logo

Skupina vakuové fyziky
KFPP

Katedra fyziky povrchů a plazmatu, Troja
Matematicko-fyzikální fakulta  Univerzity Karlovy v Praze

[Lidé], [Vědecká práce skupiny], [Výuka]


Pracovníci a studenti skupiny

Vedoucí skupiny


Vědecká práce skupiny

Skupina vakuové fyziky se orientuje na výzkum procesů probíhajících ve vakuových systémech. Řešená témata pokrývají nejen obor vakuové fyziky, ale zasahují i do chemické fyziky, fyziky povrchů a studia struktury materiálů. V současné době je vědecká práce orientována na :

Protože procesy studované ve vakuové fyzice se uplatňuji při návrhu experimentů a konstrukci experimentálních a technologických zařízení v celé řadě oborů (technologie tenkých vrstev, kryotechnika, analytické metody, ……) jsou členové skupiny žádáni o účast na širokém spektru projektů. V dalším výčtu jsou uvedeny jen nejvýznamnější:

Skupina také zajišťuje provoz Metrologické laboratoře vakua založené jako společné pracoviště MFF UK a Českého metrologického institutu, která se věnuje konstrukci národních etalonů nízkých tlaků a vývoji kalibračních metod.

Řešená vědecká problematika

Studium difúze plynů do pevných látek

Rozpouštění plynů v pevných látkách bylo pozorováno již na začátku minulého století, v poslední době, v souvislosti s potřebou dosahovat tlaky v oboru extrémně vysokého vakua (xhv), se ukázalo dosavadní, že teoretický popis nevystihuje tento jev dostatečně. Dalším stimulem pro obnovené studium jevu je skutečnost, že nejen mechanické ale i elektrické a magnetické vlastnosti moderních materiálů mohou silně záviset na množství rozpuštěného plynu. Tyto změny jsou při tom vyvolávány extrémně malými koncentracemi v pevné fázi přítomného plynu ( pod 10-3 ppm), tedy pod detekčním limitem všech chemických analytických metod.

V naší laboratoři byla v průběhu posledních deseti let, po které se studiem penetrace plynu do pevné fáze zabýváme, vyvinuta originální experimentální metodika založená na hmotnostní spektroskopii plynu za nízkých tlaků a postaveny měřící uhv aparatury vybavené moderními hmotnostními spektrometry. Byla studována dynamika penetrace a úniku plynů z intermetalických sloučenin (kovové materiály se skleněnou strukturou vykazující extrémní tvrdost a odolnost vysokým teplotám) a nerez oceli implantované plasmatickou technologií. Nejnovější experimenty jsou zaměřeny na studium nanostrukturních materiálů.

Výsledky těchto experimentů ukazují, že při teoretickém popisu se nelze, jak se dosud předpokládalo, omezit na difusi plynu v pevné látce, ale že pro proces jsou nezanedbatelné procesy odehrávající se na povrchu a v tenké podpovrchové vrstvě – disociace, rekombinace a chemické reakce v adsorbované vrstvě a překonání potenciálové bariery mezi adsorpční posicí a posicí uvnitř pevné fáze.

Laserová depozice

Laserová depozice (ablace) je široce používaná metoda při přípravě tenkých vrstev, dnes již i v aplikovaném výzkumu a průmyslu. Princip ablace spočívá v působení intenzivního laserového paprsku na terčík, které vyvolává vznik tzv. ablačního plazmatu (plume). Vzniklý plazmatický útvar se pohybuje směrem k substrátu, na němž roste tenká vrstva. Děj probíhá nejčastěji buď ve vakuu nebo při nízkých tlacích okolního pracovního plynu, který se může podílet na vlastnostech vznikající tenké vrstvy.

Hlavní výhodou popsané explozivní metody je to, že (téměř) zachovává i komplikované chemické složení terčíků. Proto se metoda používá často při přípravě tzv. vysokoteplotních supravodičů (BiSrCaCuO, YbaCuO a dalších).

Přes relativní jednoduchost uspořádání metody nejsou zcela známy fyzikální procesy probíhající v ablačním plazmatu. Je jim proto poslední dobou věnováno značné badatelské úsilí.

Jednou z problematik skupiny vakua je studium ablačního plazmatu vznikajícího při depozici BiSrCaCuO. Používá se přitom měření pomocí Langmuirovy sondy v kombinaci s vysokorychlostním digitálním osciloskopem. Měříme jednak základní parametry plazmatu (hustotu nábojů, elektronovou teplotu), jednak okolnosti vzniku štěpení plazmatu na prostorově oddělené části (plasma splitting), k němuž dochází z dosud ne zcela známých důvodů.

  schéma experimentu   Měření vlastností ablačního plazmatu Langmuirovou sondou - základní uspořádání:
1 - rotující terčík BiSrCaCuO,
2 - plazmový oblak,
3 - Langmuirova sonda,
4 - sondové napětí (v tomto uspořádání přikládáno na terčík),
5 - odpor 50 Ohm,
6 - digitální osciloskop,
d - vzdálenost mezi terčíkem a sondou (v našem případě 4 - 10mm).
Pracovní tlak 10-2 - 100 Pa.


Viskózní "strunný" vakuometr

Při přenosu momentu hybnosti či tepelné energie mezi povrchem a dopadajícími částicemi plynu je rozhodující interakce mezi povrchem a plynem, která je popisována pomocí příslušných akomodačních koeficientů. Viskózní vakuometry (označované také jako frikční či molekulární) jsou založeny na přenosu hybnosti molekulami plynu mezi pohybující se částí vakuometru a stacionárním povrchem vakuometru. V roce 1961 W. Becker zkonstruoval viskózní vakuometr s kmitajícím páskem (strunou) napnutým mezi pólovými nástavci permanentního magnetu. Tento vakuometr pokrývá zhruba stejný tlakový obor jako hojně rozšířené tepelné Piraniho vakuometry s tím, že oproti tepelným vakuometrům nevnáší do měřeného systému téměř žádnou tepelnou energii a tím se stává pro určité aplikace pozoruhodným. Obdobné uspořádání jaké použil ve své konstrukci Becker bylo vyvinuto a testováno v naší laboratoři zprvu jako vakuometr, který by umožňoval měření tlaku vodních par, později jako měřící systém, jenž umožňuje stanovení akomodačního koeficientu momentu hybnosti mezi určitým povrchem (kmitající pásek) a okolním plynem. Stanovení akomodačního koeficientu hybnosti je zajímavé z toho hlediska, že u viskózního vakuometru s kmitajícím páskem dochází k výměně impulsu zejména ve směru normály k povrchu zatímco u dnes již komerčně dostupného viskózního vakuometru s rotující kuličkou ve směru tečném. Porovnání obou veličin za jinak obdobných podmínek (stejný povrch a plyn) by mohlo vést k zpřesnění představ popisujících interakci mezi povrchem a dopadajícími částicemi plynu, jež jsou zcela fundamentální jak ve vakuových technologiích, tak i v aplikacích jako je proudění zředěných plynů či par nebo mechanika aerosolů.

Vývoj supravodivého výkonového transformátoru se supravodivým omezovačem zkratového proudu

Ve srovnání s klasickými transformátory s měděným vinutím a chlazenými olejem mají supravodivé transformátory následující výhody:

Na druhé straně, supravodivé transformátory potřebují kryogenní prostředí vzhledem k tomu, že pracují v lázni kapalného dusíku (77 K).

Studie ukazují, že cena supravodivého transformátoru je až o 20% nižší než klasického s měděným vinutím, provozní náklady menší o 10 až 20%, hmotnost menší o 50% a elektrické ztráty u 100 MVA transformátoru menší o 70%. Typická zařízení budou mít výkon řádově 10 MVA nebo větší.

Cílem projektu je návrh, zhotovení a zkoušky funkčního vzorku supravodivého transformátoru s výkonem 10 až 20 kVA pro napětí 380 V se supravodivým omezovačem zkratového proudu a ověření jeho parametrů. Celkové ztráty lze odhadnout na několik desítek W (10 až 40). Na projektu kromě skupiny vakua KEVF pracuje jako hlavní řešitel Společná laboratoř nízkých teplot UK a AVČR, dále Škoda Plzeň a Západočeská univerzita v Plzni.

Předpokládaným výsledkem projektu je funkční vzorek transformátoru, na němž budou testovány základní provozní parametry. Dalším přínosem bude srovnání dosažených parametrů s teoretickými výpočty a dále zkušenosti získané s návrhem a provozem. Na tomto základě potom mohou být navržena a vyrobena další zařízení pro vyšší výkon. Výhledově se použitím transformátorů s výkonem řádově jednotky MVA počítá v trakčních zařízeních elektrických lokomotiv.

Metrologická laboratoř vakua

Rozšíření vakuových technologií s sebou přineslo i potřebu přesné kalibrace vakuových měřících přístrojů. V souvislosti se vzrůstajícími nároky na omezení úniku látek nepřátelských životnímu prostředí a v neposlední řadě i se vstupem ČR do EU se požadavky na přesnost a frekvenci kalibrace vakuometrů a hledačů netěsností neustále zvyšují.

Tlak plynu v oboru vakua je natolik malý (odpovídá tíhové síle 10-5 až 10-12 g na cm2), že etalony vakua nemohou využívat přímého měření síly podle definice tlaku. V současnosti většina etalonů pro obor nízkých tlaků je koncipována na principu expanse plynu. Hodnota tlaku po expansi ležící v požadovaném oboru vakua je potom určována z parametrů expansní aparatury a tlaku před expansí, který musí být dostatečně vysoký, aby byl měřitelný jako silový účinek (např. pístovým manometrem).

Etalony vakua jsou tedy složité vakuové aparatury a byly zatím vybudovány pouze v metrologických laboratořích několika průmyslově nejvyspělejších států. Jejich konstrukce je vždy víceméně originální a při jejich konstrukci je třeba vyřešit řadu fyzikálních problémů.

Potřeba výstavby vlastních etalonů vakua v Českém metrologickém institutu vedla ke spolupráci se skupinou vakuové fyziky na MFF UK a posléze vyústila v založení společné laboratoře pro metrologii vakua, jejímž úkolem je vytvoření primárního národního etalonu vakua, zajištění jeho provozu a další související činnosti, jako:

Hlavní úkoly řešené v laboratoři od r 1998 byly:
  • Etalon vakua na principu statické expanse - ustanoven stáním etalonem vakua v oboru 1 Pa – 5000 Pa
  • Kalibrace vakuometrů v oboru jemného a vysokého vakua
  • Metodika kalibrace hledačů netěsností a standardních netěsností
  • Etalon vakua na principu dynamické expanse (současný stav viz obrázek)
  • Řešení jednotlivých problémů podle aktuální potřeby (kontrola stability hmotnostních spektrometrů, příčiny gradientů teploty na statické expansi, omezení desorpčních proudů v kalibrační aparatuře, využití pístových vakuometrů pro měření vakua - viz seznam nejdůležitějších publikací)
  • Rozpracované výzkumné úkoly Ionizační vakuometr jako přenosový etalon, rychlost odezvy aparatury na změny napouštěného proudu plynu - skokové změny tlaku (pulsy), strunový vakuometr jako etalon pro různé druhy plynu.
klikni pro velký obrázek

Výuka

Těžištěm pedagogické práce skupiny jsou přednášky o vakuové fyzice EVF021 a technice EVF025, na něž může navazovat speciální přednáška technologického charakteru EVF047. Další výuka se týká problematiky iontově-spektroskopických metod EVF017 a fyzikální chemie EVF072 Pracovníci skupiny se podílejí také na organizaci diplomového semináře EVF078.