kinetyczna gdzie: k – stała Boltzmanna T – temperatura

14. Zarys teorii kinetycznej gazów Średnia prędkość gdzie: k – stała Boltzmanna T – temperatura m – masa

15. Zarys teorii kinetycznej gazów Częstość zderzeń gdzie: d – średnica efektywna k – stała Boltzmanna T – temperatura m – masa n – gęstość liczbowa

16. Zarys teorii kinetycznej gazów Średnia droga swobodna gdzie: n – gęstość liczbowa d – średnica efektywna

17. Zarys teorii kinetycznej gazów Wartości n, l, J dla różnych p na przykładzie N2 w 295K

18. Oddziaływanie cząsteczek gazu z powierzchnią • elektrostatycznych • indukcyjnych • dyspersyjnych Cząsteczka znajdująca się w pobliżu powierzchni jest pod wpływem pola sił: Powodują one przyciąganie cząsteczki

19. Oddziaływanie cząsteczek gazu z powierzchnią ... ale w miarę zbliżania zaczynają działać siły odpychania...

20. E odpychanie r przyciąganie Oddziaływanie cząsteczek gazu z powierzchnią Potencjał Lenarda-Jonesa:

21. Chemisorpcja Fizysorpcja Oddziaływanie cząsteczek gazu z powierzchnią Adsorpcja

22. Epot EDYS D (A---A) Eads Qchem. r Qfiz Fizysorpcja cząsteczkowego wodoru 2A Chemisorpcja atomowego wodoru Oddziaływanie cząsteczek gazu z powierzchnią

23. Oddziaływanie cząsteczek gazu z powierzchnią • Wzrost stopnia wysycenia powierzchni • adsorpcja • dyfuzja z wnętrza ciała stałego na powierzchnię • Spadek stopnia wysycenia powierzchni • desorpcja • Czas życia w stanie zaadsorbowanym (wzór Frenkla) T = 295K τ0 – odpowiada okresowi drgań sieci atomów ciała stałego (10-13 s) Ts – temperatura powierzchni Ed – energia desorpcji

24. Oddziaływanie cząsteczek gazu z powierzchnią • 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

25. Gaz w ciele stałym Rozpuszczanie gazu w ciele stałym Prawo Henry’ego gdzie: Eaktr – energia aktywacji procesu rozpuszczania Tcs – temperatura ciała stałego R – uniwersalna stała gazowa gdzie: k – liczba atomów w cząsteczce gazu p – ciśnienie gazu otaczającego ciało stałe r – stała procesu zwana rozpuszczalnością

26. Gaz w ciele stałym Dyfuzja gazu I prawo Ficka gdzie: D – współczynnik dyfuzji dn/dx – gradient koncentracji gazu w ciele stałym φD – gęstość strumienia dyfundujących cząsteczek gazu gdzie: Eaktywdyf – energia aktywacji dyfuzji Tcs – temperatura ciała stałego R – uniwersalna stała gazowa

27. gradient ciśnienia gradient ciśnienia Ciało stałe Gaz w ciele stałym Ciśnienie atmosferyczne Próżnia

28. Gaz w ciele stałym Rozpuszczanie gazu w ciele stałym Dyfuzja gazu w głąb ciała stałego Przenikanie gazu przez ściany komory próżniowej Poważne utrudnienie w otrzymywaniu wysokich próżni

29. Dziękuje za uwagę