Wytwarzanie próżni Jakich pomp użyć do uzyskania pożądanej próżni? Ważne kryterium podziału procesów, w których potrzebna jest próżnia: brak lub obecn

Transkrypt

1 Wytwarzanie próżni Jakich pomp użyć do uzyskania pożądanej próżni? Każda pompa ma swój optymalny zakres ciśnienia (szybkość pompowania, zużycie energii) Jeśli dany proces ma przebiegać przy konkretnym ciśnieniu, możliwe jest użycie jednego rodzaju pompy do uzyskania pożądanego ciśnienia (przed uruchomieniem procesu) i innego rodzaju do utrzymania próżni w trakcie procesu W procesach ciągłych (dni, tygodnie), ważne jest, aby pompa nie wymagała serwisowania

2 Wytwarzanie próżni Jakich pomp użyć do uzyskania pożądanej próżni? Ważne kryterium podziału procesów, w których potrzebna jest próżnia: brak lub obecność znaczących ilości par w zbiorniku Procesy suche : zazwyczaj wąski i ograniczony zakres ciśnień najpierw opróżnienie zbiornika, potem uruchomienie procesu, np. nanoszenie powłok przez odparowanie, spawanie wiązką elektronową, produkcja monokryształów; akceleratory cząstek, spektrometria masowa, mikroskopia elektronowa Ewentualnie, proces techniczny polega na odgazowaniu w próżni, piece grzewcze (wytop metali), odgazowywanie stali, produkcja czystych metali, lampy elektronowe

3 Wytwarzanie próżni Jakich pomp użyć do uzyskania pożądanej próżni? Procesy mokre, szersze zakresy ciśnień, suszenie materiałów stałych, impregnacja, liofilizacja Usuwanie par pochodzących z cieczy, destylacja, destylacja molekularna

4 Wytwarzanie próżni Próżnia a procesy Próżnia niska: Pa: suszenie, destylacja, odgazowanie stali Próżnia średnia: Pa: destylacja molekularna, liofilizacja, impregnacja, piece grzewcze Próżnia wysoka: Pa: nanoszenie powłok przez odparowanie, produkcja monokryształów, spektrometria masowa, lampy elektronowe, mikroskopia elektronowa, wiązki elektronowe, akceleratory cząstek. Próżnia ultrawysoka: poniżej 10-5 Pa: fuzja jądrowa, akceleratory cząstek, badania kosmiczne, badania zjawisk powierzchniowych

5 Wytwarzanie próżni Procesy suche - dobór zależy docelowego ciśnienia i ilości gazu próżnia niska: Pa: utrzymywanie ciśnień powyżej 8000 Pa nieopłacalne użycie pomp rotacyjnych (zużycie energii i oleju), pompy wodne (strumieniowe lub pierścieniowe), ew. pompy rotacyjne wielołopatkowe Odpompowanie zbiornika od ciśnienia atmosferycznego i utrzymanie ciśnienia poniżej 8000 Pa pompy rotacyjne Duże ilości gazu do odpompowywania przy ciśnieniu poniżej 4000 Pa pompa Rootsa + pompa rotacyjna (o znacznie mniejszej szybkości pompowania)

6 Wytwarzanie próżni Procesy suche próżnia średnia: Pa (np. próżnia wstępna dla pompy dyfuzyjnej, jonowo-sorpcyjnej): Pompy rotacyjne jedno- lub dwustopniowe (odpowiednio do 10 1 i 10-1 Pa), szybkość pompowania pomp rotacyjnych szybko spada przy zbliżaniu się do minimalnego osiągalnego ciśnienia ważne przy pompowaniu w procesach, w których gaz ciągle się wydziela, pompa powinna osiągać co najmniej 50 % szybkości nominalnej wydzielanie gazu przy ciśnieniach Pa pompa Rootsa z pompą rotacyjną Niższe ciśnienia dwustopniowa pompa Rootsa z dwustopniową pompą rotacyjną, ale ekonomiczne może być użycie pompy eżektorowej z jednostopniową pompą rotacyjną

7 Wytwarzanie próżni Procesy suche próżnia wysoka: Pa Poniżej 10-1 Pa pompy turbomolekularne, dyfuzyjne i jonowo-sorpcyjne Próżnia wstępna pompy rotacyjne Zmienność ciśnienia w trakcie procesu, szeroki zakres ciśnień pompy dyfuzyjne ze stopniami eżektorowymi dobra szybkość pompowania w zakresie próżni wstępnej, niska wartość ciśnienia osiągalnego, wysoka wartość ciśnienia próżni wstępnej próżnia ultrawysoka: poniżej 10-5 Pa Pompy turbomolekularne, jonowo-sorpcyjne, sublimacyjne, kriopompy, w kombinacji z pompami próżni wstępnej; dopasowanie do konkretnego procesu i stanowiska

8 Wytwarzanie próżni Procesy mokre oprócz ciśnienia i szybkości pompowania ważne jest ciśnienie parcjalne pary i jego zmienność w czasie Pompy rotacyjne bez i z przedmuchem, pompy Rootsa, pułapki kondensacyjne; różne kombinacje (zależne m.in. od temperatury pracy ciśnienie par nasyconych)

9 Wytwarzanie próżni Procesy mokre

10 Wytwarzanie próżni Procesy mokre, pompy rotacyjne A: jednostopniowa pompa rotacyjna suwakowa bez przedmuchu B: jednostopniowa pompa rotacyjna suwakowa z przedmuchem i pułapką kondensacyjną na wejściu C: jednostopniowa pompa rotacyjna suwakowa z przedmuchem (+ ewentualnie pułapka kondensacyjna) D: dwustopniowa pompa rotacyjna suwakowa z przedmuchem (a przy niższych ciśnieniach pompa Rootsa lup pompa parowa ejektorowa) nachylenie krzywej pv/pp zależy od temperatury (ciśnienie pary nasyconej), tu 77 C (przykładowa temperatura pracy jednostopniowej pompy rotacyjnej suwakowej)

11 Wytwarzanie próżni Procesy mokre

12 Wytwarzanie próżni Procesy mokre, pompy Rootsa A: pompa Rootsa z jednostopniową pompa rotacyjną suwakową bez przedmuchu B: pułapka kondensacyjna, pompa Rootsa z bypassem, pułapka kondensacyjna, jednostopniowa pompa rotacyjna z przedmuchem C: pompa Rootsa, pułapka kondensacyjna, jednostopniowa pompa rotacyjna z przedmuchem D: pompa Rootsa, jednostopniowa pompa rotacyjna z przedmuchem Jeśli proces odbywa się stopniowo od A do D przełączanie dokonuje się przez zastosowanie bypassów.

13 Wytwarzanie próżni Próżna bez węglowodorów (pary oleju) Próżnia niska: Pa: pompy wodne strumieniowe lub pierścieniowe, parowe eżektorowe, pompy sorpcyjne, ewentualnie dwustopniowe pompy suwakowe z pułapką sorpcyjną na wejściu Próżnia średnia: Pa: dwustopniowe pompy suwakowe z pułapką sorpcyjną, pompy eżektorowe, olejowe lub rtęciowe z odpowiednimi pułapkami, pompy sorpcyjne (po przedmuchaniu zbiornika azotem, aby zmniejszyć ilość gazów szlachetnych) Próżnia wysoka i ultrawysoka: poniżej 10-1 Pa: gdy gaz cały czas się pojawia - pompy turbomolekularne, kriopompy; gdy nie ma nieszczelności pozornych - pompy jonowo-sorpcyjne. Pompa turbomolekularna z magnetycznym zawieszeniem, zwykłe pompy turbomolekularne, próżnia wstępna pompy membranowe.

14 Wytwarzanie próżni Próżnia ultrawysoka, poniżej 10-5 Pa Wymaga lepszej techniki: metalowe uszczelki; minimalizacja wydzielania gazów z powierzchni oraz przecieków; powstrzymywanie przepływu wstecznego gazów i produktów z pompy; odpowiednie materiały, stal nierdzewna, testowanie, wygrzewanie Szybkość pompowania pompy próżni wstępnej co najmniej jaka? Seff, pa efektywna szybkość pompowania i ciśnienie na wlocie pompy (np. dyfuzyjnej) Sv, pv szybkość pompowania pompy próżni wstępnej i ciśnienie próżni wstępnej pa S v = S eff pv Ale Seff, zależy od ciśnień, trzeba to przewidzieć

15 Przykładowy schemat (uproszczony, bez symboli techn. próżn.)

16 Przykładowy schemat (uproszczony, bez symboli techn. próżn.) Narysowanie schematu i opisanie jego elementów. Wyjaśnienie, np. Po bo pompa rotacyjna? Po co bypass omijający pompę turbo? Po co wygrzewanie? Zależność ciśnienia od czasu w trakcie wygrzewania? Ewentualnie, inny schemat stanowiska z co najmniej dwiema pompami, odpowiednią liczbą zaworów oraz pomiarem ciśnienia, np. stanowisko z pompą rotacyjną i dyfuzyjną z laboratorium, schemat i opis instalacji próżniowej w synchrotronie itp. Plusem będzie używanie typowych symboli techniki próżniowej.

17 Przykładowy schemat Osuszanie soli

18 Pomiary próżni Próżnia, zakres pomiarowy: ~ 105 Pa Analogia długość: ~ 105 m Możliwość wykorzystania wielu zjawisk fizycznych wiele sposobów pomiaru ciśnienia Nie jest możliwy dokładny pomiar ciśnienia w całym zakresie w oparciu o tylko jedną technikę pomiarową (zjawisko fizyczne) Istnieją narzędzia pomiarowe łączące różne techniki, np. głowica pełnozakresowa PKR 251 Wskazanie miernika może zależeć od rodzaju gazu Niepewność pomiarowa np. 30 % - może być całkiem przyzwoita

19 Pomiary próżni Pomiar ciśnienia bezpośredni i pośredni Ciśnienie stosunek siły i powierzchni Siła zależy od koncentracji gazu i temperatury, ale nie od rodzaju gazu (masy molowej) Pomiary bezpośrednie przez pomiar siły, wskazanie miernika nie zależy od rodzaju gazu; próżniomierze mechaniczne, cieczowe Pomiary pośrednie przez pomiar wielkości zależnej od ciśnienia (koncentracji), np. przewodności cieplnej, przewodności elektrycznej, jonizacji. Wielkości te są funkcjami masy molowej, wskazanie miernika zależy od rodzaju gazu! Miernik wyskalowany jest do azotu lub powietrza wskazanie mnoży się przez współczynnik korekcji zależny od gazu, trzeba z grubsza znać skład gazu

20 Pomiary próżni Wybrane aspekty pomiarów ciśnienia Próżnia niska pomiary bezpośrednie, zadowalająca dokładność Próżnia średnia i wyższa wiele czynników wpływających na występowanie błędów znacząco większych niż dokładność (rozdzielczość) miernika; spore trudności już z dokładnością rzędu kilkudziesięciu % Podczas pompowania wskazanie może zależeć od umiejscowienia miernika, na pompie ciśnienie niższe niż w zbiorniku; przewodność układu Różna szybkość adsorpcji/desorpcji na ściankach zbiornika i powierzchni głowicy pomiarowej (nierównomierne odgazowanie), błędne wskazanie ciśnienia, długi czas ustalania równowagi Wpływ pomiaru na skład gazu, pomiary z gorącą katodą duże cząsteczki, np. węglowodory, rozpadają się na mniejsze.

21 Pomiary próżni Wybrane aspekty pomiarów ciśnienia Wybór metody pomiarowej zależy nie tylko od docelowego zakresu ciśnień Inne czynniki to np. zanieczyszczenia, wibracje, Pola elektryczne i magnetyczne, niewłaściwa temperatura w pobliżu głowicy pomiarowej Miernik (metoda) musi być odporny na czynniki zaburzające jego pracę.

22 Pomiary próżni Pomiary bezpośrednie próżniomierz rurkowy Próżniomierze membranowe Próżniomierze hydrostatyczne Pomiary pośrednie Próżniomierze cieplnoprzewodnościowe (w tym oporowe) Próżniomierze jonizacyjne (z zimną lub gorącą katodą) Pomiar ciśnień parcjalnych spektrometry masowe

23 Pomiary bezpośrednie Próżniomierze mechaniczne próżniomierz rurkowy (rurka Bourdona)

24 Pomiary bezpośrednie Próżniomierze mechaniczne próżniomierz rurkowy (rurka Bourdona) Rurka połączona z układem próżniowym Im większa różnica ciśnień wewnątrz i na zewnątrz rurki, tym większe odkształcenie Zakres: kpa Pomiar względem ciśnienia atmosferycznego (zmiennego), trudno o dobrą dokładność przy niższych ciśnieniach

25 Pomiary bezpośrednie Próżniomierze mechaniczne próżniomierz membranowy

26 Pomiary bezpośrednie Próżniomierze mechaniczne próżniomierz membranowy Ciśnienie odniesienia (wewnątrz próżniomierza) < 0,1 Pa Pomiar niezależny od ciśnienia zewnętrznego Zakres: 0,1 100 kpa Największa dokładność w zakresie Pa Istnieją wersje dla zakresu 0, Pa

27 Pomiary bezpośrednie

28 Pomiary bezpośrednie przeładowanie - podczas testowania szczelności układu przy podwyższonym ciśnieniu (powyżej 1 atm)

29 Pomiary bezpośrednie Próżniomierze mechaniczne próżniomierz membranowy pojemnościowy Kondensator, membrana stanowi jedną z elektrod Różnica między ciśnieniem odniesienia a ciśnieniem mierzonym określa pojemność kondensatora

30 Pomiary bezpośrednie Głowica próżniomierza pojemnościowego z membraną metalową

31 Pomiary bezpośrednie... z membraną ceramiczną (bardziej odporna na przeładowanie)

32 Pomiary bezpośrednie Próżniomierze mechaniczne próżniomierz membranowy pojemnościowy Jedna głowica może służyć do pomiaru ciśnień w zakresie 3-4 rzędów, np: Pa, Pa, Pa i Pa, Można łączyć kilka głowic i tworzyć stanowiska pomiarowe wielokanałowe Na chwilę obecną najlepsza technika pomiaru ciśnień poniżej 100 Pa niezależna od składu gazu Inne próżniomierze membranowe oprócz bezpośredniego przeniesienia siły na wskazówkę i pomiaru pojemności, możliwość wykorzystania zjawiska piezoelektrycznego i zmiany indukcyjności

33 Pomiary bezpośrednie Głowica pojemnościowa CERAVAC CTR 100 N (0, Tor) jednostka sterująca dwukanałowa DISPLAY TWO (współpracuje z wieloma typami głowic)

34 Pomiary bezpośrednie Próżniomierze cieczowe hydrostatyczne najprostsza i najdokładniejsza technika pomiarowa w zakresie próżni średniej (od 1 atm do kilkuset Pa) U-rurka wypełniona rtęcią, jedno ramię zamknięte (ponad cieczą ciśnienie odpowiadające ciśnieniu par rtęci, ok. 0,1 Pa), drugie ramię połączone z układem próżniowym Różnica poziomów w obu ramionach odczyt ciśnienia Niezależne od ciśnienia atmosferycznego Niewygodne (rozmiary im większe, tym dokładniejsze) Wprowadzanie oparów rtęci do układu Rtęć

35 Pomiary bezpośrednie Próżniomierze hydrostatyczne kompresyjne (McLeoda)

36 Pomiary bezpośrednie Próżniomierze hydrostatyczne kompresyjne Nad rtęcią kapilara kompresyjna, kanał próżniowy kapilara porównawcza Wlewanie rtęci, różnica ciśnień w kapilarach, p. Boyle'a-Mariotte'a Różnica poziomów w obu ramionach odczyt ciśnienia Niezależne od ciśnienia atmosferycznego Rzadko używane, ale dokładne i dobre do kalibrowania innych mierników

37 Pomiary pośrednie Ciśnienie oszacowane na podstawie pomiaru innej wielkości, będącej funkcją ciśnienia Wynik pomiaru zależy od składu gazu Wynik odnosi się do ciśnienia powietrza lub azotu Przeskalowanie w zależności od składu Najczęściej pomiar przewodności cieplnej gazu lub natężenia prądu jonizacji gazu Inne określanie ciśnienia poprzez pomiar lepkości gazu (siła oporu działająca na poruszający się element)

38 Pomiary pośrednie Próżniomierze cieplnoprzewodnościowe Drut o promieniu r1 ogrzewany oporowo, ciśnienie (średnia droga swobodna) intensywność oddawania ciepła

39 Pomiary pośrednie Próżniomierze cieplnoprzewodnościowe Wyższe ciśnienia przewodność cieplna gazu słabo zależy od ciśnienia Ciśnienia poniżej 1 mbar przewodność zmienia się liniowo w funkcji log p Pomiar oparty na mostku Wheatstone'a, jeden z oporników umieszczony w próżni

40 Pomiary pośrednie Próżniomierze cieplnoprzewodnościowe Im mniejsze ciśnienie tym gorsze odprowadzenie ciepła, tym wyższa temperatura i większa oporność Metoda współczesna, próżniomierze oporowe Piraniego: utrzymywanie stałej temperatury elementu (i jego oporu), aby mostek był zbalansowany; miarą ciśnienia jest napięcie zasilające mostek Inne podejście: np. utrzymywanie stałego prądu na elemencie grzejnym i badanie prądu mostkowego, określającego ciśnienie

41 Pomiary pośrednie Głowice Piraniego Ok Pa pomiar cieplnoprzewodnościowy Współczesne głowice doposażone w membranę ceramiczną, lub elementy piezoelektryczne przesunięcie górnej granicy do ciśnienia normalnego Dokładność kilka kilkadziesiąt % Dolna granica pomiaru: dokładność pomiaru napięcia, temperatura zewn.,...

42 Pomiary pośrednie Głowice Piraniego a skład gazu, głowica PKR 251, w trybie Piraniego Pionowa: wskazywane pozioma: rzeczywiste

43 Pomiary pośrednie Jak mierzyć ciśnienia < 10-2 Pa? Ciśnienie proporcjonalne do liczby cząstek (koncentracja) poruszające się z odpowiednią energią elektrony częściowo jonizują gaz Jony gazu do elektrody pomiarowej, gdzie są zobojętniane elektronami Prąd tych elektronów jest miarą ciśnienia Próżniomierze jonizacyjne Różne sposoby uzyskiwania elektronów jonizujących gaz Wyładowanie w silnym polu elektrycznym próżniomierze z zimną katodą próżniomierze Penninga Emisja elektronów z gorącej katody Efektywność jonizacji zależy od rodzaju gazu, próżniomierze są wykalibrowane dla azotu Ostateczny wynik przemnożenie przez czynnik korekcyjny (zal. od rodzaju gazu i budowy głowicy, przyjmuje się, że jest stały w całym zakresie)

44 Pomiary pośrednie Próżniomierz jonizacyjny z zimną katodą (Penninga) Wyładowanie jak w pompach jonowo-sorpcyjnych (komórka Penninga) Dwie elektrody katoda i anoda Napięcie 2 kv, wyładowania, samoistne lub zainicjowane Pole magnetyczne zakrzywia (spiralnie) i wydłuża tor ruchu elektronów mają one szansę napotkać i zjonizować więcej cząsteczek gazu Jony produkty zderzeń rejestrowane na elektrodach, natężenie prądu proporcjonalne do ciśnienia Pomiar nieefektywny powyżej ciśnień rzędu 1 Pa (wyładowanie jarzeniowe) dolna granica Pa, prąd niezal. od ciśnienia (tylko od budowy głowicy) Pompowanie gazu ok. 0,01 l/s gaz osadza się na katodzie, zaburza to pomiar, zmniejsza dokładność. Współcześnie bardzo popularne, tanie, wytrzymałe (wibracje, szybkie zmiany ciśnień)

45 Pomiary pośrednie Schemat głowicy z zimną katodą (Penninga) Na zewnątrz katody magnes W celu zainicjowania wyładowania może być wbudowane źródło promieniotwórcze, lub niewielka katoda

46 Pomiary pośrednie Głowice z zimną katodą a skład gazu, głowica PKR 251, w trybie zimnej kat. Pionowa: wskazywane pozioma: rzeczywiste

47 Pomiary pośrednie Głowice z zimną katodą a skład gazu, głowica PKR 251, w trybie zimnej kat. A co, jeśli mamy mieszaninę różnych gazów?

48 Pomiary pośrednie Głowice z zimną katodą a skład gazu, głowica PKR 251 Zanieczyszczenia wpływ na pomiar i trwałość (Pirani zawyżanie, zimna katoda zaniżanie ciśnienia)

49 Pomiary pośrednie Próżniomierz jonizacyjny z gorącą katodą Trzy elektrody: gorąca katoda, anoda, kolektor jonów Katoda iryd z warstwą tlenkową itru i toru (dawniej wolfram, mniej trwały) Niższe napięcia, bez pól magnetycznych Katoda bardzo wydajne źródło elektronów, są one przyspieszane w polu elektrycznym do energii, przy których mogą jonizować gaz Kationy przyciągane do kolektora jonów (potencjał niższy niż na katodzie), oddają ładunek

50 Pomiary pośrednie Próżniomierz jonizacyjny z gorącą katodą Prąd kolektora proporcjonalny do koncentracji p = i+ / ( i- C) prąd kolektora, prąd emitowanych elektronów, stała zależna od układu, dla azotu ok. 10 mbar-1 Czułość głowicy S = i+ / p = C i- = 10 mbar-1 1 ma = 10-2 A/mbar Pompowanie gazu ok l/s Górna granica pomiaru: ok. 1 Pa (krótsza droga swobodna, więcej zderzeń, rozpraszanie jonów na molekułach, mniejszy prąd; inne procesy wyładowania jarzeniowe, znacznie zaburzające dokładność) Dolna granica pomiaru efekt promieniowania rentgenowskiego, desorpcja jonów; zaburzenie proporcjonalności

51 Pomiary pośrednie Próżniomierz jonizacyjny z gorącą katodą efekt prom. X Elektrony uderzające w anodę i inne powierzchnie emisja miękkiego promieniowania X (rząd - ok. 1 nm) Fotony docierają do katody- kolektora jonów, zjawisko fotoelektryczne Fotoelektrony dolatują do anody, prąd elektronów kolektor anoda symuluje prąd kationów płynący do kolektora Efekt dodatni, zależny od potencjałów, geometrii Możliwy jest efekt ujemny (częściowo kompensujący efekt dodatni) niektóre fotoelektrony mogą przelecieć przez okolice anody (siatka), docierając do kolektora i zmniejszając wartość prądu; efekt zależny od potencjału zewnętrznej powierzchni głowicy Prąd kolektora oprócz składnika związanego z kationami, składnik związany z fotoelektronami, niezależny od ciśnienia

52 Pomiary pośrednie Próżniomierz jonizacyjny z gorącą katodą efekt prom. X

53 Pomiary pośrednie Próżniomierz jonizacyjny z gorącą katodą efekt desorpcji Dodatkowe zaburzenie prądu desorpcja obojętnych cząstek gazu z anody, cząstki odrywane i jonizowane przez padające elektrony, jony kierują się do kolektora. Cząstki, które po oderwaniu pozostają obojętne wzrost ciśnienia w głowicy. Desorpcja zależy od stanu anody (utlenienie, starzenie się), powinno się ją odgazowywać, bombardując elektronami i wygrzewając Zaburzenia i niestabilności związane z desorpcją zwłaszcza, gdy prąd elektronów jest mały

54 Pomiary pośrednie Próżniomierz jonizacyjny z gorącą katodą kilka rozwiązań Różne zakresy ciśnień, różne metody radzenia sobie z efektami promieniowania X

55 Pomiary pośrednie Próżniomierz jonizacyjny z gorącą katodą obecnie często stosowana jest głowica Bayarda-Alperta Cel jak najszerszy zakres proporcjonalności prądu kolektora i ciśnienia, zwłaszcza w kierunku niskich ciśnień Potrzeba redukcji efektów promieniowania rentgenowskiego Katoda na zewnątrz anody, kolektor jonów b. cienki drut w osi anody Mała powierzchnia kolektora redukcja efektu prom. X o 2 3 rzędy Przy bardzo niskich ciśnieniach zaburzenia - adsorbcja/desorpcja z wewn. powierzchni głowicy i połączeń; najkorzystniejsze - głowice obnażone bezpośrednio w zbiorniku (a nie dodatkowe moduły dołączane do układu) Głowica z modulatorem oszacowanie ilościowe prądu fotoelektrycznego Głowica ekstraktorowa minimalizacja kolektora, zmniejszenie zakłóceń; niewielkie rozmiary głowicy obnażonej (ważne dla małych układów)

56 Pomiary pośrednie IONIVAC ITR 90 Pirani + hot cathode

57 Spektrometria masowa Spektrometria masowa Analiza składu chemicznego danego materiału poprzez rejestrację jonów Pola elektryczne i magnetyczne, separacja jonów o różnym stosunku masy i ładunku Spektrometria masowa w technice próżniowej Analiza proporcji w mieszaninie gazów Analiza ciśnień parcjalnych spektrometry muszą być małe, musi być możliwość wygrzewania Pomocne przy poszukiwaniu nieszczelności

58 Spektrometria masowa Spektrometria masowa w technice próżniowej, parametry Minimalne ciśnienie parcjalne, które jeszcze będzie rejestrowane, ok Pa (dla gazu stanowiącego 1% składu, ciśnienie całkowite 10-8 Pa) Maksymalne ciśnienie, przy którym zachowana jest liniowa zależność prądu jonów i ciśnienia, ok Pa; wyższe ciśnienie więcej zderzeń, droga swobodna mniejsza od wymiarów układu, zaburzenie pomiaru Czułość: iloraz mierzonego prądu i ciśnienia parcjalnego w zależności od rodzaju detektora 10-4 A/mbar, 102 A/mbar Czułość wykrywania ciśnienia parcjalnego: najmniejsze wykrywane ciśnienie parcjalne / ciśnienie całkowite, kilka ppm, wystarcza 0,1 1 %; ograniczona przez prąd szumów Zakres wykrywanych mas do kilkuset j. at. Zdolność rozdzielcza: wartość największej liczby masowej, przy której następuje całkowite oddzielenie jonów różniących się masą o 1 j. at.

59 Spektrometria masowa Spektrometr masowy, budowa (s. kwadrupolowy) Źródło jonów System separacji jonów Detekcja jonów Wiele rodzajów źródeł, systemów separacji i detekcji

60 Spektrometria masowa Spektrometr masowy, budowa (s. kwadrupolowy)

61 Spektrometria masowa Spektrometr, źródło otwarte układ umieszczony bezpośrednio w gazie Katoda, anoda, przesłony Elektrony z katody jonizują gaz Układ przesłon formuje i kieruje wiązkę jonów do układu separacji Anoda podgrzewana, różne materiał, iryd z warstwą tlenku itru, wolfram, ren (różna trwałość, praca z węglowodorami, tlenem) Są też źródła zamknięte, minimalizacja wpływu obszaru źródła jonów na skład zbiornika (dołączona dodatkowa pompa)

62 Spektrometria masowa Spektrometr, kwadrupolowy separator mas (Inne selektory np. time of flight, selektory magnetyczne zakrzywiające tor jonów, itd) 4 okrągłe pręty, rozmieszczone symetrycznie, połączone parami i zasilane napięciem ± [U + Vcos( t)] Potencjał wewnątrz układu hiperboliczny Można ustalić i rozwiązać równania ruchu Można też z grubsza ustalić pewne fakty, dotyczące zachowania jonów w obszarze separatora. Oś podłużna separatora z; kation wpada do separatora blisko osi z, początkowa prędkość równoległa do osi Analiza ruchu w płaszczyźnie xz i yz

63 Spektrometria masowa Spektrometr, kwadrupolowy separator mas

64 Spektrometria masowa Spektrometr, kwadrupolowy separator mas 1. Stałe potencjały prętów; xz: +U, oba pręty odpychają od siebie kation, może przejść, yz: -U, nawet minimalne odstępstwo od osi z kation uderzy w pręt, nie przejdzie 2. Dodanie potencjału przemiennego; xz: + [U + Vcos( t)], oscylacje, przy dostatecznie dużym V kation uderzy w pręt, nie przejdzie; yz: -[U + Vcos( t)], amplituda oscylacji może być mniejsza niż odległość między prętami, kation może przejść 3. Prąd jonów jako funkcja V (dla ustalonej masy jonu); xz: powyżej pewnej wartości V1 maleje szansa na przejście (zbyt duże oscylacje) yz: powyżej V1 rośnie szansa na przejście (małe oscylacje)

65 Spektrometria masowa Spektrometr, kwadrupolowy separator mas 4. Prąd jonów jako funkcja masy jonu (dla ustalonego U/V); xz: cięższe jony słabiej reagują na siły pola yz: cięższym jonom trudniej uniemożliwić dotarcie do pręta 5. Połączenie wniosków (dla ustalonego U/V), łączny prąd kationów: I. Dla małych mas brak prądu (blokada w płaszczyźnie xz) II. Prąd płynie, V jest dopasowane do pewnej masy M (kationy o innych masach nie przechodzą), M = a V / 2, (a zal. od geometrii konkretnego układu), aby utrzymać kompromis między czułością a rozdzielczością, stosunek U/V utrzymywany jest jako stały (aby zbadać dany zakres mas U i V zmienia się jednocześnie i proporcjonalnie) III. Dla dużych mas brak prądu (blokada w płaszczyźnie xz)

66 Spektrometria masowa Spektrometr, kolektor jonów pomiar prądu kationów puszka Faradaya lub channeltron

67 Spektrometria masowa Spektrometr, kolektor jonów puszka Faradaya detektor jonów, niezależny od ich energii czy masy, komora metalowa, gdy w jej powierzchnię uderza jon, jest zobojętniany. Kation zabiera elektron. Prąd tych elektronów jest wzmacniany i mierzony. Długi czas reakcji. Channeltron powielacz elektronowy; padający jon wybija elektron, który przechodząc przez kanał uderza ponownie w powierzchnię, wybijając kolejne elektrony itd. Powstaje lawina elektronów. Wzmocnienie rzędu Kanał zbudowany jest z elektrod o coraz to wyższych potencjałach, lub z elektrody z materiału o dużym oporze rozkład potencjałów ciągły. Ostatnia elektroda anoda zbiera prąd elektronów. Lepsza czułość.

68 Spektrometria masowa Spektrometry PrismaPlus

69 Spektrometria masowa Spektrometry PrismaPlus

70 Spektrometria masowa Spektrometry PrismaPlus Aspekty spektrometrii masowej w technice próżni bezpośrednio mierzymy prąd kationów, traktując go jako funkcję masy, ale To co mierzymy zależy od ilorazu masy i ładunku Możliwość jonizacji wielokrotnej: Ar+ - odpowiada masie 40, Ar++ - masa 20, tak jak Ne+ Różne izotopy tego samego pierwiastka różne masy Podatność na jonizację dla poszczególnych gazów jest różna Defragmentacja molekuł podczas zderzenia z elektronem, np. część cząstek CO2 rozpadnie się, mogą powstać jony CO, wkład do odczytu dla masy 28 (jak azot) będzie stanowił 11% odczytu masy 44

71 Spektrometria masowa Spektrometry Aspekty spektrometrii PrismaPlus masowej izotopy, np. Ne20 i Ar40

72 Spektrometria masowa Spektrometry Aspekty spektrometrii PrismaPlus masowej podatność na jonizację Jonizacja właściwa: liczba jonów powstających na 1 cm przypadających na 1 mbar (pod wpływem jednego elektronu)

73 Spektrometria masowa Spektrometry Aspekty spektrometrii PrismaPlus masowej podatność na jonizację RIP relation ionization probabilities, względne prawdopodobieństwo jonizacji, w odniesieniu do azotu H2O 11

74 Spektrometria masowa Aspekty spektrometrii masowej izotopy, defragmentacja, jonizacja wielokr. Spektrometry PrismaPlus zależność od rodzaju źródła, geometrii urządzenia; różne urządzenia różne wyniki

75 Spektrometria masowa Aspekty spektrometrii masowej interpretacja wyników, szukanie korelacji? Spektrometry PrismaPlus Oprogramowanie prezentacja prądu w funkcji masy, prądów parcjalnych w funkcji czasu, ciśnień parcjalnych w funkcji czasu itd.

76

77 Nieszczelności Nie układów idealnie szczelnych! Gaz i tak będzie przenikać przez materiał (dyfuzja, pory), nawet jeśli nie ma w nim wadliwych złączy, spojeń, otworów, pęknięć (nieszczelności rzeczywistych) Stopień nieszczelności, przecieku, mbar l / s, cm3 / s Q L= Δ ( pv ) RT Δ m = Δt M Δt QL = 1 mbar l / s - w odpompowanym zbiorniku o objętości 1l ciśnienie w ciągu 1 s rośnie o 1 mbar (zbiornik z nadciśnieniem - ciśnienie maleje) Wzór ten pozwala ocenić szybkość przecieku w metodzie wzrostu ciśnienia Gdy znamy szybkość pompowania i szybkość przecieku, możemy ustalić końcowe ciśnienie

78 Nieszczelności Stopień nieszczelności Dla danego otworu stopień przecieku zależy od rodzaju gazu, dla helu wartości 3 krotnie większe niż dla powietrza

79 Nieszczelności Metody wykrywania nieszczelności: Badanie poszczególnych części układu lub całości Nadciśnienie (dawniej np. bańki mydlane) i podciśnienie (dawniej różnica wskazań dwóch próżniomierzy, jeden połączony bezpośrednio ze zbiornikiem, drugi poprzez pułapkę kondensacyjną; owiewanie elementu wodorem i rejestracja zmian ciśnień próżniomierzem jonizacyjnym) Współcześnie badanie obecności gazu testowego czy dostaje się lub ucieka z układu; badania w bardzo szerokim zakresie ciśnień Gaz testowy powinien: Nie występować w dużej ilości w atmosferze Posiadać małą masę cząsteczkową (szybszy, łatwiej przenikający) Tani, bezpieczny (współcześnie wodoru się unika, najlepszy hel)

80 Nieszczelności Metody wykrywania nieszczelności: owiewanie helem Owiewanie helem, odpompowany układ owiewa się w danym miejscu helem, do układu podłączony jest urządzenie pomiarowe Lokalizacja wycieku, dobra czułość, łatwość obsługi, test miejscowy lub całkowity Detektor helu, z tyłu kołnierz do połączenia

81 Nieszczelności Metody wykrywania nieszczelności: owiewanie detektor z pompą i spektrometrem Spektrometr uproszczony, specjalnie dla helu

82 Nieszczelności Metody wykrywania nieszczelności: węszenie Podwyższone ciśnienie, układ zawiera gaz testowy hel, chlor, (wstrzyknięte z butli), rejestrowany przez czujnik Lokalizacja wycieku, brak konieczności uzyskania próżni, łatwość obsługi, wpływ tła w powietrzu

83 Nieszczelności Metody wykrywania nieszczelności: Test w próżni: badany zbiornik zawiera gaz testowy, zamyka się go w próżni, gdzie mierzy się gaz testowy (dobra czułość, ale brak lokalizacji wycieku) Bombardowanie: zamknięty zbiornik, 1 etap umieszczenie w nadciśnieniu z gazem testowym, 2 etap umieszczenie w próżni i pomiar gazu testowego

84 Nieszczelności Pfeiffer ASM 380 Układ pompowania Pomiar Detekcja wodoru, helu Dodatkowo: Pistolety helowe Zbiorniki pomiarowe (do umieszczania i badania w nich szczelności elementów) Przecieki wykalibrowane Instalacje odzyskujące hel

85 Nieszczelności Wybrane narzędzia/metody a minimalny rejestrowany stopień wycieku

86 Dyfuzja gazu w ciałach stałych Adsorpcja i desorpcja przewodności przewodów, szybkość pompowania pompy rotacyjne pompy Rootsa pompy turbomolekularne pompy dyfuzyjne i eżektorowe pompy strumieniowe wodne i parowe pompy sorpcyjne pompy kondensacyjne schemat wybranego układu próżniowego pomiary bezpośrednie próżniomierze cieplnoprzewodnościowe próżniomierze jonizacyjne spektrometria masowa nieszczelności