Vacuum Physics - NEVF126

• Title: Vakuová fyzika
• Guaranteed by: Department of Surface and Plasma Science (32-KFPP)
• Faculty: Faculty of Mathematics and Physics
• Actual: from 2020
• Semester: winter
• E-Credits: 5
• Hours per week, examination: winter s.:2/1, C+Ex [HT]
• Capacity: unlimited
• Min. number of students: unlimited
• 4EU+: no
• Virtual mobility / capacity: no
• State of the course: taught
• Language: Czech, English
• Teaching methods: full-time
• Teaching methods: full-time
• Additional information: https://physics.mff.cuni.cz/kfpp/rozvrh.html
• Guarantor: RNDr. Tomáš Gronych, CSc.; doc. RNDr. Jiří Pavlů, Ph.D.

Annotation

English

Last update: T_KEVF (15.05.2005)

Introduction to study of vacuum physics and vacuum science. Basic imagination about vacuum. Kinetic description of gas at low pressures, interaction of gas with surface, sorption, permeation, solution of gases in solid. Physical principle of methods for obtaining and measurement of low pressures.

Czech

Last update: T_KEVF (15.05.2005)

Úvod do studia fyziky nízkých tlaků a vakuové techniky. Základní představy o vakuu, kinetický popis zředěného plynu. Interakce plynu s povrchem, základy teorie sorpčních procesů; fyzikální principy využívané k získávání a měření vakua.

Course completion requirements

Last update: RNDr. Tomáš Gronych, CSc. (12.10.2017)

Získání zápočtu je podmínkou pro konání zkoušky.

Udělení zápočtu je podmíněno průběžnou účastí na výuce, aktivitou při cvičeních a úspěšným absolvováním závěrečné písemky.

Povaha kontroly studia předmětu vylučuje opakování této kontroly, zápočet se tedy opakovat nedá.

Literature

Last update: doc. RNDr. Petr Řepa, CSc. (09.01.2007)

Pátý L.: Fyzika nízkých tlaků, Academia Praha 1968.

O’Hanlon : Vacuum Physics

Hoffman D. M.: Handbook of Vakuum Science, Academic Press, San Diego, USA

Teaching methods

English

Last update: doc. RNDr. Štěpán Roučka, Ph.D. (06.10.2020)

The lecture is conducted on-line in the winter semester 2020. For more information, see https://physics.mff.cuni.cz/kfpp/rozvrh.html

Czech

Last update: doc. RNDr. Štěpán Roučka, Ph.D. (06.10.2020)

Výuka v ZS 2020 probíhá formou on-line přednášek. Více informací viz https://physics.mff.cuni.cz/kfpp/rozvrh.html

Requirements to the exam

Last update: RNDr. Tomáš Gronych, CSc. (12.10.2017)

Zkouška je ústní.

Požadavky ke zkoušce odpovídají sylabu předmětu v rozsahu, který byl prezentován na přednáškách.

Syllabus

English

Last update: T_KEVF (15.05.2005)

1. Introduction
Vacuum, historical remarks. Application of vacuum physics in research and technology.

2. Kinetic theory of gases
Properties of gases, general gas law, Dalton's law. Kinetic theory, molecule in kinetic theory, ideal gas. Maxwell-Boltzman's distribution of velocities, mean values of molecule velocities and energies. Kinetic explanation of gas pressure, pressure and concentration of molecules, equation of state for ideal gas, amount of gas. Mixture of gases, partial pressure. Collisions of molecules, mean free path, absorption of particle beam by a gas, frequency ofmolekule impacts on surface. Viscose and molecular conception of gas, characteristic dimension of system, Knudsen's number. Dimension of a molecule. Ideal and real gases, Van-der-Wals' equation of state.

3. Elementary gas transport phenomena
Transport of energy, impulse and mass through gas. Thermal conductivity, relationship between coefficient of thermal conductivity and gas pressure, accommodation coefficient. Internal friction in gases, relationship between viscosity and gas pressure. Diffusion in gases. Gas flow, viscous and molecular concept. Vacuum conductivity, calculation of conductamce of an orifice and a pipe. Effusion, thermal transpiration.

4. Gas interaction with solids
Solubility of gases in condensed matter, diffusion of gases in solids, permeation, relation between solubility and permeation coefficient. Vaporisation, condensation, pressure of saturated vapours, evaporation rate. Specular and diffused reflection, adsorption. Molecular binding energy, adsorption heat, average residence time of a molecule on a surface, physisorption and chemisorption. Kinetic of sorption, adsorption and desorption flow, state of equilibrium, adsorption isotherm. Monolayer adsorption, Henry's law, sticking coefficient,. Langmuir's isotherm. Multilayer adsorbtion, BET isotherm.

5. Characteristics of vacuum system
Pumping speed, decrease of pressure during pumping, sources of gases, ultimate pressure, outgassing of vacuum systems.

Czech

Last update: doc. RNDr. Petr Řepa, CSc. (09.01.2007)

1. Vývoj a význam fyziky nízkých tlaků

Historický vývoj a význam fyziky nízkých tlaků. Definice vakua, obory vakua. Vlastnosti plynů za nižších tlaků, termodynamická rovnováha, empirické stavové rovnice, pojem množství plynu. Směs plynů, parciální tlak.

2. Kinetická teorie plynu

Kinetická teorie, pojem molekuly v kinetické teorii, ideální plyn. Maxwell-Boltzmanovo rozdělení rychlostí, střední hodnoty rychlosti a energie molekul. Kinetický výklad tlaku plynu, tlak a koncentrace, stavová rovnice ideálního plynu. Vzájemné srážky molekul, srážková frekvence, střední volná dráha, absorpce svazku částic plynem.

Reálné plyny, souhlas s předpoklady modelu ideálního plynu, průměr molekuly.

3. Molekulární a viskosní model plynu

Poměr mezi nárazy molekul na stěnu a srážkami molekul mezi sebou, Knudsenovo číslo, viskosní a molekulární popis chování plynu.

Přenos molekulární veličiny plynem. Tepelná vodivost plynu, výklad závislosti koeficientu tepelné vodivosti na tlaku plynu, koeficient akomodace. Vnitřní tření v plynu, výklad závislosti viskozity na tlaku plynu. Efuze, tepelná transpirace. Proud plynu, viskózní a molekulární režim proudění. Vakuová vodivost, výpočet vodivosti otvoru a trubky ve viskózním a molekulárním režimu.

4. Interakce plynu s pevnou látkou

Srážky molekuly s povrchem, srážková frekvence, difuzní a zrcadlový odraz, adsorpce. Vazební energie adsorpce, doba pobytu molekuly na povrchu, fyzikální adsorpce a chemisorpce. Kinetika sorpce, adsorpční a desorpční proud, rovnovážný stav, adsorpční izoterma. Henryho izoterma, koeficient ulpění, monomolekulární adsorpce. Langmuirova izoterma, polymolekulární adsorpce.

Rozpouštění plynu v pevných látkách, difuze plynu v pevných látkách, permeace, vztah mezi rozpustností a difuzním a permeačním koeficientem. Vypařování, kondenzace, tenze par, vypařovací rychlost.

5. Charakteristiky vakuového systému

Čerpací rychlost, maximální hodnota čerpací rychlosti. Pokles tlaku ve vakuovém systému při čerpání, časová konstanta vakuového systému. Vakuový systém se zdroji plynu, mezní tlak, podíl jednotlivých zdrojů plynu na mezním tlaku. Vliv sorpce na pokles tlaku při čerpání, odplyňování za zvýšené teploty.

6. Aplikace fyziky nízkých tlaků

Fyzikální procesy využívané k získávání a měření vakua. Využití vakua v experimentu a technice. Vakuová zařízení založená na volném pohybu částic (vakuové napařování, přístroje se svazky částic). Vakuová zařízení využívající vakua jako ochranné atmosféry (vakuové metalurgie, příprava čistých a reaktivních látek). Ultravakuová zařízení (studium vlastností povrchů, vakuová zařízení s absencí uhlovodíků).