Vacuum 3bas

‫تکنیک خل‬ ‫مفهوم پایه ی خل‬

Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University

‫فشار بخار‬ ‫واژه شناسی‬ ‫تبخیر‪:‬تبدیل مایع به گاز تبدیل ‪-‬‬ ‫تصعید‪:‬تبدیل جامد به گاز ‪-‬‬ ‫بخار‪:‬گازی که هنگام تبخیر مایع یا جامد تولید می شود ‪-‬‬ ‫) تغلیظ(تراکم)‪:‬تبدیل دوباره بخار به مایع یا جامد (حالت چگال ‪-‬‬ ‫تعادل‪:‬حالتی درسیستم که طی آن نیروهای متقابل یکدیگر را خنثی می کنند ‪-‬‬ ‫فرار‪:‬مایع هایی که به راحتی بخار می شوند و فشار بخار بالیی دارند ‪-‬‬

‫‪Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University‬‬

‫فشار بخار‬ ‫‪:‬تبخیر زمانی رخ می دهد که‬ ‫دمای ماده افزایش می یابد‬ ‫فشار بر روی سطح ماده کاهش می یابد‬

‫فشار بخار‪:‬فشاری که طی آن دریک دمای مشخص مایع یا جامد به‬ ‫‪.‬صورت بخاردرمی آیند‬ ‫هنگامی که دما افزایش می یابد چه تغییری در فشار بخار ایجاد می شود ؟‬

‫‪Outgassing‬‬ ‫هنگامی که ماده در سیستم خل تحت فشارکم‪،‬ازحالت چگال خود به‬ ‫‪.‬بخارتبدیل می شود‬ ‫قطرات به شدت کوچک آب ‪٬‬حلل یا اثر انگشت که درمحفظه به جای مانده اند‬ ‫می توانند به صورت بخار در آمده و زمان لزم برای پمپاژ یک سیستم ( به‬ ‫‪Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University‬‬ ‫‪.‬منظور کاهش فشار و ایجاد خل) را افزایش دهند‬

‫فشار بخار‬ ‫مایعات درون یک محفظه بسته تا‬ ‫‪:‬زمانی می توانند بخار شوند که‬ ‫فشار جزئی در هوای بالی مایع =فشار بخار‬ ‫مایع‬

‫‪.‬باشد‬

‫‪Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University‬‬

‫فشار بخار‬

Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University

‫فشار بخار آب در دماهای مختلف‬

‫)‪P (mbar‬‬

‫)‪T (O C‬‬ ‫(جوش(‬

‫‪1013‬‬ ‫‪32‬‬

‫‪100‬‬ ‫‪25‬‬

‫(انجماد(‬

‫‪6.4‬‬ ‫‪0.13‬‬

‫‪0‬‬ ‫‪-40‬‬

‫‪6.6 x 10 -4‬‬

‫(یخ خشک(‬

‫‪-78.5‬‬

‫‪10 -24‬‬

‫(هیدروژن مایع(‬

‫‪-196‬‬

‫‪Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University‬‬

‫فشار بخار‬ ‫‪:‬دیاگرام فاز‬ ‫تعیین می کند که یک ماده در ‪-‬‬ ‫دما و فشار مشخص‪٬‬به چه‬ ‫حالتی می تواند وجود داشته‬ ‫باشد‬ ‫مثال‪:‬آب ‪-‬‬

‫‪Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University‬‬

‫‪Vapor Pressure‬‬ ‫‪:‬مثال‬ ‫در چه دمایی‪،‬زمانی که فشار تا ‪ 1‬تور کاهش یابد ‪٬‬آب می جوشد؟‪-‬‬ ‫حالت های متراکم ماده در سمت راست خطوط قرار دارند یا در سمت چپ؟‪-‬‬ ‫چنانچه یک سیستم ‪CVD-‬در دمای ‪500‬درجه ی سانتیگراد وفشار‬ ‫میلی تورکارکند‪،‬چه فلزاتی را نمی توان به عنوان بدنه ی محفظه ی خل ‪1‬‬ ‫بکار برد؟‬ ‫‪:‬نتیجه گیری‬ ‫فشار بخار مواد در هنگام انتخاب آنها برای استفاده در خل باید مورد توجه‪-‬‬ ‫‪.‬قرار گیرد‬ ‫‪.‬که شامل درزگیرها‪،‬روغن‪،‬فلزات محفظه‪،‬دریچه ها‪،‬ویفر و‪ ...‬می شود‪-‬‬ ‫‪Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University‬‬

)n(‫چگالی گازها‬ ‫قانون گازهای ایده آل‬ PV = NkT ‫ پاسکال در دمای اتاق‬1 ‫غلظت گاز در فشار‬ N/V = n = P/kT = )1 N/m2(/)1.3807x10-23J/K()300 K( = [1 )kg-m/s2(/m2]/[4.1x10-21 kg-m2/s2] = 2.4x1020 atoms per m3 = 2.4x1014 cm-3 …at 1 Pa ‫قانون سر انگشتی‬ n)T( = 3.2x1013 cm-3 x )300/T( …at a pressure of 1 mTorr Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University

‫مسافت آزاد میانگین(‪)1‬‬ ‫فاصله میانگین بین برخورد های مولکولی در گاز‬ ‫)‪cm Or, =.0066/P (P mbar‬‬

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

‫‪=σ‬تصویر مولکول بر روی سطح~سطح مقطع مولکولی‬ ‫آخرین حالت معادله برای هوا و دمای )می باشد‪20oC).‬‬

‫‪λ‬‬

‫‪67 nm‬‬ ‫‪51 µm‬‬ ‫‪51 mm‬‬ ‫‪51 m‬‬ ‫‪51 km‬‬

‫)‪p (Torr) ϕ (molec./cm2-s‬‬ ‫‪2.9x1023‬‬ ‫‪3.8x1020‬‬ ‫‪3.8x1017‬‬ ‫‪3.8x1014‬‬ ‫‪3.8x1011‬‬

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

‫هنگامی که > کوچکترین بعد مسیر شارش‪،‬شارش مولکول های آزاد است‬ ‫خواهد بود‬ ‫اگر < ‪.λ‬در حد ابعاد دستگاه باشد‪،‬شارش از نوع چسبنده‬ ‫‪Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University‬‬

)2(‫مسافت آزاد میانگین‬

: ‫مسافت آزاد میانگین با کاهش فشار افزایش می یابد‬ ∀ λ )cm( ~= .005 / P )torr( – at 1 atm, MFP = 0.02 microns – at 1mT, MFP = 5.08 cm – at 10-9 torr )UHV(, MFP = 50 km

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 1.00E10

MFP

1.00E08

1.00E06

1.00E04

1.00E- 1.00E+0 1.00E+0 1.00E+0 02 0 2 4

Pressure (Torr)

Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University

(3)‫مفهوم مسافت آزاد‬ ‫تراکم مولکولی و مسافت آزاد‬ ‫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

Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University

‫برخورد و مسافت آزاد میانگین‬ ‫چگالی گاز‬ n = P/ kT ‫سطح مقطع برخورد‬

σ ~ πd 2

λ = 1/σn

d

‫ برخورد شدید کره های سخت‬:λ = kT / √2 πd2P

  2.6 1015 cm 2 → Ar

λAr(cm) ∼ 8 / P )mTorr(

Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University

‫بعد اتم و مولکول‬ ‫=بعد اتم ‪3 A0‬‬

‫‪:‬فاصله میانگین مولکولها در فشار اتمسفری‬ ‫در ‪3‬گاز نیتروژن‪19 cm 1‬مولکول وجود دارد‪X10 2.5‬‬ ‫‪:‬بنابراین‬

‫‪1/2.5X10 19= 4X10 -20 cm=34 A0‬‬

‫‪Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University‬‬

‫میانگین فاصله مولکولی‬ ‫‪:‬در فشار اتمسفری‬ ‫‪19‬مولکول‪3 2.5X10‬را اشغال می کنند‪cm 1‬‬ ‫‪19 =4x10 -20 cm3‬حجم یک مولکول=‪1/2.5x10‬‬ ‫‪-20 (1/3=3.4x10 -7 cm=34 A0‬طول هر مولکول=(‪4x10‬‬

‫‪3 A0‬‬ ‫‪34 A0‬‬

‫‪Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University‬‬

‫•‬ ‫•‬

، ‫آهنگ برخورد تقسیم بر فلو به ازای واحد سطح‬،J ‫آهنگ برخورد سطحی‬ nV J= 4 8kT 8RT T V= = = 145 πm πM M P J= (2πmKT )1 2 M = mN av kN av = R PN av J= (2πMRT )1 2

Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University

1cm2

‫توزیع ماکسول‬ ‫است‬v, v+dv ‫سرعت مولکولهایی که سرعت آنها بین‬

N (v) = 4πN ( ∞

mv 2 − 2 2 kT

3 2

m ) v e 2πkT

∞

mv 2

3

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

∫v e 0

3 − λv 2

1 dv = 2 2λ 3

m 2 1 2kT 2 8kT v = 4π ( ) × ( ) = 2πkT 2 m πm Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University

‫توزیع ماکسول‬ vrms ∞

v = 2

2 ∫ N (v)v dv 0

N

=

∫ 4πN (

3 2

m ) v 2e 2πkT

− mv 2 kT

v 2 dv

N

3∞

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

3

m 2 3 π 2 v = 4π ( ) × 2πkT 8 λ5 v rms = v 2 =

3kT m

Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University

‫توزیع ماکسول‬ dN (v) =0 dv 3 2

dN (v) m d 2 = 4πN ( ) (v e dv 2πkT dv 3 2

m 4πN ( ) (2ve 2πkT 2kT vp = m

− mv 2 kT

− mv 2 2 kT

)=0

2mv −v × e 2kT 2

− mv 2 2 kT

mv 2 2 ) = 0 ⇒ v(2 − v )=0 kT

Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University

‫سرعت برخورد سطحی‬ ‫توزیع ماکسول‬ P (v )  m  f (v ) = =  2 4πv  2πkT 

3/ 2

 − mv 2   exp  2kT 

‫سرعت میانگین یک اتم‬ ∞

8kT < v > = c = ∫ v f (v)4πv dv = πm 0 _

2

x-y ‫فلوی اتم ها در صفحه‬

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

)Campbell(

Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University

‫بسیار مهم‬

‫سرعت برخورد سطحی‬ ‫آهنگ برخورد مولکول های گازبه واحد مساحت سطح (همچنین خروج از ظرف‬ ‫)از میان روزنه ای کوچک به درون خل‬ ‫‪molecules striking surface‬‬ ‫‪s‬‬

‫‪cm2‬‬

‫‪22‬‬ ‫‪p‬‬ ‫‪8‬‬ ‫‪kT‬‬ ‫‪p‬‬ ‫‪3‬‬ ‫‪.‬‬ ‫‪5‬‬ ‫×‬ ‫‪10‬‬ ‫( ‪p)Torr‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫=‬ ‫‪J = 14 nv = 14  ‬‬ ‫=‬ ‫‪MT‬‬ ‫‪2π mkT‬‬ ‫‪ kT  π m‬‬

‫‪molecules/cm ,3‬چگالی مولکولی در گازها= ‪• n‬‬ ‫میانگین سرعت در توزیع ماکسول‪-‬بولتزمن = ‪• v‬‬ ‫ثابت بولتزمن= ‪• k‬‬ ‫جرم مولکول= ‪• m‬‬ ‫(‪)K‬دما در مقیاس کلوین = ‪• T‬‬ ‫آووگادرو بدست‬ ‫شکل عددی به صورت ضرب صورت و مخرج کسردر عدد‬ ‫‪v‬‬ ‫‪NAv,‬بدست می اید‪.‬بخاطر داشته باشید که ‪NAvk = R‬ثابت گازها و‬ ‫‪.NAvm = M‬جرم ویژه ی مولکولی گاز می باشد‬ ‫‪Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University‬‬

‫مثال‬ ‫ یک مخزن خل فشار پایه ای برابر‬6-10 ‫چنانچه محتویات غالب آن بخار آب‬٬‫دارد‬

n = 3.2x1013 cm-3/mTorr * 10-3 mTorr = 3.2x1010 cm-3 = (8kT/πM)1/2 = 59200 cm/s

Γz = (¼)n = 4.74x1014 molecules per cm2 per sec! 610 Torr

Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University

‫تعادل بین یک مایع و بخار آن‬

P0 Jc = = J E 12 (2πmkT ) P0=‫فشار بخار اشباع‬

Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University

‫بسامد برخورد‬ ‫‪• V=xt‬‬ ‫(‪ :V=x)1‬میانگین مسافتی که در یک ثانیه طی می شود •‬ ‫‪:V/l‬بسامد برخورد‬ ‫‪I‬مسافت آزاد میانگین‪:‬‬ ‫‪ ٬‬برای ‪) N2‬در دمای اتاق و فشار اتمسفری)‬ ‫در ثانیه ‪• C.F=470/6.6x10 -6 =7.1x10 9‬‬ ‫در فشار پایین ‪ C.F‬افزایش می یابد یا کاهش؟‬ ‫است؟‪Dr. G. Mirjalili,‬‬ ‫‪Physics Dept.‬‬ ‫‪University‬‬ ‫یک‪Yazd‬ثانیه‬ ‫در چه فشاری ‪C.F‬‬

295K‫ ودمای‬N2 ‫ درفشارهای مختلف‬n, J, l • P)mbar( 103 -1 atm

n)m-3( 2.5X10 25

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

1

2.5X10 22

6.6X10-3

10-3

2.5X10 19

6.6 cm

2.9X10 17

10-6

2.5X10 16

6.6 m

2.9X10 14

10-10

2.5X10 12

660 km

Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University

J)cm-2 m-1( 2.9X10 23 2.9X10 20

2.9X10 10

‫‪Outgassing‬‬ ‫رهایی گاز از سطح داخلی به درون خل‪٬‬که با آزاد شدن‬ ‫مولکول های بدام افتاده در مرزها و حفره های روی سطح‬ ‫جامد اتفاق می افتد‬ ‫‪Outgassing‬‬

‫خل‬ ‫مولکول های دیواره‬ ‫مخزن‬

‫مولکول های جذب شده‬ ‫‪Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University‬‬

‫جذب سطحی شیمیایی و فیزیکی‬

‫‪q‬‬

‫جذب فیزیکی‬

‫جذب فیزیکی ‪‬‬

‫جذب شیمیایی‬ ‫جذب شیمیایی‬

‫رهایی مولکول ها=خارج شدن مولکول ها از سطح‬ ‫جذب فیزیکی‪q=kcal/mol 10-2‬جذب شیمیایی=‪kcal/mol 32-15‬‬

‫‪Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University‬‬

‫‪q‬‬

‫متوسط زمان باقی ماندن جذب‬ ‫جذب سطحی مولکول ها عمر محدودی بر روی سطح دارد‬ ‫‪kT‬است‪ eV 1/40‬در دمای اتاق‬ ‫زمان باقی ماندن جذب‪،‬میانگین عمرمولکولهای جذب شده (‪(τ‬می باشد‬

‫(‪∀τ =10 -13 exp)q/kT(=10 -13 exp)40q‬‬ ‫” معادله‪• “De Boer‬‬

‫‪Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University‬‬

‫متوسط زمان باقی ماندن جذب‬ :295 K ‫ های مختلف در دمای‬q‫برای‬

q(eV)

‫مقادیر‬

τ

0.2

3x10 -10

0.4

1µs

0.6

20 ms

0.9

400 s

1.1

1.2x 10 6 s (= 2 weeks)

Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University

‫گازها و پمپاژ‬ ‫مولکول های جذب شده‬ ‫مولکول های معلق‬ Outgassing

pump

Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University

‫شارش گاز و گذردهی‬ ‫گاز در لوله جریان می یابد‬ ‫‪P1>P2‬‬ ‫‪P2‬‬

‫`‪A‬‬

‫‪Flow‬‬

‫‪A‬‬

‫فشار در هر سطح مقطع ثابت است‬ ‫‪:‬گذردهی را به صورت زیر تعریف می کنیم‬ ‫‪mbar l s-1‬‬

‫‪dV‬‬ ‫‪Q=P‬‬ ‫‪= PV 0‬‬ ‫‪dt‬‬ ‫گذردهی درطول لوله ثابت است‬

‫‪Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University‬‬

‫‪P1‬‬

‫•‬

‫در طول لوله ثابت است‬Q ‫)معمول گذردهی پایااست(حالت ایستا‬

V2 V1 P1

Q

Q P2

V3 Q P3

Q = P1V`1=P2 V`2=P3V`3 Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University

‫)گذردهی (مثال‬ ‫میزان گازی که توسط پمپ در واحد زمان از محفظه خارج می شود‬: Q = p)dV/dt( = pS )Torr-liter/s(

Q = P1S1 = P2S2 P2 = 100 P1

P1 P2 pump 1 500 ℓ/s

Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University

pump 2 5 ℓ/s

‫آهنگ شارش جرم 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 Mass flow rate dt kT ‫یک هواکش هوای اتمسفری را با آهنگ‬:‫مثال‬m3 0.9‫ گذردهی این‬٬‫وارد یک اتاق می کند‬ ‫هواکش چه قدر است؟‬ m3=900 l and V`=900/60=15 l s-1 0.9 :‫پاسخ‬ Q = PV`=1000x15=15000

Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University

‫سرعت‬ ‫سرعت بصورت شارش حجمی در جایی که گاز از یک مجرا وارد لوله می‬ ‫شود و جایی که از لوله به داخل پمپ خارج می شود تعریف می شود‬ ‫سرعت پمپ‪:‬حجمی از گاز که پمپ در واحد زمان به داخل خود می کشد‬

‫‪dV‬‬ ‫=‪P‬‬ ‫‪dt‬‬ ‫‪dV‬‬ ‫‪Q=P‬‬ ‫‪= PV 0 = P‬‬ ‫‪dt‬‬ ‫‪Q −1‬‬ ‫‪S = ls‬‬ ‫‪P‬‬ ‫‪Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University‬‬

S ‫*و‬S

S

Q

S* pump

vessel

S*>S

S/S*=1‫سیستم ایده آل‬

Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University

‫رسانایی‬ ‫رسانایی‪ ،‬قابلیت یک لوله برای جابجایی حجمی از گاز از یک سر آن به‬ ‫سر دیگردرواحد زمان رامشخص می کند‬

‫)‪C=Q/(P1-P2‬‬

‫‪P1>P2‬‬

‫‪P2‬‬

‫‪P1‬‬

‫‪Q‬‬ ‫‪P1-P2‬‬

‫‪Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University‬‬

‫سرعت پمپ در مخزن‬ C S, P

Q

Vessel

S*, P* pump

Q=SP Q=C)P-P*(=SP=S*P* 1/s=1/c +1/s*

S=S*[C/)S*+C(] S, S*, C‫رابطه بین‬ Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University

‫سرعت پمپاژ‬ ‫‪:‬سرعت پمپاژو رسانندگی به صورت زیر با هم ارتباط دارند‬

‫‪Sp‬‬

‫‪CT‬‬

‫‪SEFF‬‬

‫‪1‬‬ ‫‪1‬‬ ‫=‬ ‫‪+‬‬ ‫‪S P CT‬‬

‫‪Seff:‬سرعت پمپاژ مؤثر در محفظه‬ ‫‪Sp:‬سرعت پمپاژ‪(،‬قدرت)توانایی پمپ‬ ‫‪:Ctotal‬رسانندگی کل سیستم بین پمپ ومحفظه‬

‫‪Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University‬‬

‫‪1‬‬ ‫‪S EFF‬‬

‫سیستم خل و سیستم الکتریکی‬ P1

V2

V1

P2

∆P

∆V

∆P

∆V

‫باتری=پمپ‬ Q ∆P=ZQ ∆V=RI

I

∆P=Q/C C=1/Z C=Q/(p1-P2)

Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University

‫رسانندگی‬ ‫میزان سهولت برای عبور گاز در طول سیستم خل ‪)pipe, valve, etc(.‬‬ ‫‪.‬رسانندگی به قطر‪،‬طول وشکل لوله یا روزنه بستگی دارد‪-‬‬

‫واحد های رسانندگی‪:‬حجم بر زمان ولیتر بر ثانیه‬

‫رسانندگی می تواند عامل محدود کننده درسیستم‬ ‫های پمپاژباشد‬ ‫پمپی با سرعت پمپاژ‪-‬که با رسانندگی ‪l/sec 400‬‬ ‫کار می کند دارای سرعت مؤثری کمتر از ‪l/sec 100‬‬ ‫می باشد‪l/sec 100:‬‬

‫‪:‬مثال‬ ‫?=‪S*=400 l/sec, C=100 l/sec S‬‬ ‫])‪S=S*[C/(S*+C‬‬ ‫‪S=400[100/(400+100)]= 80 l/sec‬‬ ‫‪Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University‬‬

‫شارش های چسبنده و مولکولی‬

‫شارش مولکولی(مولکول‬ ‫)ها مستقل حرکت می کنند‬

‫شارش چسبنده(انتقال لحظه‬ ‫)ای تکانه بین مولکول ها‬

‫‪Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University‬‬

‫رژیم های شارش‬ ‫)شارش چسبنده‪(:‬مفهوم‬

‫این نوع شارش گاز زمانی روی می دهد که مولکولها ‪-‬‬ ‫آنقدر به هم نزدیک هستند که تعداد برخورد های ثابت‬ ‫روی میدهد‬

‫مسافت آزاد میانگین نسبتا کوتاه است ‪-‬‬ ‫گاز همانند یک مایع از فشار های کمتر به فشارهای ‪-‬‬ ‫بیشتر شارش می یابند‬ ‫‪.‬غالبأ در رژیم فشارهای پایین مشاهده می شود‬

‫‪Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University‬‬

‫رژیم های شارش‬ ‫‪:‬شارش مولکولی‬

‫جهت حرکت مولکول های گاز کامل تصادفی ‪-‬‬ ‫)است(نه الزاما به سمت فشار کمتر‬ ‫برخورد های خیلی کمی بین مولکولها در محفظه‬ ‫روی می دهد‬ ‫مسافت آزاد میانگین زیاد است‬

‫‪-‬‬

‫غالبأ در رژیم خل های بال مشاهده می شود ‪-‬‬ ‫)شارش دوگانه (حالت گذار‬ ‫)ناحیه ی گذار بین شارش چسبنده و مولکولی(گاهی رفتاری دوگانه از هر دو دارد‬ ‫رژیم های خل متوسط‪-‬‬ ‫‪Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University‬‬

‫‪M‬‬

‫رژیم های شارش‬ ‫‪T‬‬

‫‪V‬‬

‫‪C‬‬

‫‪P‬‬

‫‪:‬شارش چسبنده‬

‫مسافت آزاد میانگین‬ ‫بعد مشخصه‬

‫تا‪1‬بین ‪0.01‬‬

‫بعدمشخصه‬

‫‪:‬شارش حالت گذار‬ ‫‪:‬شارش مولکولی‬

‫مسافت آزاد میانگین‬

‫کمتر از‪0.01‬‬

‫مسافت آزاد میانگین‬ ‫بعد مشخصه‬

‫بیشتر از‪1‬‬

‫‪Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University‬‬

‫عدد حالت گذار‬

Viscous flow

0.01

λ/d=1

Molecular flow

T.F

Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University

‫رژیم های شار‬ ‫‪:‬نوع رژیم شارشی که سیستم در آن قرار دارد نوع سخت افزاری که میتوان بکار برد را تعیین می کند‬

‫‪:‬شارش چسبنده‬ ‫‪:‬پمپ های جابجا کننده‪rotary vane, roots, diaphragm‬‬ ‫‪:‬فشار سنج های مستقیم‪– manometers, bourdon tubes-‬‬ ‫‪.‬رسانندگی سیستم محدودیت کمی ایجاد می کند‬ ‫‪ :‬شارش مولکولی‪-‬‬ ‫جابجایی های ممنتوم یا پمپ های تله ای‪:‬توربو‪،‬یونی‪،‬برودتی‬ ‫فشار سنج های غیر مستقیم‪-‬‬ ‫رسانندگی سیستم محدودیت های زیادی ایجد می کند‪-‬‬ ‫درزگیر های فلزی‪-‬‬ ‫‪-‬‬

‫‪:‬‬

‫‪:‬‬

‫‪Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University‬‬

‫رسانندگی در شارش چسبنده)لوله های استوانه ای بلند و‬ ‫(هوا‬

‫‪d p1 + p2‬‬ ‫‪C = 1.38 × 10‬‬ ‫×‬ ‫‪l‬‬ ‫‪2‬‬ ‫‪4‬‬

‫‪2‬‬

‫‪C=lit/sec‬‬ ‫قطر لوله به سانتی متر= ‪d‬‬ ‫طول لوله به سانتی متر= ‪l‬‬ ‫فشار ورودی به تور= ‪P1‬‬ ‫فشار خروجی به تور= ‪P2‬‬ ‫‪Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University‬‬

‫رسانایی در شارش چسبنده‬

‫تحت شارش چسبنده دو برابر کردن قطر رسانندگی‬ ‫را شانزده برابر می کند‬ ‫رسانندگی به طور معکوس به طول لوله مربوط می ش‬

‫‪Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University‬‬

‫نیتروژن‬،‫(شارش چسبنده)لوله های استوانه ای بلند‬

d = 4 cm l = 100 cm

‫مثال‬: P1 = 2 torr P2 = 1 torr

4 d p1 + p2 2 C = 1.38 × 10 × l 2

256 3 C = 138 × × 100 2 C=530 lit/sec Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University

‫رسانایی درشارش مولکولی‬

‫تحت شارش مولکولی دو برابر کردن قطر رسانندگی را‬ ‫هشت برابر می کند‬ ‫رسانندگی به طور معکوس به طول لوله مربوط می شود‬

‫‪Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University‬‬

‫رسانندگی در شارش مولکولی‬ (‫(لوله استوانه ای طویل‬ 3

d T C = 3.81 × × lit / sec l M

cm‫قطر لوله به‬d= cm ‫طول لوله به‬l= (K)=‫دما‬T A.M.U.=M Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University

‫رسانندگی در شارش مولکولی‬ (‫(لوله استوانه ای طویل‬ ‫مثال‬: T = 295 K (22 OC) M = 28 (‫(نیتروژن‬

d3 T C = 3.81 × × lit / sec l M d 3 295 d3 C = 3.81 × = 12.36 × lit / sec l 28 l Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University

‫ (شارش مولکولی‬:‫)مثال‬ T=295 K )22 C(

d=4 cm

M=28 )‫نیتروژن‬l=100 cm

) 3

d T C = 3.81 × × lit / sec l M d C = 3.81 × l

3

3

295 d = 12.36 × lit / sec 28 l

C=12.36x 0.64 C= 7.9 lit/sec

Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University

‫رسانندگی‬

Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University

‫رسانندگی سری‬

RT = R1 + R2

‫سیستم‬

1 = 1 + 1

CT

C1

C2

1 = C 1 + C2 CT CT =

C1 x C2

C1 C2

C1 x C 2 C 1 + C2 Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University

‫پمپ‬

‫سرعت پمپاژ‬ ‫‪:‬سرعت پمپاژ و رسانایی به صورت زیر با هم ارتباط دارند‬

‫‪Sp‬‬

‫‪CT‬‬

‫‪SEFF‬‬

‫‪1‬‬ ‫‪1‬‬ ‫=‬ ‫‪+‬‬ ‫‪S P CT‬‬

‫‪Seff‬سرعت پمپاژ در دهانه ی محفظه‪:‬‬ ‫‪):Sp‬سرعت پمپاژ پمپ(توان پمپ‬ ‫‪C:total.‬رسانندگی کل سیستم بین محفظه و پمپ‬

‫‪Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University‬‬

‫‪1‬‬ ‫‪S EFF‬‬

1 1 1 = + S1 C S2

Cm=‫قطر به‬D Cm=‫ طول به‬L ℓ/s=‫رسانندگی به‬C

P1, S1 C

P2 S2 pump 500 ℓ/s

D3 C ≅ 12 L

‫لوله اتصال‬٬‫رسانندگی‬ 1‫مثال‬

2‫مثال‬

D = 15 cm L = 20 cm C = 2025 ℓ/s S1= 401 ℓ/s

D = 10 cm L = 20 cm C = 600 ℓ/s S1= 273 ℓ/s

‫پمپ گران است ولی لوله ارزان‬ Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University

‫در شارش‬ ‫مولکولی‬

‫نمونه ای از وضعیت خل و محاسبات آن‬

S1 1/S1=1/C+1/S2 C

S2

500 l/sec pump + 500 l/sec conductance 500 l/sec pump two 500 l/sec pumps “infinite” conductance connected in parallel 1/EPS = 1/500 + 1/500 = 2/500 l/sec or EPS = 250 l/sec EPS = 500 + 500 EPS = 500 l/sec Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University = 1000 l/sec

‫نمونه ای از وضعیت خل و محاسبات آن‬

‫‪gas flow‬‬ ‫‪3 torr-liter/sec‬‬

‫گذردهی=سرعت پمپاژ‪X‬فشار‬

‫‪Q=P×S‬‬ ‫‪:‬سوال‬ ‫اگر سرعت موثر پمپاژاز یک محفظه‪l/sec 100‬باشد و فشار محفظه‬ ‫‪٬‬تجاوز نکند‪٬‬مقدار گازی که بایدبه داخل محفظه شارش ‪torr 0.03‬از‬ ‫یابد چه قدر است؟‬

‫‪maximum pressure‬‬ ‫‪0.03 torr‬‬ ‫‪EPS = 100 l/sec‬‬

‫‪:‬جواب‬ ‫‪×(0.03 torr),‬ماکزیمم گذردهی= )‪l/sec) 100‬‬ ‫‪or 3 torr-liter/second‬‬ ‫گذردهی‪torr-liter/second 3‬‬ ‫‪Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University‬‬

‫نمونه ای از وضعیت خل و محاسبات آن‬

as flow 1 torr-liter/sec

250 l/sec ‫تصور کنید که سرعت پمپاژ از یک محفظه‬ steady-state pressure 4×10-4 torr

0.1 torr-liter/second‫باشد وگازی معادل‬ ‫فشار حالت تعادل چقدر است؟‬،‫ وارد محفظه گردد‬.

EPS = 250 l/sec

Solution:P=Q/S 0.1 torr= 4×10-4 torr liter/second 250 throughput 0.1 torr-liter/second liter/second Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University

‫نمونه ای از وضعیت خل و محاسبات آن‬

N2 flow 8×10-3 sccm

standard cm3 per minute 8

‫سوال‬:

‫×وارد یک محفظه می شود‬10-3 sccm‫ برابر‬N2 ‫جریان کنترل شده ای از‬ ‫فشار اندازه گیری شده محفظه پمپاژ(فشار تعادل آن ) چه قدر خواهد بود؟‬ ‫استاندارد=فشار اتمسفری‬

:

‫فشار محفظه‬ 1.5×10-6 torr EPS = 67 l/sec

8×10-3 sccm = (8/60)×10-3 standard cc/sec = (8/60)×10-6 standard liter/sec = 760×(8/60)×10-6 torr-liter/sec = 1.01 ×10-4 torr-liter/sec S=Q/pto get: We divide by the indicated pressure 1.01 ×10-4 torr-liter/sec 1.5 ×10-6 torr

= 67 liters/sec

8‫×گذردهی‬10-3 sccm Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University

‫تمرین‬: gas inlet, O2 1x10-4 torr ℓ/s

gas inlet, N2 1x10-3 torr ℓ/s

1‫محفظه‬ 1‫پمپ‬ 500 ℓ/s

2‫محفظه‬ 2‫پمپ‬ 100 ℓ/s

‫تخمین زدن‬: 1 ‫)در محفظه‬P)N2

‫لوله اتصال‬ cm 1‫قطر داخلی‬

cm 10 ‫طول‬

Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University

2‫)در محفظه‬P)N2 1‫)در محفظه‬P)O2

‫رسانایی ماکزیمم یا مینیمم؟‬ ‫•واضح است که در اغلب موارد ما می خواهیم رسانایی را ماکزیمم کنیم‬ ‫اما گاهی اوقات می خواهیم که رسانندگی را محدود کنیم‬ ‫پمپاژ اهسته به منظور کاهش فشار‪،‬وارد کردن شک به سیستم‪-‬‬ ‫دریچه ی کنترل بخار برای حفظ فشار خواسته شده در سیستم‪-‬‬

‫‪Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University‬‬

)1(‫شارش مولکولی رسانندگی یک روزنه‬ P1 , J1, n1

J1

J2

P2 , J2, n2

dN =( J 1 −J 2 ) A dt dN Q =kT ( ) dt P0 J = ( 2πmkT )1 2 Q=

kT A( P1 −P2 ) = 2πm

RT A( P1 −P2 ) 2πm

Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University

‫شارش مولکولی رسانندگی یک روزنه(‪)2‬‬ ‫) ‪Q = C ( P1 − P2‬‬ ‫‪RT‬‬ ‫=‪Q‬‬ ‫) ‪A( P1 − P2‬‬ ‫‪2πm‬‬ ‫رسانندگی یک روزنه‬

‫برای یک روزنه دایروی‬

‫‪RT‬‬ ‫= ‪⇒ C0‬‬ ‫‪A‬‬ ‫‪2πm‬‬ ‫‪C0=9.3 D2 l/s -1‬‬

‫‪:‬ماکزیمم سرعت یک پمپ‬ ‫‪S*=C inlet=C0= 9.3D2‬‬ ‫‪Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University‬‬

‫احتمال گذار‬ J1 J2 WJ1 A

WJ2 A

W ( J1 − J 2 ) A × kT Q = kT ( J1 − J 2 ) AW Q=

kT AW ( P1 − P2 ) = 2πm

RT AW ( P1 − P2 ) 2πM

RT C0 = A 2πM ⇒ Q = WC0 ( P1 − P2 ) ⇒ C pipe = WC0 Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University

‫محاسبه رسانندگی برای لوله های طویل معمولی‬ ‫)رسانندگی در شار چسبنده(لوله های طویل‬ ‫‪4‬‬ ‫‪d‬‬ ‫‪p1 + p2‬‬ ‫‪2‬‬ ‫‪C L = 1.38 × 10‬‬ ‫×‬ ‫‪lit / sec‬‬ ‫‪l‬‬ ‫‪2‬‬

‫)رسانندگی در شارش مولکولی(لوله های طویل‬

‫‪d3‬‬ ‫‪T‬‬ ‫× ×‪C L = 3.81‬‬ ‫‪lit / sec‬‬ ‫‪l‬‬ ‫‪M‬‬ ‫)رسانندگی در لوله های معمولی(شارش مولکولی‬

‫‪C0 × C L‬‬ ‫=‬ ‫‪C0 + C L‬‬

‫‪Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University‬‬

‫‪C pipe‬‬

‫محاسبه احتمال گذار‬ d 3 2πRT CL = 6L M

C pipe C pipe

RT C0 = A 2πM

C0 × C L = C0 + C L

C0 CL CL = = = 1 + C L C0 1 + 3L 4d 1 + 4d 3L

C pipe = WC0

⇒

1 W= 1 + 3L 4d

Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University

‫سرعت پمپاژ‬

‫سرعت پمپ‪ :‬حجم گازی که در در واحد زمان توسط پمپ مکش می شود ‪-‬‬ ‫‪:‬در فشار ورودی پمپ ‪-‬‬

‫(‪• S = dV/dt )in lit/sec(, S ≠ f)p‬‬

‫سرعت خروج پمپ‪:‬آهنگی که با آن پمپ خل گاز ها را از سیستم خارج می کند ‪-‬‬ ‫همچنین به عنوان آهنگ شارش حجمی شناخته می شود ‪-‬‬ ‫‪:‬‬

‫‪volume/time‬واحد های سرعت پمپاژ ‪-‬‬

‫(‪– liters/second or ft3/minute )CFM‬‬

‫سرعت پمپاژ و رسانندگی مترادف نیستند ‪-‬‬ ‫رسانندگی خاصیت یک جز از سیستم خل می باشد‬ ‫سرعت پمپاژ به شارش گاز از یک سطح مقطع در سیستم مربوط می ‪-‬‬ ‫شود‬

‫‪Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University‬‬

‫معادله اساسی شارش و سرعت پمپ‬ − VdP = SPdt − QT dt dP + V ( ) = − SP + QT dt If QT= 0

Re-expressed

QT ⇒ Pu = S ‫حالت سکون‬

dP S = −( )dt p V P = P0 exp{− t (V S )}

t = (V S ) ln( P0 P) P‫ به‬P0‫زمان لزم برای کاهش فشار از‬ Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University

‫مدت زمان پمپاژ‬ d PV = −SP dt

‫معادله گذردهی‬

dP S =− P dt V

P

t

P = P0 e V τ= S

- t/τ

‫مثال‬ V = 1000 ℓ S = 500 ℓ /s τ=2s 2.3‫ هر‬τ, 10 x pressure drop

‫ چرا در عمل برای رفتن از فشار‬6-10 ‫تور به‬7-10 ‫تور مدت زمان بیشتری‬ ‫طول میکشد؟‬ Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University

‫مثال‬ ‫در یک محفظه خل‪ S=0.5 lit/s ٬V=40 lit1: ٬‬است‪.‬چه مدت زمانی طول‬ ‫می کشد تا فشار از ‪ P0=1000 mbar‬برسد؟‪mbar 1‬به‬ ‫‪t= )40/0.5(ln 10 3=552 s= 9 min‬‬

‫برای کاهش فشار یک مخزن‪:2‬به‪ mbar 1000‬از‪10 mbar 1m3‬‬ ‫دقیقه‪٬‬سرعت پمپ چه قدر باید باشد؟‪5‬در‬ ‫(‪S=)V/t(ln)P0/P‬‬ ‫‪S=)1000/300(ln)10 2(=900 lit min -1 =5.4 m3 h-1‬‬

‫‪Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University‬‬

‫‪Gas Sources‬‬ ‫‪:Outgassing‬تغیر شکل طبیعی گونه ها در داخل‬ ‫محفظه‪٬‬در فشار کم و شرکت کردن آنها در ایجاد فشار‬ ‫گاز‬ ‫تصعید ماده از سطح محفظه‬ ‫آزاد شدن مولکول هایی که به طور فیزیکی جذب‬ ‫دیواره شده اند‬ ‫خارج شدن گاز هایی که در حفره های سطحی فلز جذب‬ ‫شده اند‬ ‫تبخیر مایعات و جامدات در محفظه در نتیجه فشار بخار‬ ‫نسبتا بالی آنها‬

‫‪Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University‬‬

‫(‪Backstreaming)1‬‬ ‫حرکت گاز ها از طرف پمپ به سمت محفظه خل )شامل بخار روغن پمپ(مبحث مهمی‬ ‫در پمپ های دیفوژن می باشد‬ ‫قرار دادن یک صفحه سرد بر روی قسمت دیفوژن )پخش کننده(می تواند راه حل مناسبی‬ ‫باشد اما تنها به طور محدود در طراحی های تحقیقاتی به کار می رود‬ ‫پمپ های پخش کننده روغن تاریخچه ای طولنی دارند و بسیاری تلش نموده اند تا آنها‬ ‫را ارزان تر و ساده تر کنند تا راحت تر مورد استفاده قرار گیرند‬

‫‪Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University‬‬

Oil back streaming

2

PRESSURE LEVELS: LESS THAN 0.2 mbar Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University

Backstreaming(2) ‫یک پمپ ایده ال فقط مولکول ها را خارج می کند و چیزی را بر نمی گرداند‬ – real pumps “regurgitate” some gasses back into the system • oil from diffusion pumps and rotary vane pumps (draw) – oil-based pumping systems are designed with ballast, antisuckback valves, and cold traps to minimize backstreaming – this is the primary reason for the gradual replacement of oil-based pumps with “dry” pumps

Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University

Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University

Pumpdown Curve 10+1

‫( فشار‬mbar)

10-1

‫حجم‬

10-3 10-5

‫جذب سطحی‬

10-7 ‫پخش شدگی‬ 10-9 10-11 1 10

‫نفوذ‬ 10 11 10 13 10 15 10 17 Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University ‫( زمان‬sec)

10 3

10 5

10 7

10 9

‫زیر نظر استاد‪:‬دکتر غضنفر میر جلیلی‬ ‫‪:‬‬

‫گرد آورندگان‬ ‫زهرا کریمی‬ ‫طاهره توکلی‬

‫‪Dr. G. Mirjalili, Physics Dept. Yazd University‬‬