Tecnologia de Vácuo e de Partículas Carregadas

Objectivos

A tecnologia do vácuo, é uma tecnologia de suporte a muitos processos e tecnologias. Cobre a geração, a medida e o confinamento de pressões da atmosfera até 10-12 mbar, ou seja, ao longo de 15 ordens de grandeza. Os fenómenos físicos ao longo deste intervalo variam tanto, que os princípios de funcionamento das bombas e dos medidores, bem como o requisito dos materiais são muitíssimo diversificados à medida que a pressão diminui.

O intervalo designado de vácuo primário encontra aplicações nos processos de remoção da água sem aquecimento, como a liofilização ou a secagem em vácuo, na produção de plasmas, no isolamento térmico ou no transporte de materiais.

O alto-vácuo é usado sempre que é necessário um livre percurso médio elevado principalmente para o transporte de partículas carregadas ou neutras. É neste intervalo de pressões que operam uma grande parte de instrumentos que usam feixes carregados e sistemas de deposição por magnetrão ou por evaporação. Este intervalo de pressões é também usado para reduzir a concentração de oxigénio residual para limitar a oxidação de metais a altas temperaturas, por exemplo em filamentos, ou em tratamentos térmicos de materiais.

O ultra-alto vácuo é usado em processos de crescimento epitaxial de semicondutores, em grandes aceleradores e em equipamentos de análise de superfícies.

Este curso de tecnologia do vácuo para além de considerar as aplicações tecnológicas ou científicas das baixas pressões, aborda as propriedades físicas do meio quando a pressão diminui, o escoamento de gases, as soluções de bombeamento, as técnicas de medida da pressão, a selecção dos materais, a normalização de componentes, e por fim o dimensionamento, a operação e a manutenção de sistemas de vácuo. Para além do ensino em sala destes tópicos, inclui uma parte considerável de trabalho em laboratório, para que os estudantes possam adquirir alguma experiência prática e consolidar os conhecimentos teóricos.

1.1          O que é a tecnologia das partículas carregadas?

Também designada “Óptica das Partículas Carregadas”, este módulo aborda os processos de produção e manipulação de electrões e de iões, tanto de baixa como de média energia.

Feixes de electrões são usados em cinescópios, válvulas electrónicas ainda usadas em eletrónica de potência, microscópios electrónicos, espectroscopias de electrões, produção de raios-X e gama, em soldadura, em evaporadores, no processamento de materiais, etc. Os feixes de iões são usados, por exemplo, para pulverizar materiais para produzir filmes finos, em implantadores, em instrumentos de análise, em espectrómetros de massa, em grandes aceleradores e em micromaquinação com feixes focados.

Neste módulo, cobrem-se os princípios físicos que descrevem a emissão e o transporte das partículas carregadas, bem como as soluções típicas para a geração, transporte, separação e detecção de electrões e de iões. Também se introduz com alguma ênfase a utilização de uma importante ferramenta de simulação, que permite projectar sistemas de transporte e de separação.

A formação neste campo integra e aplica conhecimentos anteriores adquiridos em electromagnetismo, em física atómica e molecular, em instrumentação e, claro, em tecnologia do vácuo. Desta forma, os estudantes percebem para que serve o que aprenderam e como os conhecimentos e competências adquiridos podem ser aplicados em equipamentos comuns ou em laboratórios de investigação, preparando-os para eventualmente desenvolverem a sua futura atividade profissional neste campo.

Caracterização geral

Código

10544

Créditos

6.0

Professor responsável

Orlando Manuel Neves Duarte Teodoro

Horas

Semanais - 5

Totais - 70

Idioma de ensino

Português

Pré-requisitos

Aprovação em:

Electromagnetismo

Física Atómica e Molecular

Bibliografia

- Tecnologia de Vácuo, A.M.C. Moutinho, M.E.F. Silva, M. Áurea Cunha, UNL, 1980 

- Modern Vacuum Physics, Austin Chambers, CRC, 2004

- Vacuum Technology, A. Roth, Elsevier, 1990 

- A User’s Guide to Vacuum Technology, John O’Hanlon, Wiley, 2003 

- Building Scientific Apparatus,John H. Moore, Christopher C. Davis, Michael A. Coplan, Addison-Wesley, 2009

- Handbook of Vacuum Technology – by Karl Jousten (Editor), Wiley 2008

Método de ensino

O programa será apresentada em aulas teórico-práticas, com ajudas visuais e em constante discussão com os estudantes. Cada semana haverá também aulas práticas de laboratório de resolução de problemas. Também haverá pelo menos uma aula prática de simulação em computador.

Os estudantes são também convidados a expor um de vários temas propostos para a turma.

Método de avaliação

Esta unidade será avaliada através de 3 testes (2 de vácuo e 1 de partículas carregadas) e de 3 relatórios dos trabalhos práticos, sendo 2 de vácuo e um de simulação em óptica de partículas carregadas.

A frequência é obtida através de uma classificação superior a 9.5 nas actividades práticas.

Conteúdo

Tecnologia de Vácuo

  1. Porquê vácuo, graus de vácuo e aplicações. Liofilização e secagem, plasmas e descargas, simulação espacial, microscópios electrónicos e equipamentos analíticos, aceleradores, produção de semicondutores.
  2. Fundamentos, débitos, condutâncias e velocidades de bombeamento. Regimes de escoamento. Cálculo de condutâncias e de velocidades de bombeamento. Evolução da pressão no tempo. Fontes de gás num sistema de vácuo.
  3. Geração de vácuo, tipos de bombas. Bombas mecânicas, de vapor e de fixação. Gamas de operação.
  4. Medição de vácuo, tipos de medidores Manómetros mecânicos, de coluna líquida, de condutibilidade térmica, de ionização e de viscosidade. Padrões de vácuo, calibração e rastreabilidade.
  5. Topologias típicas de sistemas de vácuo. Sistemas de bombeamento de vácuo primário, alto-vácuo e ultra-alto vácuo. Associação de bombas. Projecto de sistemas de vácuo.
  6. Materiais e componentes de vácuo. Propriedades dos materiais, tratamento e requisitos. Técnicas de união e de vedação. Componentes normalizados.
  7. Detecção de fugas e ensaios de estanquidade. Detecção de fugas como ensaio não destrutivo normalizado. Técnicas de detecção de fugas. Espectrometria de massa com He.

 

Tecnologia de partículas carregadas

  1. Fontes de electrões de iões. Emissão termiónica e de campo. Ionização por bombardeamento electrónico, de superfícies, por pulverização, IGNOREes de plasma.
  2. Transporte de partículas carregadas. Lentes electrostáticas e magnéticas. A lente einzel. Deflexão e varrimento de feixes.
  3. Separação de partículas carregadas. O filtro de Wien de velocidades. Analisadores de energia. Separação de massa. Espectrómetros de massa.
  4. Detecção de partículas carregadas. O colector de Faraday. Multiplicadores de electrões com dínodos discretos e contínuos. O channeltron e multi-channelplates.
  5. Simulação de partículas carregadas em campos eléctricos. O SIMION.
  6. Introdução aos aceleradores. Aceleradores lineares DC e RF. O cliclotrão e o sincrotrão. Colliders e o complexo do CERN.

Cursos

Cursos onde a unidade curricular é leccionada: