Cursus Vacuümtechniek Kenniscentrum Mechatronica Eindhoven
Naslagwerken Vacuümtechniek L.Wolterbeek Muller: Vacuümtechniek, beginselen en toepassingen, ISBN 90-2012203-7, Uitg.: Kluwer Technische Boeken b.v., Deventer; E.P.Th.Suurmeyer en J.Verhoeven: Vacuümtechniek, ISBN 90-9002806-4, Uitg.: Nederlandse Vacuüm Vereniging (NEVAC); J.Visser, serie artikelen in De Constructeur (oktober 1988 t/m januari 1991) M.Wutz, H.Adam, W.Walcher: Theorie und Praxis der Vakuumtechniek, ISBN 3-528-14884-5; uitg.: Verlag Fried. Vieweg & Sohn, Braunschweig/ Wiesbaden; Nigel Harris: Modern Vacuum Practice, ISBN 0-07-707099-2; Uitg.: McGraw-Hill Book Company.
Naslagwerken Vacuümtechniek John F. O'Hanlon: A User's Guide to Vacuum Technology; ISBN 0-471-81242-0; Uitg.John Wiley & Sons, New York. D.H.Holkeboer, D.W.Jones, F.Pagano, D.J.Santeler.: Vacuum Technology and Space Simulation, ISBN 1-56396-123-7; Uitg. American Institute of Physics, New York. A.Chambers, R.K.Fitch, B.S.Halliday: Basic Vacuum Technology, ISBN 0-85274-128-6; Uitg. Adam Hilger, Bristal en New York.
Waarom vacuum? Sommige processen verdragen geen zuurstof of andere gassen Sommige oppervlakteprocessen moeten plaatsvinden op schone oppervlakken Bij sommige processen is er een zekere afstand tussen bron en substraat: daar tussenin mogen gassen geen rol spelen (hinderen) Een drukverschil veroorzaakt een kracht Vacuum is een goede warmte-isolator Om opgelost gas te verwijderen is een lagere dichtheid nodig, soms ontstaat ook een temperatuurdaling (vriesdrogen)
Basisbegrippen
Basisbegrippen
Verdampingssnelheid! Bereken hoe lang het duurt voor een schoteltje water geheel verdampt is, en vergelijk dat metde werkelijke situatie
Verdampingssnelheid (vervolg)
Overzicht Vacuümgebied tijd voor een monolaag (s) 10 8 10 6 10 4 10 2 10 0 10-2 10-4 10-6 10-8 druk (Pa) 10 6 10 4 10 2 10 0 atmosferische druk voorvacuum 10-6 10-4 10-2 gemiddelde vrije weglengte (m) 10-2 hoog vacuum 10 0 10-4 10 2 10-6 ultra-hoog vacuum 10 4 10-8 10 6 10-10 10 8 10-12 10 10 10 7 10 9 10 11 10 13 10 15 10 17 10 19 10 21 10 23 10 25 gasdichtheid (per m 3 )
Vacuümsysteem (algemeen) virtueel lek proces gas reactie met wand bulk desorptie oppervlakte desorptie permeatie terugstroming van pompvloeistof reëel lek terug-diffusie vloeistofkruip re-emissie van eerder verpompte gassen
Vacuümsysteem Elektronenmicroscoop XL40 TMP vacuum configuration
Invloed van een wand Vacuüm Atmosfeer Verdamping Desorptie Diffusie Adsorptie Permeatie
Gaswetten Wet van Boyle: voor een afgesloten hoeveelheid gas is bij constante temperatuur het produkt van druk en volume constant: p V = constant Wetten van Gay Lussac: voor een afgesloten hoeveelheid gas geldt voor een volumeverandering bij constante druk: V = constant T en voor een drukverandering bij constant volume: p = T constant Gecombineerd levert dit de z.g wet van Boyle - Gay Lussac op: Voor een afgesloten hoeveelheid gas geldt: pv = constant T
Deeltjesdichtheid druk (mbar) 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 800 hoogte 640(km) 480 320 160 10-3 1013 80 0
Getal van Avogadro Voor ieder gas met dezelfde temperatuur en druk is het aantal moleculen per volume-eenheid gelijk Massa van molecuul wordt uitgedrukt in atomaire massaeenheden: 1 a.m.e. 1,66.10-27 kg De massa M van een stikstofmolecuul is 28 a.m.e. = 28x1,66.10-27 kg = 4,5.10-26 kg In 1 mol gas zitten N A = 6,0.10 23 moleculen. Voor stikstof is 1 mol gelijk aan 28 gram en bij 1 atmosfeer en 20 0 C is dat een volume van 24 dm 3. Algemene gaswet: pv = n m RT Met n m = N/N A en R is de algemene gasconstante: R = 8,3 J.K -1
Belangrijke relaties
Gassnelheid van gasdeeltjes Gasmoleculen hebben voor dagelijkse begrippen grote snelheden De molecuulsnelheid is niet voor elk molecuul gelijk: de snelheid hangt af van het soort molecuul: lichte moleculen gaan sneller dan zware de snelheid hangt van de temperatuur bij hogere temperatuur hogere snelheid
Gassnelheid van gasdeeltjes Gasmoleculen hebben voor dagelijkse begrippen grote snelheden De molecuulsnelheid is niet voor elk molecuul gelijk: de snelheid hangt af van het soort molecuul: lichte moleculen gaan sneller dan zware de snelheid hangt van de temperatuur bij hogere temperatuur hogere snelheid er is een snelheidsverdeling van een gas: de z.g. Maxwell-Boltzmannverdeling 8kT c = je kunt dan spreken over: πm 2kT de gemiddelde snelheid c maximum = m de meest voorkomende snelheid 2 3kT 3kT de middelbare snelheid c = cmiddelbaar = m m
Snelheidsverdeling van Maxwell-Boltzmann Aantal moleculen met snelheid tussen c en c + c T = 300 K 2kT c maximum = m T = 1000 K c = 8kT πm 0 c middelbaar = 3kT m 500 1000 1500 2000 2500 Snelheid c [m.s -1 ]
Snelheidsverdelingsfunctie van Maxwell voor H 2 en N 2 bij twee verschillende temperaturen
Rekenvoorbeeld gassnelheid Bij kamertemperatuur (20 0 C = 293 K) voor stikstof (N 2 ): c N 2 23 8kT 8 1,38 10 293 = = = 480 m s 27 πm π 28 1,66 10 1 En voor waterstof (H 2 ): c H 2 23 8kT 8 1,38 10 293 = = = 1800 m s 27 πm π 2 1,66 10 1
Begrip gemiddelde vrije weglengte λ D 2D 1 Omvatte botsingsvolume per seconde is: nπd 2 v πd 2 v Er bevinden zich hierin: deeltjes 2 Dus: nπd v botsingen per seconde λ=(afgelegde weg per seconde)/(aantal botsingen per seconde) v 1 λ = = kt 3 2 2 nπd v nπd λ = 6,7 10 2 pπd λlucht = [ m] p[ Pa]
Vrije weglengte Voor de vrije weglengte (afstand waarover molecuul gemiddeld beweegt voordat het botst) in lucht bij kamertemperatuur geldt: λ lucht = 6,7 10 p 3 [ m] waarbij p in Pa is uitgedrukt Gassoort λ in cm bij p = 1 Torr λ in m bij p = 1 Pa ------------------------------------------------------------------------------------ H 2 (waterstof) 9,0 x 10-3 1,2 x 10-2 He (helium) 14 x 10-3 1,8 x 10-2 Ar (argon) 4,8 x 10-3 6,4 x 10-3 H 2 O (waterdamp) 3,0 x 10-3 4,0 x 10-3 N 2 (stikstof) 4,6 x 10-3 6,1 x 10-3 O 2 (zuurstof) 4,9 x 10-3 6,5 x 10-3 CO 2 (kooldioxyde) 3,0 x 10-3 4,0 x 10-3 Hg (kwik) 2,3 x 10-3 3,1 x 10-3 lucht 5,0 x 10-3 6,7 x 10-3
Pompsnelheid Een (ideale) pomp sluit per tijdseenheid t een bepaald volume V van het te evacueren systeem af en verwijdert de daarin toevallig aanwezige deeltjes: Pompsnelheid = S Let op: dit zegt niets over de hoeveelheid verpompt gas!! S = dv dt Uitgedrukt in m s Hoeveelheid verpompt gas Q wordt gegeven door: 3 = [ 3 1 m s ] Q = p S Uitgedrukt in: Pa m s 3 = [ 3 1 Pa m s ]
Pompsnelheid S dn dt dv dt = = 1 4 1 n nc. A. dn dt = 1 4 c. A Verband gasstroom Q en pompsnelheid S: S Q = p S
Transportverschijnselen Goed begrip van de kinetische gastheorie is essentiëel voor het verkrijgen van inzicht in de vacuümfysica en -techniek. Belangrijk zijn de eigenschappen van een gas onder niet-evenwichtsomstandigheden evenwichtsomstandigheden, te weten het transport van impuls (viscositeit), energie (warmtegeleiding) Massa (diffusie). Het blijkt dat de geldende wetten voor het transport van deze drie grootheden veel gelijkenis met elkaar vertonen. Transport van een fysische eigenschap, die de gasdeeltjes met zich meedragen, kan slechts plaatsvinden dankzij hun thermisch beweging.
Transportverschijnselen Het transportgedrag van een gas blijkt afhankelijk van de grootte van de gemiddelde vrije weglengte λ in verhouding tot de karakteristieke afmeting d van het systeemonderdeel waarin of waardoor het transport plaatsvindt Deze verhouding staat bekend onder de naam kengetal van Knudsen: Kn << 1 ) we spreken van `hoge' druk; het gas wordt `dicht' genoemd en gedraagt zich als een continu medium; gasstroming onder deze omstandigheden heet `viskeus' viskeus'. Kn >> 1 ) we spreken van `lage' druk; het gas wordt `verdund' genoemd en gedraagt zich als een systeem van losse moleculen zonder interactie; gasstroming bij lage druk noemen we `(vrij) moleculair'
Transportverschijnselen bij hoge druk met: = x + y + z G is een fysische grootheid (energie, impuls, massa) het bijbehorende transport van G noemen we Γ G
Transportverschijnselen: Viscositeit Hoge druk (Kn << 1) η = viscositeitscoëfficiënt F = schuifkracht per eenheid van oppervlak evenwijdig aan de stromingsrichting du/dz = ter plaatse heersende snelheidsgradiënt z = coördinaat loodrecht op stromingsrichting Nauwkeuriger:
Lage druk (Kn >> 1) Viscositeit moleculaire viscositeitscoëfficiënt:
Thermomoleculaire gasverplaatsing λ << d: drukken aan weerszijden opening gelijk: λ >> d: deeltjesstroom naar links en rechts door opening gelijk:
Warmtegeleiding bij hoge druk Hoge druk (Kn << 1) Afwijkingen t.g.v. correlatie en transportsnelheid!!
Warmtegeleiding bij hoge druk
Warmtegeleiding bij lage druk Kn >> 1! Ga na dat bij constante κ geldt, dat Λ m redelijk goed evenredig is met m -½
Accommodatiecoëfficiënten
Diffusievergelijkingen van Fick 1e diffusievergelijking van Fick: 2e diffusievergelijking van Fick: Met hulp van continuïteitsvergelijking: Waarbij:
Zelfdiffusie! Ga na, D bij constante temperatuur evenredig is met p -1 m -½
Wederzijdse diffusie
Wederzijdse diffusie