Cursus Vacuümtechniek

Transcriptie

1 Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 2-1 Cursus Vacuümtechniek Kenniscentrum Mechatronica Eindhoven

2 Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 2-2 Overzicht Vacuümgebied tijd voor een monolaag (s) druk (Pa) atmosferische druk voorvacuum gemiddelde vrije weglengte (m) 10-2 hoog vacuum ultra-hoog vacuum gasdichtheid (per m 3 )

3 Vacuümsysteem (algemeen) Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 2-3 virtueel lek proces gas reactie met wand bulk desorptie permeatie oppervlakte desorptie terugstroming van pompvloeistof reëel lek terug-diffusie vloeistofkruip re-emissie van eerder verpompte gassen

4 Invloed van een wand Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 2-4 Vacuüm Atmosfeer Verdamping Desorptie Diffusie Adsorptie Permeatie

5 Lennard-Jones potentiaal Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 2-5 Een gasdeeltje dat een vaste stof oppervlak nadert, komt onder invloed van de Lennard-Jones potentiaal van de oppervlakte-atomen en kan fysisch worden gebonden (geadsorbeerd) in het `Lennard-Jones potentiaalputje'.

6 Fysische adsorptie Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 2-6

7 Thermische Adsorptie - Desorptie Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 2-7 V(r) Van der Waalskrachten met energie van 0,01 ev of polarisatiekrachten met energie van 0,01 ev E chem ads chemisorptie r fysisorptie LET OP: 0,01 ev per molecuul = 1,6x10-21 J per molecuul = 6, x1, J.mol -1 1 kj.mol -1

8 Adsorptiesnelheid Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 2-8 Het aantal gas- of dampdeeltjes dat een oppervlak A per tijdseenheid treft, volgt uit de uitdrukking voor de invalsdichtheid (1.48): Het aantal deeltjes dat aan het oppervlak wordt geadsorbeerd: of:! Controleer dit

9 Thermische Adsorptie - Desorptie (vervolg) Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 2-9 verblijftijd τ wordt gegeven door: met: τ s; R = 8,31 J. mol. τ = τ e Q / 0 Q τ bij T = 293 K τ bij T = 393 K [kj.mol -1 ] [s] [s] x10-3 1x x x10 4 (100 uur) x10 8 (10 jaar) 3,5x10 6 (900 uur) K 1 RT

10 Thermische Adsorptie - Desorptie (vervolg) Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 2-10 Gas Oppervlak Q [kj/mol] soort N 2 roestvast staal 13 fysisorptie N 2 ijzer 166 chemisorptie O 2 ijzer 570 chemisorptie Ar wolfraam 8 fysisorptie H 2 koolstof (schoon) 8 fysisorptie

11 Verblijftijden Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 2-11

12 Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 2-12 Thermische Adsorptie - Desorptie (vervolg) Aantal deeltjes dat per tijdseenheid botst met oppervlak A: Gecombineerd met: c N V = = n 8kT πm = p kt A dn b N c A 1 = = nc. A dt 4V 4 Aantal deeltjes dat blijft kleven wordt door de kleefkans s bepaald (sticking probability): dn dt a = 2,63.10 dn dt 24 a = s p. A. s M. T g dn dt b

13 Thermische Adsorptie - Desorptie (vervolg) dv dt = p dna/dt (Pa) (moleculen/m 2.s) ,7x ,7x ,7x ,7x ,17[ m. s. m ] = 10,9[ dm. s. cm ] = Smax Vuistregel: elke cm 2 oppervlak heeft een maximale pompsnelheid van 10 liter/s Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 2-13 t

14 Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 2-14 Adsorptie-desorptie evenwicht De netto verandering per tijdseenheid van het aantal op een oppervlak geadsorbeerde deeltjes (dn s /dt) is steeds gelijk aan het aantal dat per tijdseenheid adsorbeert (dn a /dt), verminderd met het aantal deeltjes dat in diezelfde tijdseenheid desorbeert (dn d /dt): Evenwicht:

15 Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 2-15 Adsorptie-desorptie evenwicht We concluderen dat voor een bepaalde gas-vaste stof combinatie het aantal aan een oppervlak A geadsorbeerde deeltjes N s in evenwichtstoestand een functie is van: de heersende druk p en van de temperaturen T s van het oppervlak en T g van het gas. Bij verandering van T s en/of T g stelt zich dus een nieuw evenwicht in, waarbij: De adsorptiekans s a zal veranderen en eventueel ook de adsorptie-energie energie E a

16 Adsorptie-isothermen Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 2-16 met

17 Adsorptie-isothermen (vervolg) Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 2-17 q ad [Pa.m 3.kg -1] stikstof o C stikstof 20 o C p (Pa)

18 Adsorptie-isothermen (slot) Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 2-18 q ad [Pa.m 3.kg -1] stikstof o C 10 2 neon o C helium o C stikstof 20 o C p (Pa)

19 Rekenvoorbeeld: Oefening 2.3 Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 2-19

20 Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 2-20 Desorptiesnelheid Beschouw een verzameling van n 0 geadsorbeerde deeltjes op het tijdstip t=0 en noem het aantal deeltjes dat daarvan op het tijdstip t nog niet is gedesorbeerd N s. Voor het aantal moleculen dat vervolgens tussen t en t + dt desorbeert, kunnen we dan schrijven: Integreren levert op: Na enig rekenwerk:

21 Desorptiesnelheid Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 2-21

22 Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 2-22 Pompsnelheid in relatie tot ontgassing Pompsnelheid: pv = dn dt NkT = p kt N dv dt S = = pv kt dv dt maat voor hoeveelheid gas per tijdseenheid, uitgedrukt in Pa.m 3.s -1 p S = Q = kt dn dt Ontgassing bekend pompsnelheid Pompsnelheid beperkt door geleidingsvermogen ontgassing reduceren dn dt s = 2, p. A. s M. T g N τ s 0 e Q / RT S Oplossing: verontreiniging verwijderen en uitstoken

23 Voorbeeld ontgassing Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 2-23 Systeem met binnenoppervlak 1 m 2 ontgassing 10-6 Pa.m 3.s -1 Om een einddruk van 10-8 Pa te behalen is een pompsnelheid nodig van: 100 m 3.s -1 Het gat waar door moet worden gepompt moet dan al op zijn minst een oppervlak hebben van: 1 m 2 Ontgassing vuil systeem: 10-2 Pa.m 3.s -1.m -2 Ontgassing na ontvetten: 10-4 Pa.m 3.s -1.m -2 Ontgassing na uitstoken: < 10-8 Pa.m 3.s -1.m -2

24 Niet-uitgestookt vacuümsysteem Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 2-24