Plazma buzené za nízkého tlaku a jeho využití aneb fyzika věcí kolem nás

1. 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

2. 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

3. 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

4. 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?

5. K čemu je (nízkotlaké) plazma? • Zbraně hvězdných válek Ref. Fig5

6. K čemu je (nízkotlaké) plazma? • Zbraně hvězdných válek • K terapeutickým účelům – Postřižiny Ref. Fig6

7. K čemu je (nízkotlaké) plazma? • Zbraně hvězdných válek • K terapeutickým účelům – Postřižiny • K pohonu vesmírných plavidel Ref. Fig7

8. K čemu je (nízkotlaké) plazma? • Zbraně hvězdných válek • K terapeutickým účelům – Postřižiny • K pohonu vesmírných plavidel • Zdroj iontů a dalších aktivních částic Ref. Fig8

9. 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

10. Přehled dnešní přednášky • První část: Vakuové technologie • Druhá část: Plazmové technologie

11. 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

12. 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

13. 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)

14. 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?

15. 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

16. 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 …

17. 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

18. 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.

19. 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

20. 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

21. Jak se tedy nízký tlak projevuje Ref. Fig15

22. 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

23. Důležité charakteristiky vývěv • Výstupní tlak • Mezní tlak • Čerpací rychlost • Kapalina/Suchá vývěva • Provozní podmínky (teplota, hluk, vibrace) Ref. Fig16ab

24. 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))

25. vývěvy – Membránová, Rootsova Ref. Fig17ab

26. vývěvy – Rotační Ref. Fig18a

27. vývěvy – Difúzní Ref. Fig19a

28. vývěvy – Turbomolekulární Ref. Fig20a

29. vývěvy – iontová Ref. Fig21a

30. vývěvy – získání nízkého tlaku • Netransportní • Sorpční (Zeolit, kryosorpce) • Getrové

31. 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

32. 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

33. Kapalinové manometry Ref. Fig23ab

34. Manometr PIRANIHO (odporový)

35. Manometr kapacitní (baratron)

36. Manometry ionizační (Penningův) Ref. Fig24a

37. Manometry Ionizační (video)

38. 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