Technic Khale

‫تکنیک خلء‬ ‫مفاهیم پایه ی خلء‬

‫فشار بخار‬ ‫• واژه شناسی‬ ‫تبخیر‪:‬هنگامی که یک مایع به گاز تبدیل می شود‬‫تصعید‪:‬هنگامی که یک جامد به گاز تبدیل می شود‬‫بخار‪:‬گاز تولید شده هنگامی که یک مایع یا جامد تبخیر می شود‬‫چگالش‪:‬هنگامی که دوباره بخار به مایع یا جامد تبدیل می شود‬‫تعادل‪ :‬حالتی ازهر سیستم که نیروهادر خلف یکدیگرند (موازنه اند)‬‫‪-‬فراز‪:‬مایعاتی که به اسانی تبخیر می شوند و فشار بخار بال دارند‬

‫فشار بخار‬ ‫• تبخیر هنگامی اتفاق می افتد که‪:‬‬ ‫دمای ماده افزایش یابد و یا‬‫ فشار در سطح ماده کاهش یابد‬‫• فشار بخار‪:‬فشاری که یک مایع یا جامد در یک دمای داده شده تبخیر می شود‬ ‫هنگامی که دما کاهش می یابد چه اتفاقی برای فشار بخار می افتد؟‬‫• ‪:Outgassing‬هنگامی که یک ماده در فاز میعانش در یک سیستم خلء در‬ ‫فشار کم تبدیل به بخار می شود‬ ‫یک مقدار خیلی کوچک اب‪،‬مایعات یا اثر انگشت باقی مانده در محفظه می‬‫تواند سبب ‪ Outgassing‬و افزایش زمان برای پمپاژ کردن سیستم شود‬

‫فشار بخار‬ ‫• مایعات در یک محفظه ی‬ ‫سر بسته تبخیر خواهند شد‬ ‫تا زمانی که‪:‬‬ ‫فشار جزئی دربالی‬‫هوای مایع=فشار بخار مایع‬

‫فشار بخار‬ ‫•‬

‫دما‬

‫فشار بخار گازهای معمول‬

‫نقطه ی جوش‬

‫فشار بخار اب در دماهای مختلف‬ ‫دما‬ ‫‪100‬‬ ‫‪25‬‬ ‫‪0‬‬ ‫‪-40‬‬ ‫‪-5/78‬‬ ‫‪-196‬‬

‫نقطه ی جوش‬ ‫نقطه ی انجماد‬ ‫یخ خشک‬ ‫نیتروژن مایع‬

‫فشار(میلی بار)‬ ‫‪1031‬‬ ‫‪32‬‬ ‫‪4/6‬‬ ‫‪13/0‬‬ ‫‪000066/0‬‬ ‫‪1024‬‬

‫فشار بخار‬ ‫•‬

‫دیاگرام فازها‪:‬‬ ‫تعیین میکند که ایا حالت یک‬‫ماده در یک دما و فشار معین وجود‬ ‫خواهد داشت‬ ‫‪-‬مثال‪:‬اب‬

‫فشار بخار‬ ‫• مثال ها‪:‬‬ ‫اب در چه دمایی می جوشد زمانی که فشار را تا ‪ 1‬تور کاهش دهیم؟‬‫ایا فازهای میعان(چگالش)به طرف چپ یا راست خط هستند؟‬‫اگر یک سیستم ‪CVD‬دردمای ‪ 500‬درجه سانتیگراد و فشار یک‬‫میلی تور بگذرد کدام یک از فلزات شانس ضعیف تری دارد تا‬ ‫محفظه ی بیرونی اش را بسازد؟‬ ‫• نتیجه ی درس‪:‬‬ ‫هنگامی که هر چیز انتخابی وارد سیستم خلء می شوند فشار بخار‬‫باید در نظر گرفته شود که شامل واشر ها‪،‬روغن‪،‬جنس محفظه‪،‬شیر‬ ‫ها‪....،‬وغیره‪.‬‬

‫تراکم گاز‬ ‫قانون گاز ایده ال‬ PV = NkT ‫ پاسکال در دمای اتاق‬1 ‫تراکم گاز در‬

N/V =n = P/kT )N/m2(/)1.3807x10-23J/K()300 K 1( = ]kg-m/s2(/m2]/]4.1x10-21 kg-m2/s2( 1] = 2.4x1020 atoms per m3 = …at1 Pa 2.4x1014 cm-3 =

‫حساب سر انگشتی‬ n)T( = 3.2x1013 cm -3x )300/T ( at a pressure of 1 mTorr

‫پویش ازاد میانگین‬ ‫• فاصله ی متوسط بین برخورد ملکولی گاز‬ ‫∀ ‪= σ‬عرض مقطع ملکول – مساحت تصویر مولکول ها‬ ‫• (اخرین فرم معادله برای هوا در ‪ 20‬درجه است)‬

‫•‬ ‫•‬

‫‪cm‬‬

‫‪1‬‬ ‫‪kT‬‬ ‫‪5 × 10 3‬‬ ‫=‪λ‬‬ ‫=‬ ‫=‬ ‫‪2σn‬‬ ‫) ‪2 pσ p(Torr‬‬

‫‪λ‬‬

‫‪ϕ (molec./cm2(-s‬‬

‫‪(p (Torr‬‬

‫‪nm 67‬‬ ‫‪51µm‬‬ ‫‪mm 51‬‬ ‫‪m 51‬‬ ‫‪km 51‬‬

‫‪2.9x1023‬‬ ‫‪3.8x1020‬‬ ‫‪3.8x1017‬‬ ‫‪3.8x1014‬‬ ‫‪3.8x1011‬‬

‫‪760‬‬ ‫‪1‬‬ ‫‪1x10-3‬‬ ‫‪1x10-6‬‬ ‫‪1x10-9‬‬

‫هنگامی که بزرگتر از کوچکترین بعد مسیر جریان باشد‪.‬جریان ‪،‬ملکولی هست‬ ‫کوچکتر از بعد دستگاه باشد جریان ویسکوز می شود‬ ‫اگر‬

)2(‫پویش ازاد میانگین‬ ‫هنگامی که فشار کاهش می یابد‬ ‫• پویش ازاد میانگین افزایش پیدا می کند‬ λ

)cm( ~= .005 / P )torr MFP = 0.02 microns at 1 atm, MFP = 5.08 cm at 1mT, MFP = 50 km at 10-9 torr )UHV(,

MFP (cm)

Mean Free Path vs. Pressure 1.00E+08 1.00E+06 1.00E+04 1.00E+02 1.00E+00 1.00E-02 1.00E-04 1.00E-06

MFP

1.00E-10 1.00E-08 1.00E-06 1.00E-04 1.00E-02 1.00E+0 1.00E+0 1.00E+0 0 2 4 Pressure (Torr)

)3(‫پویش ازاد میانگین‬ ‫• تراکم ملکولی و پویش ازاد میانگین‬ 1013 mbar (atm)

1 x 10-3 mbar

1 x 10-9 mbar

# mol/cm3

3 x 10 19 (30 million trillion)

4 x 10 13 (40 trillion)

4 x 10 7 (40 million)

MFP

2.5 x 10-6 in 6.4 x 10-5 mm

2 inches 5.1 cm

31 miles 50 km

‫برخورد ها و پویش ازاد میانگین‬ ‫• غلظت گاز‬ ‫• ‪n = P/ kT‬‬

‫• عرض مقطع‬ ‫• ‪σ ~Π d2‬‬

‫‪l = 1/σ n‬‬

‫• ‪ √2 pd2P kT / = :‬برخورد های‬ ‫محکم و سخت کره ها‬ ‫(‪lAr)cm( ~ 8 / P )mTorr‬‬

‫‪2‬‬

‫‪  2.6 10 cm‬‬ ‫‪15‬‬

‫ابعاد اتم و ملکول‬ ‫• بعد اتم=‪A 30‬‬

‫•‬

‫متوسط جدایی ملکول در فشار اتمسفری‪:‬‬

‫در یک سانتی متر مربع از گاز نیتروژن ‪X10 2.519‬‬ ‫ملکول وجود دارد‬ ‫بنابراین‪:‬‬

‫‪1/2.5X1019 = 4X10-20 cm=34 A0‬‬

‫جدایی متوسط ملکولی‬ ‫• در فشار اتمسفری‪:‬‬

‫• ‪2.5X1019‬‬

‫ملکول در یک سانتی متر مربع را اشغال می کند‬

‫• حجم یک ملکول= ‪1/2.5x1019 =4x10-20 cm3‬‬ ‫‪-20 1/3‬‬ ‫• طول هر ملکول= (‪( =3.4x10-7 cm=34 A0 4x10‬‬

‫‪34 A0‬‬

‫‪A0 3‬‬

‫سرعت‬،‫برواحد سطح‬J،‫جریان برخورد‬/‫سرعت‬ ‫سطح برخورد‬ nV J = 4 8kT 8 RT T V = = =145 πm πM M P J = ( 2πmKT )1 2 M = mN av kN av = R PN av J = ( 2πMRT )1 2

1cm2

‫توزیع ماکسول‬ v،v+dv‫• ملکول هایی که سرعت ان ها بین‬ 3 2

m N (v ) = 4πN ( ) v 2e 2πkT ∞

∞

3

mv 2 − 2 kT

mv 2

m 2 2 − 2 kT ∫0 N (v)vdv ∫0 4πN ( 2πkT ) v e vdv 4πN m 3 ∞ 3 −λv 2 m v = = = ( ) 2 ∫v e dv ⇒ λ = N N N 2πkT 0 2kT ∞

∫v 0

3

e

−λv 2

1 dv = 2λ2 3

m 2 1 2kT 2 v = 4π ( ) × ( ) = 2πkT 2 m

8kT πm

vrms ‫توزیع ماکسول‬ ∞

∫ N (v)v dv 2

v2 =

0

N

=

∫ 4πN (

3 2

− mv 2 2 kT

m ) ve 2πkT

v 2 dv

N 3 2

m 3 v = 4π ( ) × 2πkT 8 2

v rms = v

2

=

3kT m

3∞

4πN m 2 4 −λv 2 m = ( ) ∫ v e dv ⇒ λ = N 2πkT 0 2kT

π λ5

‫توزیع ماکسول‬ dN (v) =0 dv − mv 2 2 2 kT

3 2

dN (v) m d = 4π N ( ) (v e dv 2π kT dv 3 2

m 4π N ( ) (2ve 2π kT 2kT vp = m

− mv 2 kT

)= 0

2mv −v × e 2kT 2

− mv 2 2 kT

2

mv 2 ) = 0 ⇒ v(2 − v )= 0 kT

‫اهنگ سطح برخورد‬ ‫توزیع ماکسول‬

‫‪ − mv 2 ‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪exp‬‬ ‫‪2‬‬ ‫‪kT‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬

‫‪3/ 2‬‬

‫‪P (v )  m ‬‬ ‫= ) ‪f (v‬‬ ‫‪=‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪4πv 2  2πkT ‬‬

‫سرعت متوسط هر اتم‬

‫‪8kT‬‬ ‫‪πm‬‬

‫∞‬

‫_‬

‫= ‪< v > = c = ∫ v f (v)4πv 2 dv‬‬ ‫‪0‬‬

‫جریان اتم ها به سطح صفحه ی ‪x-y‬‬

‫‪1‬‬ ‫> ‪Γz = n < v z >= n ∫∫∫ v z f (v)dv = n < v‬‬ ‫‪4‬‬ ‫‪vZ > 0‬‬ ‫‪3‬‬

‫خیلی مهم‬ ‫توزیع سرعت ماکسول ماده ها‬ ‫‪)P)y‬احتمال اینکه یک ماده ی بخصوص دارای یک سرعت مغناطیسی باشد‬

‫اهنگ سطح برخورد‬ ‫• سرعت هر کدام از ملکولهای گازکه به واحد سطح صفحه برخورد می کنند (البته یک مجرا‬ ‫با یک روزنه ی کوچک درون یک خلء وجود دارد)‬

‫‪p‬‬ ‫‪ p  8 kT‬‬ ‫‪J = 14 nv = 14  ‬‬ ‫=‬ ‫‪2π mkT‬‬ ‫‪ kT  π m‬‬

‫•‬ ‫•‬ ‫•‬ ‫•‬ ‫•‬

‫‪=n‬تراکم ملکولی در گاز‪،‬ملکول بر سانتی متر مربع‬ ‫‪= v‬سرعت متوسطتوزیع ماکسول‪-‬بولتزمن‬ ‫‪=K‬ثابت بولتزمن‬ ‫‪=M‬جرم ملکول‬ ‫‪=T‬دمای معین در کلوین‬

‫) ‪3.5 × 10 22 p(Torr‬‬ ‫=‬ ‫‪MT‬‬

‫شکل عددی بدست می اید بوسیله ی ضرب صورت کسر و مخرج با عدد اووگادرو‬ ‫‪، NAv‬وبا توجه به اینکه ‪، NAvk = R‬ثابت گازو‪NAvm = M‬‬ ‫وزن ملکولی انواع گازها‬

‫مثال‬ ‫• یک محفظه ی خلء‪ ،‬فشار پایه ی ‪ 6-10‬تور دارد‪.‬با فرض اینکه این محفظه با‬ ‫فشار بخار کنترل می شود ‪،‬جریان ابی که در یک زیر لیه قرار داده شده در‬ ‫این محفظه چقدر است؟‬ ‫‪n = 3.2x10 13cm-3/mTorr * 10-3 mTorr = 3.2x10 10cm-3‬‬

‫>‪πM)1/2 = 59200 cm/sv> = (8kT/‬‬ ‫‪Γz = (¼)n = 4.74x1014‬‬ ‫• یک تک لیه از اب تقریبا در هر ثانیه ‪ 6-10‬تور در فشار پایه دارد‬

‫تعادل بین یک مایع و بخارش‬

‫‪P0‬‬ ‫= ‪Jc‬‬ ‫‪= JE‬‬ ‫‪12‬‬ ‫) ‪(2πmkT‬‬ ‫‪P0‬‬

‫=فشار بخار اشباع‬

‫فرکانس برخورد‬ ‫• ‪Xt=v‬‬

‫• فاصله ی متوسط طی کرده در یک ثانیه‪)V=x)1‬‬ ‫• فرکانس برخورد=‪ v/l‬پویش ازاد میانگین=‪l‬‬ ‫• برای ‪( N2‬در دمای اتاق و فشار اتمسفری)‬ ‫• هر ثانیه ‪C.F=470/6.6x10-6 =7.1x10 9‬‬ ‫• در فشار کم‪ c.f‬افزایش می یابد یا کاهش؟‬ ‫• در کدام فشار ‪ c.f‬یک ثانیه است؟‬

k295‫ در‬N2 ‫ های مختلف برای‬p ‫برای‬n،j، l )P)mbar( atm

n)m-3( 2.5X10 25

2.5X10 22

6.6X10-3

I)M.F.P( 6.6X10-6

J)cm-2 m-1 2.9X10 23 1- 103

2.9X10 20

1

2.5X10 19

6.6 cm

2.9X10 17

10-3

2.5X10 16

6.6 m

2.9X10 14

10-6

2.5X10 12

660 km

2.9X10 10

10-10

‫‪outgassing‬‬ ‫• رهایی گاز از درون سطح در خلء ‪ ،‬که با جدایی ملکول‬ ‫ها از روی سطح جامد اتفاق می افتد‬ ‫‪Outgassing‬‬ ‫‪vacuum‬‬ ‫دیواره ی محفظه ی‬ ‫ملکول ها‬

‫ملکول های جذب‬ ‫شیمیایی شده‬

‫جذب شیمیایی و جذب فیزیکی‬

‫جذب فیزیکی‬ ‫جذب فیزیکی < جذب شیمیایی‬ ‫جدا کردن گازازمایع=جدایی ملکول‬ ‫‪= kcal/mol 2-10‬جذب فیزیکی‪q‬‬ ‫‪ = kcal/mol 15-32‬جذب شیمیایی ‪q‬‬

‫جذب شیمیایی‬

‫متوسط ماندگاری جذب فیزیکی‬ ‫• ملکولهای جذب فیزیکی شده یک طول عمر محدود روی سطح دارند‬ ‫• ‪Kt‬در دمای اتاق ‪ev 40/1‬است‬ ‫متوسط ماندگاری جذب فیزیکی متوسط طول عمر ملکول های جذب‬

‫فیزیکی شده می باشد( ( ‪τ‬‬

‫∀‪exp)q/kT(=10-13) exp)40q‬‬

‫‪τ =10-13‬‬

‫متوسط ماندگاری جذب فیزیکی شده‬ ‫• مقادیر‬

‫برای ‪ q‬مختلف در ‪k295‬‬ ‫‪τ‬‬

‫)‪q(eV‬‬

‫‪3x10 -10‬‬

‫‪0.2‬‬

‫‪1µs‬‬

‫‪0.4‬‬

‫‪20 ms‬‬

‫‪0.6‬‬

‫‪400 s‬‬

‫‪0.9‬‬

‫)‪1.2x 10 6 s (= 2 weeks‬‬

‫‪1.1‬‬

‫گاز ها و پمپ ها‬ ‫• ملکولهای جذب فیزیکی شده(مشکی)‬ ‫• ملکول های رانده شده(قرمز)‬ ‫• ‪(Outgassing‬ابی )‬

‫‪pump‬‬

‫جریان گاز و گذردهی‬ ‫•‬

‫گاز درطول لوله جریان می یابد‬

‫‪P1>P2‬‬ ‫‪P2‬‬

‫`‪A‬‬

‫‪Flow‬‬

‫‪A‬‬

‫فشار در هر مقطع عرضی ثابت است‬ ‫گذردهی را این چنین تعریف می کنیم‬ ‫‪mbar l s-1‬‬

‫‪dV‬‬ ‫‪Q=P‬‬ ‫‪= PV 0‬‬ ‫‪dt‬‬ ‫‪Q‬ثابت در طول لوله است‬

‫‪P1‬‬

‫‪،Q‬ثابت در طول لوله‬ ‫معمول گذر دهی ثابت است(حالت ایستا)‬

‫‪V2‬‬

‫‪V3‬‬ ‫‪Q‬‬ ‫‪P3‬‬

‫‪Q‬‬ ‫‪P2‬‬

‫‪Q‬‬

‫‪V1‬‬ ‫‪P1‬‬

‫‪Q = P1V`1=P2 V`2=P3V`3‬‬

‫گذردهی(مثال)‬ ‫گذردهی‪:‬مقدار گاز خارج شده بوسیله ی پمپ در واحد زمان‬ ‫• ‪)Q = p)dV/dt( = pS )Torr-liter/s‬‬

‫‪P1‬‬ ‫‪P2‬‬ ‫‪pump 2‬‬ ‫‪5 ℓ/s‬‬

‫‪pump 1‬‬ ‫‪500 ℓ/s‬‬

‫‪Q = P1S1 = P2S2‬‬ ‫‪P2 = 100 P1‬‬

‫سرعت فلوی جرمی و گذردهی‬ ‫‪PV = NkT‬‬ ‫‪dN‬‬ ‫‪PV‬‬ ‫‪P‬‬ ‫‪dV‬‬ ‫‪PV 0‬‬ ‫() ‪=( d dt‬‬ ‫(= )‬ ‫()‬ ‫=)‬ ‫‪dt‬‬ ‫‪kT‬‬ ‫‪kT‬‬ ‫‪dt‬‬ ‫‪kT‬‬ ‫‪dN‬‬ ‫‪Q‬‬ ‫=‬ ‫‪dt‬‬ ‫‪kT‬‬ ‫‪dN‬‬ ‫‪Q‬‬ ‫‪m‬‬ ‫‪=m‬‬ ‫‪dt‬‬ ‫‪kT‬‬

‫• مثال‪:‬یک پنکه هوای اتمسفری را با اهنگ‪ 9/0‬متر مکعب در دقیقه به داخل یک اتاق می فرستد‬ ‫گذردهی این سیستم چقدر است؟(بر حسب میلی بار بر ثانیه)‬ ‫• جواب‪:‬‬ ‫‪m3=900 l and V`=900/60=15 l s-1 0.9‬‬ ‫‪Q = PV`=1000x15=15000‬‬