Nyomás: p=:

Bohátka Sándor: VÁKUUMFIZIKA ÉS -TECHNIKA

Tankönyv

Információk: bohatka@atomki.hu, megrendelés az ELFT titkárságán [Budapest, Fő u. 68. II. em., e-mail: mail.elft@mtesz.hu]

RÉSZLET A BEVEZETŐBŐL

A tankönyv rendeltetése:

Alapismereteket adni a vákuumfizika és –technika tárgykörében. Szándékaink szerint azoknak szól, akik most ismerkednek a tárgykörrel, illetve önképzéssel megtanultak sok mindent, de ismereteik hiányosak, és rendszerezésre szorulnak.

A tankönyv célja:

Az olvasó megismerje az alapvető fogalmakat, a vákuum előállításának és mérésének módjait, ezek fizikai hátterét, a vákuumtechnikában használatos legfontosabb szerkezeti elemeket, anyagokat, a vákuumrendszerek felépítését és működtetését, továbbá a tervezéshez tudjon számolni néhány alapvető fontosságú mennyiséget. Tehát ha kell, immár össze tudjon állítani, és képes legyen üzemeltetni egy vákuumrendszert, amelyhez persze a biztonságot majd a gyakorlat adja meg.

A tankönyv tematikája:

Az oktatás tematikájáról elég határozott a saját véleményünk, de hozzá való átfogó jellegű magyar nyelvű könyv nem állt rendelkezésre. Ezért az idegen nyelvű alapművekből és a részletekkel foglalkozó közleményekből merítve, valamint saját anyagunk alapján állítottuk össze ezt a tankönyvet. E munka magját lényegében egy több mint másfél évtizede tartó egyetemi féléves kurzus anyaga szolgáltatja, amelyet kiegészített a IUVSTA Technical Training Course keretében 2006-ban Debrecenben tartott Gyakorlati Vákuumtechnikai Tanfolyam témaköre.

A tankönyv módszere:

Középfokú ismeretekre épít, mert az oktatás során ez volt a közös nevező, de levezetés nélkül bevon az egyetemi kísérleti fizika tantárgyból is eredményeket. Igyekszik rámutatni a jelenségek mögötti fizikai okokra, de az analitikus, elméleti levezetéseket inkább feláldozza a szemléletesebb magyarázatért. Mint ahogy azt a címben is érzékeltetjük, egyszerre szeretnénk a fizikát is és a technikát is hangsúlyossá tenni, mert a gyakorlatban ezek elválaszthatatlanul vannak jelen. Az okozati viszonyok tisztánlátása érdekében a gépies rutint szolgáló nomogramokkal nem foglalkozunk. A gyakorlatiasság érdekében törekszünk létező, hozzáférhető eszközök ábráit, paramétereit bemutatni példaként.

Éppen a kutatásra szoruló témák és az alkalmazások sokrétűsége, gazdagsága az oka, hogy minden igényt nem elégíthetünk ki sem képességünk, sem a keret adta lehetőségünk szűkössége okán. Aki egy-egy terület problémáiban jobban el akar mélyedni, annak a csatlakozó tudományterületek és a legújabb kutatási eredmények tanulmányozását ajánljuk.

TARTALOMJEGYZÉK

Oldal

BEVEZETÉS 7

KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS 13

1. AGÁZ MENNYISÉGÉT, ÁLLAPOTÁT MEGHATÁROZÓ FIZIKAI

MENNYISÉGEK ÉS MÉRTÉKEGYSÉGEIK 15

2. A KINETIKUS GÁZELMÉLET ALAPJAI 16

2.1. AZ IDEÁLIS GÁZ MODELLJE 16

2.2. SEBESSÉGELOSZLÁS 17

2.3. ENERGIAELOSZLÁS 21

2.4. KÖZEPES SZABAD ÚTHOSSZ, ÜTKÖZÉSEK 22

2.4.1. Közepes szabad úthossz 22

2.4.1.1. Sutherland – korrekció 24

2.4.2. Gázok ütközése 25

2.4.3. Közepes szabad úthossz kísérleti meghatározása 27

2.5. RÉSZECSKEÁRAM, TÉRFOGATI ÁRAM 28

2.6. GÁZOK NYOMÁSA 31

2.7. GÁZSZÁLLÍTÁS KÉT EDÉNY KÖZÖTTI KIS NYÍLÁSON ÁT 32

2.7.1. Részecskeszállítás (részecskefluxus), Dq_N 32

2.7.2. A szállított gáztömeg: Dq_m 33

2.7.3. A szállított gáztérfogat (térfogati gázáram): Dq_V 33

2.8. GÁZTÖRVÉNYEK 34

3. TRANSZPORT JELENSÉGEK 36

3.1. DIFFÚZIÓ 36

3.2. BELSŐ SÚRLÓDÁS (VISZKOZITÁS) GÁZOKBAN 37

3.3. HŐVEZETÉS GÁZOKBAN 42

4. GÁZOK ÁRAMLÁSA 45

4.1. ÁRAMLÁSI TARTOMÁNYOK 45

4.1.1. Viszkózus (kontinuum) áramlás 47

4.1.2. Molekuláris áramlás 48

4.1.3. Átmeneti áramlás 49

4.2. GÁZÁRAM, SZÍVÓSEBESSÉG. SZIVATTYÚZÓ KÉPESSÉG

(GÁZSZÁLLÍTÁS) 49

4.2.1. Szívósebesség mérése 50

4.3. CSŐVEZETÉKEK ÁRAMLÁSI ELLENÁLLÁSA,

VEZETŐKÉPESSÉGE 52

4.4. A SZIVATTYÚ EREDŐ ÉS EFFEKTÍV SZÍVÓSEBESSÉGE 52

4.4.1. A szivattyúhoz csatolt vezeték hatása a szivattyú

eredő szívósebességére 52

4.4.2. Gázbeömlés hatása a szivattyú effektív szívósebességére 54

4.5. ÁRAMLÁS KIS, VÉKONY FALVASTAGSÁGÚ NYÍLÁSON ÁT 55

4.5.1. Viszkózus áramlás kis, vékony falvastagságú nyíláson át 55

4.5.1.1. Kis nyílás gázmennyiség-árama, lamináris áramlás 55

4.5.1.2. Kis nyílás vezetőképessége levegőre – lamináris áramlás57

4.5.1.3. Kis nyílás szívósebessége levegőre – lamináris áramlás 58

4.5.2. Molekuláris áramlás kis, vékony falú nyíláson át 58

4.6. MOLEKULÁRIS ÁRAMLÁS NAGY VÉKONY NYÍLÁSON ÁT 59

4.7. ÁRAMLÁS CSÖVEKBEN 60

4.7.1. Lamináris áramlás csövekben 61

4.7.2. Átmenet a molekuláris és lamináris tartomány

között csövekben (Knudsen-áramlás) 63

4.7.3. Molekuláris áramlás csövekben 64

4.7.3.1. Rövid cső vezetőképessége molekuláris áramlásban 65

4.7.3.2. Molekuláris áramlás csövön keresztül – általános leírás 66

4.7.3.3. Transzmissziós módszer a vezetőképesség

meghatározására 68

4.8. RECIPIENS LESZÍVÁSI IDEJE 70

5. GÁZOK ÉS KONDENZÁLT ANYAGOK KÖLCSÖNHATÁSA 71

5.1. GÁZFORRÁSOK A vákuumRENDSZERBEN 71

5.2. GŐZÖK, PÁROLGÁS, KONDENZÁCIÓ 72

5.2.1. Kondenzáció 73

5.2.2. Párolgás 74

5.2.3. Párolgási áram sűrűsége 75

5.3. SZORPCIÓ ÉS DESZORPCIÓ 79

5.3.1. Szorpciós jelenségek, alapfogalmak 79

5.3.2. Az adszorpció és deszorpció kinetikája 81

5.3.2.1. Adszorpciós sebesség

(adszorpciós részecskeáram sűrűség) 81

5.3.2.2. Deszorpciós sebesség

(deszorpciós részecskeáram sűrűség) 81

5.3.2.3. Monomolekuláris réteg adszorpciója, Langmuir-féle

adszorpciós izoterma 83

5.3.2.4. Monomolekuláris adszorbeált réteg kialakulásának ideje

(„monoréteg-idő”) 84

5.3.2.5. Többrétegű adszorpció: Brunauer-Emmelt-Teller

(BET) izoterma 84

5.3.3. Abszorpció, gázelnyelés (okklúzió) 85

5.4. GÁZDIFFÚZIÓ A SZERKEZETI ANYAGOK FALÁBÓL 86

5.4. PERMEÁCIÓ 89

5.6. NÉHÁNY GYAKORLATIAS MEGJEGYZÉS

A VÁKUUMRENDSZEREK GÁZFORRÁSAIRÓL 90

6. VÁKUUMMÉRŐK (ÖSSZNYOMÁSMÉRŐK – VACUUM GAUGES) 93

6.1. MECHANIKUS VÁKUUMMÉRŐK 95

6.1.1. Bourdon-csöves vákuummérő 95

6.1.2. Zárt terű (kapszula) vákuummérő 96

6.1.3. Membrános vákuummérő (diaphragm gauge) 97

6.1.4. Kapacitás vákuummérő (capacitance gauge) 97

6.1.5. Piezoellenállás mérőfej 100

6.2. VISZKOZITÁSON ALAPULÓ (FORGÓGOLYÓS) VÁKUUMMÉRŐ 100

6.3. FOLYADÉKOSZLOPOS NYOMÁSMÉRŐK 102

6.3.1. Nyitott végű folyadékoszlopos nyomásmérő 102

6.3.2. Zárt végű folyadékoszlopos nyomásmérő 103

6.3.3. Kompressziós (McLeod típusú) vákuummérő 104

6.4. HŐVEZETÉSEN ALAPULÓ VÁKUUMMÉRŐK 106

6.4.1. Pirani vákuummérő 107

6.4.2. Termokeresztes vagy termopár vákuummérő

(thermocouple) 111

6.5. IONIZÁCIÓS VÁKUUMMÉRŐK 112

6.5.1. Izzókatódos ionizációs vákuummérők fajtái 117

6.5.1.1. Koncentrikus trióda típusú ionizációs vákuummérő 118

6.5.1.2. Ionizációs vákuummérő közepes vákuum tartományra 118

6.5.1.3. Bayard-Alpert típusú (BA) ionizációs vákuummérő 118

6.5.1.4. Modulátoros Bayard-Alpert ionizációs vákuummérő 119

6.5.1.5. Extraktoros ionizációs vákuummérő 119

6.5.1.6. Egyéb izzókatódos ionizációs vákuummérők 120

6.5.2. Hidegkatódos ionizációs vákuummérők 121

6.5.2.1. Penning-típusú vákuummérő 122

6.5.2.2. Hidegkatódos invertált magnetron vákuummérő 126

6.5.2.3. Hidegkatódos magnetron vákuummérő 126

6.5.2.4. Megjegyzések a hidegkatódos vákuummérők

Használatához 127

6.6. VÁKUUMMÉRŐK HITELESÍTÉSE 128

6.6.1. Dugattyús nyomásmérő 128

6.6.2. Higanyos vákuummérők 129

6.6.3. Sztatikus módszer 129

6.6.3.1. Direkt összehasonlítás nyomásstandarddal 129

6.6.3.2. Sztatikus expanzió módszere 129

6.6.4. Dinamikus módszer 129

6.6.4.1. Direkt összehasonlítás nyomásstandarddal 129

6.6.4.2. Dinamikus expanzió állandó vezetőképességgel 129

6.6.4.3. Molekulanyaláb módszer 130

7. PARCIÁLISNYOMÁS-MÉRŐK (TÖMEGSPEKTROMÉTEREK) 132

7.1. MÁGNESES TÖMEGSPEKTROMÉTER 135

7.2. KVADRUPÓL TÖMEGSPEKTROMÉTER 136

7.3. HÁROMDIMENZIÓS KVADRUPÓL TS - (IONCSAPDA) 139

7.4. REPÜLÉSI-IDŐ TÖMEGSPEKTROMÉTER 139

7.5. IONREZONANCIA SPEKTROMÉTEREK 140

7.6. PARCIÁLIS NYOMÁS MÉRÉSE OPTIKAI ÉS FÉLVEZETŐ

ESZKÖZÖKKEL 140

7.7. A TÖMEGSPEKTROMÉTER JELEINEK KIÉRTÉKELÉSE 141

7.8. MARADÉKGÁZ ANALÍZIS 142

8. LYUKKERESÉS 143

8.1. NYOMÁSNÖVEKEDÉS MÓDSZERE 145

8.2. NAGYNYOMÁSÚ (BUBORÉKOS) MÓDSZER 145

8.3. LYUKKERESÉS VÁKUUMMÉRŐVEL 145

8.3.1. Lyukkeresés Pirani vákuummérővel 146

8.3.2. Lyukkeresés ionizációs vákuummérővel 146

8.4. LYUKKERESÉS GETTER-ION SZIVATTYÚVAL 147

8.5. HALOGÉNES LYUKKERESŐ 147

8.6. TÖMEGSPEKTROMÉTERES LYUKKERESÉS 148

8.6.1. A tömegspektrométeres lyukkeresés alapmódszerei 148

8.6.2. Néhány észrevétel a lyukkeresés gyakorlatához 151

8.6.3. A szivárgás mértékének meghatározása 154

9. SZIVATTYÚK 155

9.1 FOLYAMATOS TÉRFOGATVÁLTOZÁSOS SZIVATTYÚ

(Positive displacement p.) 155

9.1.1. Alternáló szivattyú (alternating displacement pump)

– olajos 155

9.1.1.1. Dugattyús szivattyú (piston pump) – olajkenéses 155

9.1.2. Forgó ürítéses szivattyúk (rotary displacement p.) – olajos 156

9.1.2.1. Folyadékgyűrűs szivattyú (liquid ring pump) 156

9.1.2.2. Forgólapátos (rotációs) szivattyú (rotary vane pump) 157

9.1.2.3. Csúszólapátos szivattyú (sliding vane pump) 163

9.1.2.4. Trochoid (hengeres forgódugattyús) szivattyú

(trochoid pump) 163

9.1.2.5. Forgódugattyús (Kinney vagy Stokes) szivattyú

(rotary piston vagy rotary plunger pump) 164

9.1.3. Száraz kivitelű forgó ürítéses szivattyúk 165

9.1.3.1. Roots szivattyú (Roots type rotary piston pump) 165

9.1.3.2. Körmös szivattyú (Claw pump) 170

9.1.3.3. Csavarszivattyú (Screw pump) 171

9.1.3.4. Spirál vagy csigavonalas szivattyú (Scroll pump) 172

9.1.4. Száraz kivitelű alternáló ürítéses szivattyúk 172

9.1.4.1. Száraz dugattyús szivattyú (Dry piston pump) 172

9.1.4.2. Membrán- (diafragma) szivattyú (diafragm pump) 174

9.2. HAJTÓKÖZEGES SZIVATTYÚK (FLUID ENTRAINMENT PUMPS)175

9.2.1. Folyadéksugár szivattyú (liquid jet pump) 175

9.2.2. Gőzsugár-szivattyú (vapour jet pump) 176

9.2.2.1. Fúvókás (ejektoros) szivattyú (ejector pump) 177

9.2.2.2. Diffúziós szivattyú (diffusion pump) 178

9.2.2.3. Kombinált diffúziós-fúvókás (búszter) szivattyú

(booster pump) 187

9.3. MOLEKULÁRIS SZIVATTYÚK 188

9.3.1. Molekuláris szivattyú (molecular pump) 188

9.3.2. Turbómolekuláris szivattyú 189

9.3.3. Kombinált (hibrid) turbómolekuláris szivattyú

(hybrid/compact turbo p. vagy turbo drag p.) 193

9.3.4. Megjegyzések a (kombinált) turbómolekuláris

szivattyúk használatával kapcsolatosan 194

9.4. SZORPCIÓS SZIVATTYÚK (Sorption pumps) 197

9.4.1. Adszorpciós szivattyú (Adsorption pump) 197

9.4.2. Getterszivattyúk (Getter pumps) 199

9.4.2.1. Szublimációs szivattyúk (Sublimation pumps) 199

9.4.2.2. Nem párolgó (térfogati) getterek

(Non Evaporable Getters, NEG) 201

9.4.2.3. Szublimációs getter-ion szivattyú: Orbitron 202

9.4.2.4. Porlasztásos getter-ion szivattyú (Sputter-ion pump) 203

9.5. KRIOSZIVATTYÚK (Cryopumps) 210

9.5.1. Krioszivattyúzási módszerek 210

9.5.2. A krioszivattyúk jellemző paraméterei 212

9.5.3. Krioszivattyú fajták 214

10. TECHNIKAI ISMERETEK 220

10.1. VÁKUUMTECHNIKAI ANYAGOK 220

10.2. KÖTÉSEK, TÖMÍTÉSEK, ÁTVEZETŐK 223

10.2.1. Állandó kötések 224

10.2.2. Oldható kötések 224

10.2.3. Mozgásátvezetők 228

10.2.4. Szigetelt átvezetők 230

10.3. VÁKUUMTECHNIKAI ALKATRÉSZEK, ELEMEK 230

11. VÁKUUMRENDSZEREK FELÉPÍTÉSE, ÜZEMELTETÉSE 233

11.1. VÁKUUMRENDSZEREK 233

11.1.1. Diffúziós szivattyús nagyvákuum-rendszer üzemeltetése 233

11.1.2. Turbómolekuláris szivattyúval szívott

nagyvákuum-rendszer üzemeltetése 237

11.1.3. Egyéb UHV-rendszerek 240

11.2 VÁKUUMRENDSZEREK MŰKÖDTETÉSÉVEL KAPCSOLATOS

MEGJEGYZÉSEK 242

12. TISZTÍTÁS 245

12.1. TISZTÍTÁSI SZEMPONTOK 245

12.2. TISZTÍTÁSI ELJÁRÁS ULTRANAGY-VÁKUUM (UHV)

HASZNÁLATRA 247

12.2.1. Szemrevételezés 247

12.2.2. Fizikai tisztítás 247

12.2.2.1. Sűrített levegős fúvatás 247

12.2.2.2. Gyöngyszórás 247

12.2.2.3. Szén-dioxid havas fúvás 247

12.2.2.4. Forgácsolás, köszörülés 248

12.2.2.5. Polírozás 248

12.2.3. Kémiai tisztítás 248

12.2.3.1. Rozsdamentes acél 248

12.2.3.2. Alumínium 251

12.2.3.3. Réz 251

12.2.3.4. Egyéb fémek 252

12.2.3.5. Üveg 252

12.2.3.6. Kerámiák 252

12.2.4. Passziválás 252

12.2.5. Speciális tisztító eljárások 252

12.2.5.1. Ultrahangos tisztítás 252

12.2.5.2. Elektropolírozás 253

12.2.5.3. Plazma, parázskisülés (glow discharge) 253

12.2.5.4. Kályházás levegőn 254

12.2.6. Módszerek a felületi tisztaság mérésére 254

12.2.7. Újraszennyezés 255

12.2.8. Megjegyzések 255

13. FELADATMEGOLDÁS – FÜGGELÉK 257

14. HIVATKOZOTT IRODALOM JEGYZÉKE 265