Tecnologia de Vácuo e de Partículas Carregadas
Objetivos
Esta UC também se poderia designar "Tecnologia de Aceleradores" proque descreve o funcionamento de muitos equipamentos usados em grandes aceleradores de partículas. Mas, pretende-se dar um âmbito mais geral e incluir também muitas aplicações industriais e científicas que também usam condições de pressão extremamente baixa e feixes de iões ou de eletrões.
A tecnologia do vácuo, é uma tecnologia de suporte a muitos processos e tecnologias. Cobre a geração, a medida e o confinamento de pressões até 10-12 mbar, ou seja, ao longo de 15 ordens de grandeza abixo da atmosfera. 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.
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.
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 usados em aceleradores e em muitos outros equipamentos científicos, especialmente intrumentos analíticos.
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 - 4
Totais - 52
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
A componente teórica será avaliada através de 2 testes e/ou exame final.
O 1º teste será sobre Óptica de partículas carregadas e terá 30% de ponderação. O segundo teste será sobre Tecnologia de Vácuo e valerá 40%.
A componente prática será avaliada através de 2 relatórios sobre os trabalhos propostos, um de partículas carregadas e outro de vácuo. Cada relatório valerá 15% da nota final.
O Exame avaliará apenas a componente teórica que valerá 70%.
A dispensa de exame é possível com uma média nos testes ≥ 9.5 .
A frequência é obtida através de uma classificação superior a 9.5 nas actividades práticas.
Conteúdo
Tecnologia de Vácuo
- Porquê vácuo, graus de vácuo e aplicações. Liofilização e secagem, plasmas e descargas, simulação espacial, microscópios electrónicos e equipamentos analíticos, aceleradores, produção de semicondutores.
- 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.
- Geração de vácuo, tipos de bombas. Bombas mecânicas, de vapor e de fixação. Gamas de operação.
- 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.
- 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.
- Materiais e componentes de vácuo. Propriedades dos materiais, tratamento e requisitos. Técnicas de união e de vedação. Componentes normalizados.
- 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
- Fontes de electrões de iões. Emissão termiónica e de campo. Ionização por bombardeamento electrónico, de superfícies, por pulverização, IGNOREes de plasma.
- Transporte de partículas carregadas. Lentes electrostáticas e magnéticas. A lente einzel. Deflexão e varrimento de feixes.
- Separação de partículas carregadas. O filtro de Wien de velocidades. Analisadores de energia. Separação de massa. Espectrómetros de massa.
- Detecção de partículas carregadas. O colector de Faraday. Multiplicadores de electrões com dínodos discretos e contínuos. O channeltron e multi-channelplates.
- Simulação de partículas carregadas em campos eléctricos. O SIMION.
- Introdução aos aceleradores. Aceleradores lineares DC e RF. O cliclotrão e o sincrotrão. Colliders e o complexo do CERN.