Физика и техника вакуума

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Понятие про вакуум. Свойства вакуума

Вакуум (от лат. vacuum - пустота) - состояние газа при давлении, меньше атмосферного.

Это понятие применяется к газу в замкнутом сосуде или в сосуде, из которого откачивают газ, а часто и к газу в свободном пространстве, например к космосу.

В вакууме резко снижается химическая активность кислорода в процессе окисления металлов.

Физической характеристикой вакуума есть соотношение между длиной свободного пробега молекул л и характерным размером сосуда d.

Когда длина свободного пробега л становится равной характерному размеру сосуда, считается, что в сосуде создан вакуум, хотя в нем еще может быть много молекул.

Отношение л / d является критерием разделения вакуума низкий, средний и высокий.

При низком вакууме средняя длина свободного пробега молекул л значительно меньше характерного размера сосуда d, то есть л << d. Молекулы при этом преимущественно подвергаются постоянным столкновениям одна c одной. При столкновении со стенками сосуда молекулы газа удерживаются на них, то есть адсорбируются Процесс поглощения газа или пара поверхностью твердого тела с образованием на ней пленки газа толщиной в одну или несколько молекул называется адсорбцией..

Средний вакуум характеризуется тем, что средняя длина свободного пробега молекул л примерно равна характерному размеру сосуда d, то есть л ? d

При этом возможные траектории движения молекул могут частично быть свойственными условиям низкого, а частично - высокого вакуума.

Вакуум такой степени используется во многих промышленных технологиях, где требуется дегазация или сушка материалов и компонентов.

Высокий вакуум характеризуется тем, что средняя длина свободного пробега молекул л больше от характерного размера сосуда d, то есть л > d При высоком вакууме в сильно разреженном газе хотя и сохраняется хаотический характер движения молекул, но взаимодействие между ними через их малое количество практически исчезает, и они движутся прямолинейно в пределах предоставленного объема, сталкиваясь преимущественно со стенками сосуда.

Высокий вакуум широко используется для нанесения вакуумных покрытий, обработки поверхностей.

Примерная разбивка по давлениям, выраженным в паскалях:

110..1 [Па] - низкий вакуум;

1..10^-2 [Па] - средний вакуум;

10^-2..10^-5 [Па] - высокий вакуум;

10^-5..10^-7 [Па] - сверхвысокий вакуум.

Свойства сильно разреженных газов:

· внутреннее трение, по существу, отсутствует;

· удельный тепловой поток пропорционален разности температур и плотности газа;

· проявляется химическая инертность;

· все химические реакции с участием молекул газа протекают медленно;

· вакуумная среда оказывает слабое механическое воздействие движущимся в ней телам и практически не участвует в процессах теплопередачи.

Виды промышленного применения вакуума приведены в таблице 1.



Таблица 1 -- Виды промышленного применения вакуума

2. Модель прибора вакуумной электроники. Электронная эмиссия

В основу классификации приборов вакуумной электроники может быть положена обобщенная модель прибора вакуумной электроники (рисунок 2.1), содержащая пять основных элементов:

· генератор или эмиттер свободных электронов;

· континуальную среду -- вакуум (для электровакуумных приборов) или плазму (для ионных приборов);

· устройство управления ансамблем электронов в континуальной среде;

· детектор информационных сигналов или устройство отбора энергии от электронного потока.

Рисунок 2.1 - Обобщенная модель прибора вакуумной электроники

Электронная эмиссия - это явление испускания электронов поверхностью твердых тел в результате внешних воздействий.

В металле электроны проводимости двигаются свободно внутри кристаллической решетки, они имеют тепловую энергию порядка k_BТ или нескольких k_BТ. За счет накопленной энергии электроны могут участвовать в процессе выхода из твердого тела. Однако этому процессу препятствует потенциальный барьер, существующий на границе металл-вакуум. Рассмотрим основные силы (рис. 2.2), действующие на электрон в процессе выхода. Внутри твердого тела плотность электронов проводимости постоянна.

Рисунок 2.2 -- Иллюстрация движения электронов в твердом теле и у его поверхности

Вследствие выхода электронов в вакуум из приповерхностного слоя твердого тела в указанном слое образуется нескомпенсированный положительный заряд ионов. В то же время в вакууме в области, приближенной к границе твердого тела, образуется электронный отрицательный заряд. Причем концентрация электронов убывает по мере удаления от границы твердого тела с вакуумом.

На электрон, который преодолевает границу, действует три вида сил. На субатомных расстояниях (несколько ангстрем) действуют силы, препятствующие выходу электрона в вакуум: сила притяжения со стороны положительных ионов и сила отталкивания со стороны вылетевших ранее электронов. По мере отдаления от поверхности твердого тела указанные силы значительно ослабляют свое действие. При этом движение электрона можно описать как движение единичной заряженной частицы над поверхностью идеальной проводящей плоскости (рис. 2.3), а на электрон действует сила притяжения иона, расположенного внутри твердого тела на таком же расстоянии х от его поверхности.

Возникшее в этом случае электрическое поле можно найти по методу зеркального отображения, т.е. как суперпозицию полей самого электрона и положительного заряда той же величины, расположенного внутри твердого тела на таком же расстоянии х от его поверхности.

Рисунок 2.3 -- Иллюстрация поля сил зеркального отображения

Напряженность поля, действующего на электрон, равна:

Таким образом, в результате действия трех перечисленных сил на границе твердого тела образуется потенциальный барьер, препятствующий выходу электронов в вакуум.

Текущая и полная высоты потенциального барьера:

(2.1)

Расчет высоты потенциального барьера является сложной полевой задачей, которая решается численными методами. Поэтому для упрощения можно предположить, что все вылетевшие из твердого тела электроны находятся в вакууме на расстоянии х₀ от поверхности (рис. 2.4).

Рисунок 2.4 - Идеализированное распределение зарядов (слева) и соответствующее распределение электрического поля (справа). Напряженность поля в ближней зоне аппроксимирована параболой (показано пунктиром)

В силу электронейтральности твердого тела как целого, заряд этих электронов равен заряду ионов в приповерхностном слое. Этот двойной слой электронов и ионов называют дипольным слоем.

Поле внутри дипольного слоя однородно и равно некоторой величине Е₀. Величину Е₀ можно найти, полагая, что сразу за дипольным слоем начинает действовать поле сил зеркального отображения. Тогда, при сшивании этих полей в точке х = х₀ напряженность Е₀:



3. Электронно-лучевые приборы

Электронно-лучевым называется электронный электровакуумный прибор, в котором используется поток электронов, сфокусированный в форме луча или пучка лучей. Электронно-лучевой прибор, имеющий форму трубки, вытянутой в направлении луча, называют электронно-лучевой трубкой. В зависимости от числа используемых лучей различают одно-, двух- и многолучевые приборы.

Электронно-лучевые приборы классифицируют по их назначению. Электронно-лучевые приборы, преобразующие электрический сигнал в видимое изображение, называют приемными электронно-лучевыми трубками; к ним относятся осциллографические трубки, трубки для индикаторных радиолокационных установок, приемные телевизионные трубки - кинескопы и дисплеи.

Электронно-лучевые приборы, предназначенные для преобразования оптического изображения в последовательность электрических сигналов, используемые для передачи телевизионного изображения, называют передающими трубками.

К электронно-лучевым приборам относят также запоминающие трубки - приборы, предназначенные для записи сигналов на диэлектрике с последующим воспроизведением в виде оптического изображения, электрического сигнала или того и другого. В большинстве запоминающих трубок для записи воспроизведения (считывания) сигналов используют один или несколько электронных лучей.

К электронно-лучевым трубкам относят электронно-оптические преобразователи (ЭОП) - электронные электровакуумные приборы, предназначенные для переноса изображения из одной спектральной области в другую с помощью пучка электронных лучей, хотя, строго говоря, в этих приборах нет отдельных сфокусированных пучков - лучей, а изображение переносится широким электронным потоком.

В электронно-лучевых приборах для фокусировки электронных пучков служат электрические и магнитные поля, обладающие симметрией тел вращения.

Движение заряженных частиц в таких полях аналогично распространению света сквозь линзы. Любое неоднородное электрическое или магнитное поле, обладающее осевой симметрией, в приосевой области обладает свойствами электронной линзы.

4. Движение электронов в газах

Если электрон под действием электрического поля движется в вакууме (практически в безвоздушном пространстве), то, очевидно, его путь почти совпадает с направлением силовых линий поля, так как при движении электрон на своем пути не встречает никаких препятствий.

Несколько другой характер имеет движение электрона в газе. При отсутствии электрического поля электрон движется беспорядочно, так же как и молекулы газа. В этом случае говорят, что электрон имеет тепловое движение. При наличии электрического поля на беспорядочное тепловое движение электрона накладывается направленное движение вдоль силовой линии поля. Поэтому путь электрона от одного столкновения до другого становится уже не прямолинейным, а изгибающимся в направлении силовой линии поля, как показано на рисунке 4, где прерывистыми стрелками указан путь, который имел бы электрон после упругого столкновения с атомами. Под действием электрического поля электрон, проходя сложный зигзагообразный путь, постепенно приближается к положительному электроду.



Рисунок 4 -- Влияние электрического поля на движение электрона в газе.

вакуум электронный лучевой микроскопия

Энергия и скорость электрона при движении его от одного электрода к другому постоянно увеличиваются. Однако при каждом упругом и неупругом столкновении электрон теряет часть своей энергии. Средняя доля энергии, теряемая частицей при каждом упругом столкновении, постоянна и пропорциональна массе электрона и обратно пропорциональна массе атома или молекулы, с которой он столкнулся. При неупругих столкновениях электрон теряет определенное количество энергии, равное энергии ионизации или возбуждения газа, в котором он движется. Установлено, что число упругих столкновений значительно больше числа неупругих.

5. Основы зондовой микроскопии (Туннельная микроскопия. Зондовые сканирующие микроскопы)

Сканирующие зондовые микроскопы (СЗМ, англ. SPM -- Scanning Probe Microscope) -- класс микроскопов для получения изображения поверхности и её локальных характеристик. Процесс построения изображения основан на сканировании поверхности зондом. В общем случае позволяет получить трёхмерное изображение поверхности (топографию) с высоким разрешением.

Отличительной особенностью СЗМ является наличие:

- зонда,

- системы перемещения зонда относительно образца по 2-м (X-Y) или 3-м (X-Y-Z) координатам,

- регистрирующей системы.

Работа сканирующего зондового микроскопа основана на взаимодействии поверхности образца с зондом (кантилевер, игла или оптический зонд). При малом расстоянии между поверхностью и зондом действие сил взаимодействия (отталкивания, притяжения, и других сил) и проявление различных эффектов (например, туннелирование электронов) можно зафиксировать с помощью современных средств регистрации. Для регистрации используют различные типы сенсоров, чувствительность которых позволяет зафиксировать малые по величине возмущения. Для получения полноценного растрового изображения используют различные устройства развертки по осям X и Y (например, пьезотрубки, плоскопараллельные сканеры).

Основные технические сложности при создании сканирующего зондового микроскопа:

- Конец зонда должен иметь размеры, сопоставимые с исследуемыми объектами.

- Обеспечение механической (в том числе тепловой и вибрационной) стабильности на уровне лучше 0,1 ангстрема.

- Детекторы должны надежно фиксировать малые по величине возмущения регистрируемого параметра.

- Создание прецизионной системы развёртки.

- Обеспечение плавного сближения зонда с поверхностью.

Сканирующая туннельная микроскопия -- один из методов зондовой сканирующей микроскопии, в котором анализируют плотность состояний атомов поверхности с помощью измерения туннельного тока. Предназначен для исследования поверхности проводящих веществ и материалов на атомном уровне и для формирования трехмерного изображения поверхности. Метод является также одной из технологий, позволяющих создавать на поверхности вещества (материала) искусственные наноструктуры путем перемещения отдельных атомов.

Метод сканирующей туннельной микроскопии основан на квантовом туннелировании. Иглы-зонды обычно изготавливают из металлической проволоки (например, W, Pt-Ir, Au). Процедура подготовки атомарно острой иглы включает в себя предварительную обработку иглы ex situ (такую, как механическая полировка, скол или электрохимическое травление) и последующую обработку in situ в сверхвысоковакуумной (СВВ) камере. Острая игла микроскопа помещается настолько близко к исследуемой поверхности, что волновые функции наиболее близкого атома иглы и атомов поверхности образца перекрываются. Это условие выполняется при величине промежутка игла-образец 0,5-2,0 нм. Если приложить напряжение между иглой и образцом, то через промежуток потечет туннельный ток.

Сканирование поверхности ведется тонким металлическим зондом, на конце которого в предельном случае может находиться всего один атом. Пьезоэлектрические устройства подводят иглу-зонд к поверхности исследуемого электропроводящего объекта. Пьезоэлектрические двухкоординатные манипуляторы перемещают зонд вдоль поверхности образца, формируя растр так, как это делается в электронном микроскопе. При этом параллельные строки растра отстоят друг от друга на доли нанометра. Зонд двигается вверх и вниз в соответствии с рельефом поверхности благодаря механизму обратной связи, который улавливает начинающееся изменение туннельного тока и изменяет напряжение, прикладываемое к третьему манипулятору. Третий манипулятор передвигает зонд по вертикали таким образом, чтобы величина туннельного тока не менялась, т. е. чтобы зазор между зондом и объектом оставался постоянным. По изменению напряжения компьютер строит трехмерное изображение поверхности. Разрешающая способность микроскопа достигает атомного уровня, т. е. могут быть видны отдельные атомы, размеры которых составляют ~0,2 нм.

С помощью СТМ, приложив несколько большее, чем при сканировании, напряжение между поверхностью объекта и зондом, можно добиться того, что к зонду притянутся один или несколько атомов, которые можно поднять и перенести на другое место. Прикладывая к зонду определенное напряжение, можно заставить атомы двигаться вдоль поверхности или отделить несколько атомов от молекулы.



Практическая часть

Разработка и решение задач по теме «Физика и техника вакуума»

Задача 1

Чему равна среднеквадратическая скорость молекул идеального газа, который подлежит распределению Максвелла?

Решение

Распределение молекул по скоростям (закон Максвелла):

(1)

Введем обозначения

Тогда

Среднеквадратическая скорость по определению:

где - среднее значение квадрата скорости:



Соответственно (1)

Тогда

Выполняем замену переменных

В Маткад символически вычисляется:

Тогда



Ответ:

R=Na K_B=8,31 Дж/моль•К

Na=6,02•10²³ 1/моль

Задача 2

Определите среднюю длину свободного пробега молекулы при температуре 50°С и давлении 133,3 Па, если газоэффективный диаметр молекулы CO₂ d=3,2•10^-10 м.

T=273+50=323K

p=133,3 Па

d=3,2•10^-10 м

л-?

Решение

Уравнение состояния Менделеева-Клапейрона:

где N - количество молекул в единице объема

Тогда

Задача 3

Молекула CO₂ имеет среднюю длину свободного пробега л=7,35•10^-5 м при T=323 K. Найти среднюю частоту столкновений.

Решение

Средняя арифметическая скорость движения молекул по модулю

где M молярная масса

Средняя частота столкновения молекулы

Задача 4

Определить количество вещества V (количество молекул в молях) и концентрацию n молекул газа, который содержится в колбе с емкостью V=240 см³ при Т=290 К и p=50 кПа.

V=240 см³=240•(0,01)³ м³=

=240•10^-6 м³

Т=290 К

р=50•10³ Па

v-?, n-?

Уравнение Менделеева-Клапейрона:

Где N - количество частиц в объеме V

N_A=нN N=нN_A

Задача 5

В колбе объемом V=240 см³ находится газ при T=290 К и давлении p=50 кПа. Определить количество вещества v и число N его молекул

V = 240•10^-6 м

Т = 290 К

p = 50•10³ Па

v- ?, N- ?



Ответ: v=0,5•10^-2 моль, N=2,99•10²¹

Задача 6

Давление газа равно 1 мПа, концентрация n его молекул = 10¹⁰ см^-3. Определить температуру Т газа и среднюю кинетическую энергию поступательного движения молекул газа.

р=10^-3Па

n=10¹⁰см^-3=10¹⁶м^-3

Т-?, E-?

Уравнение Менделеева-Клапейрона:

Размещено на Allbest.ru

...