Plazma buzené za nízkého tlaku a jeho využití aneb fyzika věcí kolem nás Mgr. Jan Čech, Ph.D., Masarykova univerzita 16.5.2014,Trenčianska univerzita Alexandra Dubčeka v Trenčíne

Nízkotlaké plazma kolem nás Ref. Fig3 Ref. Fig4 Ref. Fig1a,b 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. Fig2 Ref. Fig4: DataTresorDisc: www.datatresordisc.cz Ref. Fig3: http://www.pfeiffer-vacuum.net/ Ref. Fig2: http://www.shm-cz.cz/pvd-povlaky-a-sluzby/pvd-povlaky/tin/ Ref. Fig1a: http://hzhilong.com/markets.htm; 1b: http://www.acreetech.com/index.php/products/diamond-like-carbon-coating

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

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?

K čemu je (nízkotlaké) plazma? Zbraně hvězdných válek Ref. Fig5: http://en.memory-alpha.org/wiki/Plasma_weapon Paramount Pictures and/or CBS Studios Ref. Fig5

K čemu je (nízkotlaké) plazma? Zbraně hvězdných válek K terapeutickým účelům – Postřižiny Ref. Fig6: http://hifiland.net/katalog/ozonizer-masazni-stroj-z-filmu-postriziny~zozonizer.html Ref. Fig6

K čemu je (nízkotlaké) plazma? Zbraně hvězdných válek K terapeutickým účelům – Postřižiny K pohonu vesmírných plavidel Ref. Fig7: http://www.nasa.gov/vision/space/travelinginspace/future_propulsion.html VASIMR Ref. Fig7

K čemu je (nízkotlaké) plazma? Zbraně hvězdných válek K terapeutickým účelům – Postřižiny K pohonu vesmírných plavidel Zdroj iontů a dalších aktivních částic Ref. Fig8: IonSource: Ji Q., A. Sy, J.W. Kwan. “Radio frequency-driven proton source with a back-streaming electron dump,” Rev Sci Instrum. 81(2):02B312 (2010). Ref. Fig8

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: http://www.shorpy.com/node/16228 Times Square:1950 „mpcdsp“ Ref. Fig9

Přehled dnešní přednášky První část: Vakuové technologie Druhá část: Plazmové technologie

„kvazineutrální ionizovaný plyn vykazující kolektivní chování“ 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

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

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)

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? Pozn.: http://www.aldebaran.cz/animace/photon_emission.flv

Plyn pod mikroskopem Jaká je rychlost částic plynu? Ref. Fig10 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: Pavel Slavíček – studijní materiály F4160: http://is.muni.cz/el/1431/jaro2014/F4160/um/

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 …

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

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.

Historie nízkého tlaku Ref. Fig11 Historie nízkého tlaku Ref. Fig12 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. Fig12 Ref. Fig11: http://www.princeton.edu/~his291/Magdeburg_Spheres.html Ref. Fig12: Vacuum by means of a mercury column. Florence, 1644. [Cf. Torricelli 1644; Middleton 1964, pp. 23-30.] Ref. Fig13: (c) Jaroslav Reichel http://www.jreichl.com/fyzika/exkurze/cern2006/obrazky/cesta/03_muzeum/img00028.htm

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: Pavel Slavicek, studijní materiály F4160: http://is.muni.cz/el/1431/jaro2014/F4160/um/ Ref. Fig14

JAK SE TEDY NÍZKÝ TLAK PROJEVUJE Ref. Fig15: Pavel Slavicek, studijní materiály F4160: http://is.muni.cz/el/1431/jaro2014/F4160/um/ Ref. Fig15

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

DŮLEŽITÉ CHARAKTERISTIKY VÝVĚV Výstupní tlak Mezní tlak Čerpací rychlost Kapalina/Suchá vývěva Provozní podmínky (teplota, hluk, vibrace) Pozn.: čerpání aparatury – koule o průměru 75 cm pomocí Scroll vývěvy a turbomolekulární vývěvy Ref. Fig16ab: Pavel Slavíček, studijní materiály F4160: http://is.muni.cz/el/1431/jaro2014/F4160/um/ Ref. Fig16ab

VÝVĚVY – ZÍSKÁNÍ NÍZKÉHO TLAKU Transportní Pístová/membránová (p .. 10 Pa / 10-2 Pa, od patm) Rootsovy (p .. 10-3 Pa, od p .. 102 Pa, příp. vícestupň. patm) Turbomolekulární (p .. 10-9 Pa, od p .. 101 Pa) Rotační (p .. 10-2 Pa, od patm, olej – tenze par do 10-3 Pa) Difuzní (p .. 10-7 Pa, předčerpání rot. Vývěvou, olej – tenze par!) Iontové (p .. 10-4 Pa, od p .. 10-1 Pa, čistá, bez vibrací – urychlení ionizovaných částic elektrickým polem (doutnavý výboj))

VÝVĚVY – MEMBRÁNOVÁ, ROOTSOVA Ref. Fig17ab: Pavel Slavíček, studijní materiály F4160: http://is.muni.cz/el/1431/jaro2014/F4160/um/ Ref. Fig17ab

VÝVĚVY – ROTAČNÍ Ref. Fig18a Ref. Fig18a: Pavel Slavíček, studijní materiály F4160: http://is.muni.cz/el/1431/jaro2014/F4160/um/ Ref. Fig18a

VÝVĚVY – DIFÚZNÍ Ref. Fig19a Ref. Fig19a: Pavel Slavíček, studijní materiály F4160: http://is.muni.cz/el/1431/jaro2014/F4160/um/ Ref. Fig19a

VÝVĚVY – TURBOMOLEKULÁRNÍ Ref. Fig20a: Turbomolekulární vývěva: Materiály f. Pfeiffer Ref. Fig20a

VÝVĚVY – IONTOVÁ Ref. Fig21a Ref. Fig21a: L. Pátý: Fyzika nízkých tlaků, Academia, Praha 1968 (iontová vývěva) Ref. Fig21a

VÝVĚVY – ZÍSKÁNÍ NÍZKÉHO TLAKU Netransportní Sorpční (Zeolit, kryosorpce) Getrové

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 .. 102-10-4 Pa), neměří spojitě, Hg! Mechanické – membránové, vlnovcové (p .. 105-133 Pa) Elektrické – kapacitní membránové (p .. 105-10-3 Pa), piezo (p .. 105-101 Pa), chyba < 1 %, kalibrační manometr

Měření tlaku plynu Nepřímé Ref. Fig22 Nepřímé Odporový (Pirani), jednoduchý, (p .. 105-10-2 Pa), 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: Pavel Slavíček, studijní materiály F4160: http://is.muni.cz/el/1431/jaro2014/F4160/um/

Kapalinové manometry Ref. Fig23ab Ref. Fig23ab: Pavel Slavíček, studijní materiály F4160: http://is.muni.cz/el/1431/jaro2014/F4160/um/ Ref. Fig23ab

MANOMETR PIRANIHO (ODPOROVÝ)

Manometr kapacitní (baratron)

Manometry ionizační (Penningův) Ref. Fig24a: J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 (Bayard-Alpert) Ref. Fig24a

Manometry Ionizační (video)

Vakuové nádoby– udržení nízkého tlaku Ref. Fig26 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. Fig27 Ref. Fig 25: F. OHanlon: A Users Guide to Vacuum Technology, Wiley (2003) Ref. Fig 26: J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 (tenze par) Ref. Fig 27: Pavel Slavíček, studijní materiály F4160: http://is.muni.cz/el/1431/jaro2014/F4160/um/