Tecnologia de vcuo

PARTE I: Conceitos bsicos.

Por mais de 100 anos ganhamos dinheiro fazendo NADA!(slogan da companhia Pfeiffer Vacuum fundada em 1890 por Arthur Pfeiffer)

HistricoHistrico Aristteles e Seguidores: a natureza abomina o vcuo Galileo e Torricelli: primeiros experimentos barmetro (1644)Durante muito tempo o conceito de vcuo se referia exclusivamente a ausncia de mateira. Isto tornava o assunto diretamente conectado com mecnica de meio contnuos (fluidos), e ainda mais, com termodinmica e teoria cintica dos gases.

Otto von Guericke: primeira bomba de vcuo (1654)

As Esferas de MagdeburgOtto Von Guericke - 1654

Nos dias de hoje, o conceito de vcuo como sendo o nada absoluto deveria tornar-se muito mais rigoroso, implicando no somente na ausncia de matria como de toda e qualquer partcula, com ou sem massa, inclusive todo tipo de radiao eletromagntica.

Contudo, o usual nos remete a noo de vcuo do sculo 17 .....

Hoje, quando falamos em tecnologia vcuo, estamos nos referindo a conhecer e dominar os mecanismos, processos e mtodos necessrios para retirarmos todo o gs do interior de um recipiente (cmara) e o manter neste estado.

VcuoVcuo:: Estado dos gases, ou mistura de gases, rareficados com presso inferior a presso atmosfrica.

Faixa de PressoFaixa de Presso NomenclaturaNomenclatura

1 bar - 1 mbar vcuo grosseiro;muitas vezes nem considerado vcuo

1 - 10-3 mbar vcuo fino;tipicamente chamado pr-vcuo (PV)

10-3 - 10-7 mbar alto vcuo (HV);muitas vezes a regio 10-3 - 10-4 mbar chamada simplesmente vcuo ou vcuo mdio!

abaixo de 10-8 mbar ultra alto vcuo (UHV);tipicamente usada para 10-10 mbar

- Uma classificao tpica! -

Conceitos FundamentaisConceitos FundamentaisGrandezas bsicas:

Presso: 1 Torr = 1/760 atm. = 1.33 mbar = 1.33102 Pa Volume: 1 m3 = 103 litros = 106 cm3 Temperatura: 0 C 273 Kelvin

Teoria cintica dos gases ou via distribuio de Maxwell-Boltzmann:

mTkv

...8

= nd ...21

20

=m

Tknvn.2

..4.

==velocidade

medialivre caminho

mdionumero de colises comas paredes / rea / tempo

onde m = massa, d0 = dimetro e n = numero de partculas / volume

A partir dessas relaes bsicas obtemos algo ainda mais importante:

TRNVPTknVPvmnP ...ou.....31 ===

kNRVNNn AA .e

.onde ==

(a) P1.V1 = P2.V2 Lei de Boyle (N, T constantes)

(b) V1/T1=V2/T2 Lei de Charles (N, P constantes)

(c) P1/N1=P2/N2 Lei de Avogadro (T, V constantes)

e assim:

Tk..23= =

j

parcialjtotal PP

adicionalmente:

energia media lei de Dalton

ExemploExemplo

Consideremos uma cmara sendo evacuada de uma presso inicial P1=1 bar ( atm) at atingir uma presso final P2=10-3 mbar. Ento, para Volume e Temperatura constantes, usando as relaes obtidas para um gs ideal, teremos:

P1/N1=P2/N2 P1/ P2 = N1/N2 = 106

N2/N1 = 10-6

ou seja, 99.9999 % das partculas do gs foram removidas do interior do recipiente. Restaram 0.00001% delas e isto MUITO!

ViscosidadeViscosidade

Supondo uma relao linear entre as foras dissipativas (viscosas) e a velocidade (fluidos Newtonianos), temos para os gases ideais:

ou segundo Kennard:

...31 vmn=

4999.0com.... == vmn[1 Poise] = [0.1 N.s/m2]

A viscosidade esta relacionada com a transferencia de momentum de uma placa para outra. A eficincia deste processo depender do numero de molculas.

Para gases rarefeitos adota-se:TkvmP

..4..= viscosidade molecular livre

(+realstico)

Condutividade TrmicaCondutividade Trmica

Uma analise simples do fluxo de calor, H, entre duas superfcies (ao longo de uma coordenada y) com T1 < T2 fornece:

onde A = rea e CV = calor especifico do gs (V constante). Contudo, uma analise mais detalhada fornece:

onde CP = calor especifico (T constante).

Para >> d (d = uma dimenso caracterstica do sistema) estas relaes deixam de ser validas e o processo de transferencia de calorser primeiramente um regime misto e depois exclusivamente efetuado por radiao.

. . e .T T VdTH A k k Cdy

= = condutividadetrmica

VV

PT CC

Ck .5941

=

Fluxo de GasesFluxo de Gases

O fluxo de um gs pode ser laminar ou turbulento. Isto caracteriza-do pelo numero de Reynolds:

dv..=

onde = densidade do fluido (se constante incompressvel; se varivel compressvel) e v = velocidade caracterstica do fluido.Para fluxos no turbulentos:

que constitui a chamada equao de Navier-Stokes (eq. no linear).

> 2200 fluxo turbulento < 1200 fluxo laminar1200 < < 2200 indeterminado

( ) ( ) ( )2 3 vP v v g v vdt + + + = + GG G G G G

dKn

=Fluxos laminares so caracterizados pelo numero de Knudsen, ou seja:

Kn < 0.01 fluxo viscoso 1 fluxo molecular d e as caractersticas do fluxo sero

determinadas por colises entre molculas e paredes

(principalmente)

bombeamento por transferencia de momentum

Regiode

transio(Knudsen)

Fluxo Volumtrico ou Velocidade de BombeamentoFluxo Volumtrico ou Velocidade de Bombeamento

A razo na qual um gs flui atravs de um dado plano, por exemplo ao longo de uma tubulao ou na bomba, descrito em termos do chamado fluxo volumtrico que definido como o volume do gs, auma dada temperatura e presso, cruzando este plano por unidade de tempo, ou seja:

A velocidade de bombeamento, ou vazo, depende intimamente das caractersticas da bomba e do gs que esta sendo bombeado. normalmente especificada para N2. Para outros gases usamos:

que falha grosseiramente para gases muito leves (H2 ou He).

dtdVS =

gas

NNgas M

MSS 2

2=

[litros/s] ou [m3/h]

ThroughputThroughput ou Fluxoou Fluxo

O fluxo volumtrico no fornece informaes sobre a quantidade de gs que esta sendo efetivamente transportada e que varia significati-vamente com a presso. Define-se portanto o throughput como:

onde, em termos das correspondentes unidades SI, temos:[Q] = Pa.m3/s = N.m/s = J/s = W (Watt)

Ento Q representa o fluxo de energia por unidade de tempo, ou seja, a potncia, efetivamente empregada no transporte do gs.Para T = constante equivalente ao fluxo de massa e portanto aonumero de partculas transportadas.

( )dtdPVSP

dtdPV

dtdVPVP

dtdQ +=+== ..

CondutividadeCondutividade

A resistncia ao fluxo de gs oferecida pelos componentes do sistema, por exemplo a tubulao que conecta a bomba na cmara, possui uma considervel influencia na velocidade de bombeamento e na presso final obtida. Define-se condutividade como o quociente:

que proporciona uma avaliao quantitativa da resistncia oferecida pela tubulao ao fluxo gasoso. A impedncia dada por: L=1/C.A partir disso, definimos a velocidade efetiva de bombeamento como:

onde S a velocidade nominal especificada para a bomba em uso.

2112

111SSCPP

QC ==

CSCSSef +=.

A condutividade de uma dada tubulao esta intimamente conectadacom sua geometria e com as condies instantneas de operao da bomba. Via de regra obtida via a compilao sistemtica de dados experimentais ou mesmo via simulaes.

De uma forma geral a associao de elementos fornece:

paralelo

serie11

=

=

iitotal

i itotal

CC

CC

O regime de fluxo tambm fundamental para a determinao de C.

ExemploExemplo

( )

=

mTrkC ..64,3. 2

Para um tubo cilndrico, ou um orifcio, podemos usar a estimativa:

25,0840,0457,0273,0100,10kr

L

Evoluo da Presso Durante o BombeamentoEvoluo da Presso Durante o Bombeamento

A equao que descreve a dependncia temporal da presso em um sistema sob bombeamento (fluxo viscoso) conhecida como equaode Gaede, sendo derivada diretamente da definio de throughput, ou seja:

Para Qf = constante obtemos:

Este resultado corresponde ao bombeamento do gs livre dentro dacmara, sendo conhecido como bombeamento de volume. H outros comportamentos, seqenciais, da presso em funo do tempo, de acordo com o termo de fontes considerado (Qf) e a faixa de presso.

dtdPVQSPQ

dtdPVSPQ ffb ==+= ..

SQ

ePP fVtSinicial += ..

volumee-t

dessorot-1

difusot-1/2

permeaoK0

.0

20

1 1/. S t V d fdes iQ tQ

tePS

KS

P = + + +

P t - (P)

Qdes via de regra escrito como:

onde Aj a area do material e qjsua respectiva taxa de degasing.

Os demais termos, Qdif e K0assumem formas bem mais complexas, dependendo sempre dos materiais envolvidos.

=j

jjdes AqQ .

Alguns Testes e ExemplosAlguns Testes e Exemplos

cmara em ANSI 304 NLcom V 2.1 litros bomba mecnica

ln(P) = ( Qvaz / V ).t

cmara em ANSI 304 NL com V 28.4 litros sistema de bombeamento turbo-molecular

TPH-330 + bomba mecnica.

0 10 20 30 40 5010-10

10-9

10-8

10-7

10-6

(b)

N2H2O

OH2

P

r

e

s

s

o

p

a

r

c

i

a

l

(

m

b

a

r

)

Massa (uma)0 10 20 30 40 50

10-10

10-9

10-8

10-7

10-6

(a)

C

2

H

7

+

C

H

3

C

O

C

3

H

5

C

3

H

3

O2

C

2

H

5

N2

C

2

H

3

H2OOH

ON

H2

P

r

e

s

s

o

p

a

r

c

i

a

l

(

m

b

a

r

)

Massa (uma)

sem trap com trap LN2

Analises RGA do exemplo anterior:

ReferenciasReferencias

A users guide to vacuum technology, John F. OHalon, ed. John Willey & Sons (1980).

Modern vacuum practice, ed. Edwards Vacuum. The generation of rough and medium vacuum, ed. Pfeiffer Vacuum. Working with turbo molecular pumps, ed. Pfeiffer Vacuum. Vacuum technology, ed. Leybold Vacuum