Остаточное давление вакуума: Как выбрать вакуумный насос. Часть 1: Вакуум

Содержание

Понятие, уровни вакуума и единицы измерения Vuototecnica. КИП-Сервис: промышленная автоматика.

Термин «вакуум«, как физическое явление — среда, в которой давление газа ниже атмосферного давления.

Количественной характеристикой вакуума служит абсолютное давление. Основной единицей измерения давления в Международной системе (СИ) служит Паскаль (1 Па = 1Н/м2). Однако, на практике встречаются и другие единицы измерения, такие как миллибары (1 мбар = 100Па) и Торры или миллиметры ртутного столба (1 мм.рт.ст. = 133,322 Па). Данные единицы не относятся к СИ, но допускаются для измерения кровяного давления.


Уровни вакуума

В зависимости от того, на сколько давление ниже атмосферного (101325 Па), могут наблюдаться различные явления, вследствие чего могут использоваться различные средства для получения и измерения такого давления. В наше время выделяют несколько уровней вакуума, каждый из которых имеет свое обозначение в соответствии с интервалами давления ниже атмосферного:

  • Низкий вакуум (НВ): от 105 до 102 Па,
  • Средний вакуум (СВ): от 102 до 10-1 Па,
  • Высокий вакуум (ВВ): от 10-1 до 10-5 Па,
  • Сверхвысокий вакуум (СВВ): от 10-5 до 10-9 Па,
  • Черезвычайно высокий вакуум (ЧВВ): <10-9 Па.

Данные уровни вакуума в зависимости от области применения разделяют на три производственные группы.

— Низкий вакуум: в основном используется там где требуется откачка большого количества воздуха. Для получения низкого вакуума используют электромеханические насосы лопастного типа, центробежного, насосы с боковым каналом, генераторы потока и т.д.

Низкий вакуум применяется, например, на фабриках шелкотрафаретной печати.

— Промышленный вакуум: термин “промышленный вакуум” соотвествует уровню вакуума от -20 до -99 кПа. Данный диапазон используется в большинстве применений. Индустриальный вакуум получают с помощью ротационных, жидкостно-кольцевых,поршневых насосов и лопастных вакуумных генераторов по принципу Вентури. Область применения промышленного вакуума включает в себя захват присосками, термоформование, вакуумный зажим, вакуумная упаковка и др.

— Технический вакуум: соответствует уровню вакуума от -99 кПа. Такой уровень вакуума получают при помощи двухуровневых ротационных насосов, эксцентриковых роторных насосов, вакуумных насосов Рутса, турбомолекулярных насосов, диффузионных насосов, криогенных насосов и т.д.

Такой уровень вакуума используется в основном при лиофилизации, металлизации и термообработке. В науке технический вакуум используется в качестве симуляции космического пространства.

Наивысшее значение вакуума на земле значительно меньше значения абсолютного вакуума, которое остается чисто теоретическим значением. Фактически, даже в космосе, несмотря на отсутствие атмосферы, имеется небольшое количество атомов.

Основным толчком к развитию вакуумных технологий послужили исследования в промышленной области. В настоящий момент существует большое количество применений в различных секторах. Вакуум используется в электролучевых трубках, лампах накаливания, ускорителях частиц, в металлургии, пищевой и аэрокосмической индустрии, в установках для контроля ядерного синтеза, в микроэлектронике, в стекольной и керамической промышленности, в науке, в промышленной роботехнике, в системах захвата с помощью вакуумных присосок и т. д.

В целом о вакуумных насосах

Предельное остаточное давление, достижимое в вакуумной системе, зависит, с одной стороны, от потока натекающего газа, а с другой —от быстроты откачки. Поток натекающего газа может изменяться в очень широких пределах (на несколько порядков величины) и может быть значительно уменьшен путем тщательного выбора материалов и методов их обработки, тогда как быстрота откачки ограничена производительностью насоса.

Так, например, максимальная теоретическая быстрота откачки определяется потоком молекул газа во впускном отверстии насоса. Следовательно, предельное давление не может быть неограниченно уменьшено за счет увеличения размеров (объема камеры) насоса за его впускным отверстием. Для того чтобы уменьшить остаточное давление при неизменном потоке натекающего газа, необходимо увеличить проводимость впускного отверстия и быстроту откачки в той же пропорции.

Эффективная быстрота откачки меньше теоретической предельной и зависит от давления откачиваемого газа. На практике большинство насосов способно откачивать газ в ограниченном диапазоне давлений, а вне его быстрота откачки падает до нуля. Следовательно, при рассмотрении задачи откачивания газа из системы весьма важно правильно выбрать подходящий насос. При этом, поскольку не существует насосов, способных откачивать во всем диапазоне давлений — от атмосферного до сверхвысокого вакуума, —в действительности речь идет о выборе оптимальной комбинации нескольких насосов. Требуемая мощность (производительность) насоса определяется объемом вакуумной системы и размером впускного отверстия.

Вплоть до 1950-х гг. только диффузионные насосы (работающие совместно с механическими ротационными насосами, создающими форвакуум 1—10 Па позволяли получать вакуум лучше 10-5 Па. Поскольку в те времена практически не требовались вакуумные системы с остаточным давлением ниже 10-4 Па, повышению эффективности откачивающих систем и точности измерения вакуума уделялось мало внимания. Потребность в более высоком вакууме для исследования поверхностей твердых тел, имитации условий космоса, а также для изучения элементарных частиц и в других задачах привела в 1950—1960-х гг. к ускорению исследований и развитию вакуумной техники. В результате были не только усовершенствованы откачивающие системы типа диффузионный насос — ротационный насос, предельные давления для которых были доведены до сверхвысокого вакуума, но также был разработан ряд других насосов и откачивающих устройств.

Тщательное изучение различных физических явлений позволило разработать усложненные вакуумные насосы нового поколения, которые могут эффективно откачивать крупные системы до сверхвысокого вакуума. К этим насосам относятся ионные, сублимационные, адсорбционные и криогенные насосы. В этих насосах используется явление поглощения газа рабочим телом насоса по физическому или химическому механизму сорбции. Разработка широкого спектра насосов на основе различных принципов поглощения и откачивания газа связана не только с необходимостью охвата всех диапазонов вакуума, начиная с атмосферного давления и кончая сверхвысоким вакуумом, но и в связи с необходимостью откачивания любых газов.

Одним из современных насосов, находящих все большее применение, является турбомолекулярный насос, разработанный на основе молекулярного насоса, который был сконструирован в 1913 г. В дальнейшем этот насос был усовершенствован и теперь позволяет получать сверхвысокий вакуум вплоть до 10-8 Па при высоких скоростях откачки.

Как выбрать, подобрать вакуумный насос? — Статьи



Очень часто при разговоре с заказчиком приходиться слышать фразу: «мне нужен вакуумный насос!». На вопрос: «какой конкретно?» многие ответить не в состоянии и звучит что-то типа: «ну простой вакуумный насос». Действительно, в понимании большинства обывателей вакуумный насос — это некий агрегат, который делает в замкнутом объеме давление ниже атмосферного… чтобы воздух сделать пожиже … вот, собственно, и все. А между тем, самих типов, производителей и моделей вакуумных насосов существует множество. Каждый из них разработан под определенные задачи и условия эксплуатации. Порой очень непросто сразу определить, какой именно агрегат необходим в данных конкретных условиях, но есть ряд показателей и требований, которые помогают сделать выбор, не переплачивая лишних денег и, получая, именно то, что требуется.

Давайте на конкретных примерах рассмотрим, как осуществляется первичный подбор вакуумной техники. Сразу оговоримся, что насос должен качать чистый воздух без агрессивных и взрывоопасных примесей, в 80% случаев использования вакуумные насосы перекачивают именно чистый воздух.

Есть две основные технические характеристики, которые необходимо знать при выборе вакуумного насоса:

Номинальная производительность – скорость, с которой насос откачивает газ из ограниченного объема (как ее рассчитать описано в статье как рассчитать производительность вакуумного насоса?). Единицами измерения являются м3/ч, л/мин, реже м3/мин. Чем больше производительность насоса, тем он крупнее и тяжелее.

Остаточное давление – предельный вакуум в замкнутом объеме, при котором производительность насоса падает практически до нуля, и он продолжает работать только на поддержание достигнутого вакуума. Т.е. лучше этого вакуума та или иная конструкция вакуумного наоса обеспечить уже не может, поэтому и говорят «предельный вакуум». Единиц измерения остаточного давления множество: атм., кг*с/см2, Па, мбар, мм ртутного или водного столба и т.д. В таблице 1 указаны наиболее часто используемые единицы давления и их соотношение. 


Таблица №1: Таблица соотношений единиц давлений

Имея эти две характеристики, не составит особого труда сделать первичный подбор и определиться с предстоящими расходами на покупку насоса.

Теперь чуть больше теории, и начнем с остаточного давления:
Атмосферным давлением называют давление многокилометровой воздушной оболочки (столба) над поверхностью земли. Оно составляет 1013 мбар, именно такое давление присутствует в откачиваемых объемах перед запуском в работу вакуумного насоса. С началом работы насоса эта цифра начинает снижаться и устремляется к 0 по мере откачки воздуха из объёма. Но получить полный ноль в земных условиях практически невозможно. Давление 0 мбар означало бы, что в объёме не осталось ни одной молекулы газов. Здесь надо знать, что чем ниже показатель остаточного давления, тем лучше вакуум в объеме, и тем сложнее и дороже вакуумный насос для получения такого вакуума (за редкими исключениями).

Далее мы рассмотрим основные типы вакуумных агрегатов, которые присутствуют сейчас на рынке. Они имеют разные принципы действия, что дает им определенные плюсы и минусы при тех или иных условиях эксплуатации. 

Пластинчато- роторные маслоуплотняемые одноступенчатые
Производимый вакуум: от 0,1 до 800 мбар ост.
Производительность: от 4 до 1600 м3/ч

Плюсы:
относительно глубокий вакуум, широкий диапазон производительностей – до 1600 м3/ч, совершенство и надёжность конструкции.
Минусы: необходимость замены масла, есть расходные элементы – такие как выхлопные и масляные фильтры, уплотнения и т.д.

Эти насосы одни из самых продаваемых, что связано с их универсальностью, оптимальной надёжностью и относительной неприхотливостью в эксплуатации.
Пластинчато-роторные маслоуплотняемые двухступенчатые
Производимый вакуум: от 0,0005 до 50 мбар ост.
Производительность: от 1,8 до 360 м3/ч

Плюсы:
хороший, глубокий вакуум, производительность позволяет их использовать на серьезных промышленных производствах
Минусы: выхлоп масла при работе в плохом вакууме, ограничения для использования при плохом вакууме, необходимость замены масла и серьезная дороговизна по сравнению с одноступенчатыми.

В целом, данные насосы используются не часто, но есть процессы, где необходим хороший вакуум при высокой производительности.
Сухие пластинчато- роторные
Производимый вакуум: от 100 до 1013мбар
Производительность: от 3 до 500 м3/ч

Плюсы:
Сухой принцип работы – в откачиваемом объёме нет паров масел, смазки не используются вообще.
Минусы: Не всегда достаточно такого вакуума, износ рабочих лопаток, ограничения по производительности, существенный нагрев при длительной работе.

Берут на пищевые производства и полиграфию, там, где важна чистота в откачиваемых объёмах и где в окружении неприемлемы пары и капли масла.
Кулачковые (сухие, безмасляные)
Производимый вакуум: от 20 до 1013 мбар
Производительность: от 60 до 400 м3/ч

Плюсы: сухой принцип работы — в откачиваемом объёме нет загрязнений, низкое потребление энергии, отсутствие изнашиваемых деталей, высокая – до 1000 м3/ч производительность.
Минусы: относительно низкий уровень вакуума и температурные нагрузки при продолжительной работе.

Водокольцевые вакуумные насосы
Производимый вакуум: от 33 до 1013 мбар
Производительность: от 3 до 45000 м3/ч

Плюсы:
простота конструкции; возможность откачивать грязные и опасные потоки; низкая цена.
Минусы: потребление воды и высокое энергопотребление.

Одни из самых старых типов вакуумных насосов, и, в то же время самые распространенные за счет своей простоты, универсальности и производительности.
Вихревые вентиляторы
Производимый вакуум: от 600 до1013 мбар
Производительность: от 40 до 1500 м3/ч

Плюсы:
компактность, простота в конструкции и эксплуатации, низкая цена.
Минусы: относительно слабый вакуум, существенное снижение производительности с улучшением вакуума, нагрев при длительной работе и высокое энергопотребление.
Мембранные вакуумные насосы
Производимый вакуум: от 0,5 до 1013 мбар
Производительность: от 0,5 до 16,8 м3/ч
Плюсы: компактность, низкий уровень шума в работе, хороший вакуум, отсутствие быстроизнашиваемых элементов ( кроме мембран)
Минусы: ограничение в производительности Чаще всего используется в лабораториях, возможны химстойкие и взрывозащищённые исполнения
Мембранные микро-насосы
Производимый вакуум: от 200 до 1013 мбар
Производительность: от 0,3 до 4,5 л/мин (т. е. от 0,018 до 0,27 м3/ч)
Плюсы: компактные, бесшумные; отсутствие смазки
Минусы: ограничение по производительности, плохой вакуум

Благодаря компактным размерам часто встраиваются в оборудование, используются в лабораториях.
Поршневые микро-насосы
Производимый вакуум: от 80 до 1013 мбар
Производительность: от 3,3 до 78 л./мин (т.е. от 0,198 до 4,68 м3/ч)

Плюсы:
компактность, развивают хороший вакуум и могут отлично работать в режиме компрессора.
Минусы: более шумные в работе по сравнению с мембранными аналогами; износ поршневой группы.

Теперь рассмотрим несколько конкретных примеров по предварительному подбору вакуумного насоса.

Пример №1.
Вакуумный насос для вакуумного пресса (производство мебели, наклейки шпона)
Технические требования: предельный вакуум: 20 мбар ост. , производительность 100 м3/ч
Как мы видим по вакууму и производительности, нам подойдут следующие типы насосов:

1. Пластинчато-роторные маслоуплотняемые
2. Пластинчато-роторные маслоуплотняемые двухступенчатые

Мы уже говорили о том, что чем глубже вакуум делает насос, тем он дороже. Так как нам не нужен вакуум порядка 0,0005 мбар, значит нет смысла переплачивать за двухступенчатый. Таким образом, в данном случае выбираем насос пластинчато-роторный маслоуплотняемый. По цене и характеристикам он будет оптимален.

Пример №2.
Вакуумный насос для упаковочной машины (упаковка готовых изделий в плёнку под вакуумом)
Технические требования: предельный вакуум: 500 мбар ост. Производительность 200 м3/ч
В данном случае под указанные характеристики подходят несколько типов насосов:

1.Пластинчато-роторные маслоуплотняемые
2.Кулачковые (безмасляные)
3.Водокольцевые вакуумные насосы

Если смотреть по цене то получаем следующую картину
• Самые дорогие — Кулачковые (безмасляные). Эти насосы используют в тех случаях, когда откачиваемый воздух должен быть чистым. У нас такая задача не стоит.
• Чуть дешевле — Пластинчато-роторные маслоуплотняемые
• Самый дешевый вариант — Водокольцевые вакуумные насосы.

Учитывая специфику работы водокольцевых машин, сразу надо подумать о возможности подачи воды в насос и последующей ее утилизации. Если это не является проблемой, то оптимальный выбор – водокольцевой. Если же подача воды проблематична, то стоит остановиться на пластинчато-роторном маслоуплотняемом.

Пример №3 Вакуумный насос для подачи бумаги и чернил в струйном плоттере
Технические требования: предельный вакуум: 300 мбар ост. Производительность 2,5 л./мин (0,15 м3/ч) Основное требование: компактные размеры!

В этом примере подходит только один вариант – мембранные микро насосы. На нем и стоит остановиться.

Все приведенные примеры представлены для понимания самой процедуры первичного выбора вакуумного оборудования. Есть еще очень много нюансов, которые способны влиять на окончательный выбор, но их уже нужно рассматривать индивидуально и мы постараемся рассмотреть часть из них в наших будущих статьях и публикациях.

Желаем вам хорошего выбора! 

При копировании данного материала активная ссылка на источник обязательна!

Статья о вакуумных насосах Leybold для создания сверхвысокого вакуума в экспериментальной установке

Безмаслянная (сухая) систем откачки — нужна ли она?.

Под термином сверхвысокий вакуум (UHV) будем понимать состояние газа с давлением ниже 10-5 Па (10-7 мбар). Такой уровень давления может быть создан с помощью различных комбинаций форвакуумных и высоковакуумных насосов. Для многих применений широко используются роторно-пластинчатые маслозаполненные вакуумные насосы и диффузионные насосы (Рис. 1). Обратный поток масла из диффузионных насосов вызывает загрязнение внутри вакуумной камеры, что для многих применений является ключевым недостатком. Поэтому, либо от масляной системы отказываются в пользу безмасляной (сухой), либо устанавливают низкотемпературную ловушку паров углеводородов вместе сприменением синтетической рабочей жидкости.

В настоящее время для создания вакуума без присутствия углеводородов (Примечание: молекулы углеводода наблюдаются точными методом — мониторинг остаточного спектра с помощью квадрупольного масс спектрометра, поэтому абсолютный 0 по массам с углеводородами мы не увидим. Будем считать среду без углеводородов, если спектр по ним меньше спектра по водороду). используется комбинация безмасляного форвакуумного насоса с турбомолекулярным насосом. При использовании маслозаполненых средств откачки в случае аварийной ситуации пары масла из роторно- пластинчатого насоса пойдут в область более низкого давления. Из-за сложности организации вакуумной системы с исключением попадания паров масла в откачиваемый объем стараются используются форвакуумные насосы с безмасляным сжатием: спиральные вакуумные насосы SCROLLVAC , насосы типа многоступенчатых Рутс ECODRY , мембранные насосы DIVAC, небольшие винтовые вакуумные насосы VARODRY

В результате применения форвакуумного насоса с сухой откачкой и турбомолекулярного насоса можно получить вакуум, не содержащий углеводородов. В спектре остаточных газов углеводороды будут, но для большинства процессов это будет незначительное содержание.

Проведем анализ спектра остаточного газа в условиях сверхвысокого вакуума. Анализ остаточного газа при общем давлении показан на Рис. 2. Диапазон масс этого спектра ограничен значениями 0 — 50 а.е.м. (атомная единица массы), который был получен с помощью квадрупольного масс-спектрометра (QMA) с системой стержней диаметром 6 мм (L = 100 мм).

Анализируя спектры и связывая ионные токи с массой, перенесем все значения в таблицу. Самый большой пик был найден для водорода (2 а.е.м). Другие молекулы, такие как вода (16, 17 и 18 а.е.м), азот (28 а.е.м) и СО2 (44 а.е.м ) имеют гораздо меньшие концентрации, более чем на один порядок меньше, чем у Н2. Доля тока ионов водорода по сравнению с суммой всех пиков составляет почти 90%. Поэтому для дальнейшего рассмотрения целесообразно сосредоточить внимание на основном газе в условиях UHV — водороде.

Спектр UHV, снятый масс-спектрометром с помощью квадрупольного масс спектрометра

UHV вакуумная система представляет собой несколько стандартных элементов DN 100CF собранных между собой. Получается вакуумная камера которая установлена непосредственно на ТМН, масс спектрометр установлен сбоку, на внешней поверхности находится нагревательна лента, для снижения тепловых потоков излучения вся система обернута фольгой.

Вакуум в камере создается форвакуумным насосом и турбомолекулярным насосом. Для контроля общего давления датчики размещаются между турбомолекулярным насосом и форвакуумным насосом, а также в камере.

Для определения предельного остаточного давления в камере необходимо учесть газовые нагрузки из-за внешних натеканий через негерметичности, десорбция со стенок камеры — в основном водяного пара. Первый член: газовая нагрузка делится на скорость откачки турбомолекулярного насоса. Остальными членами уравнения являются парциальные давления различных газов деленые на соответствующие степени сжатия турбомолекулярного насоса.

Общее давление может быть рассчитано, как: PUHV=(Qгв+Qнат)/SТМН+ Pфн h3/Kh3

, где Qгв-поток газовыделений с поверхности камеры и уплотнений за счет десорбции
Qнат — газовая нагрузка за счет натеканий через негерметичности
SТМН — эффективная быстрота действия ТМН
Ki— степень сжатия вакуумной системы по i-му газу
Pфн i — давление вакуумного насоса предварительной откачки по i-му газу

Из анализа состава остаточного газа в уравнении достаточно учесть только водород Н2, по остальным газам влияние будет на более чем порядок меньше. Газовая нагрузка, вызванная десорбцией и натеканиями являются свойствами вакуумной камеры. После проверки на герметичность всей системы методом повышения давления суммарное натекание составило 5·10-8Па·м3/c.
Чтобы оценить уровень дегазации с внутренних поверхностей (десорбциия), необходимо учитывать различные факторы:

  • Процессы проводимые в камере
  • Материал камеры, уплотнений
  • Обработка поверхности — десорбция зависит от степени обработки поверхности

Рассмотрим устройство создания высокого вакуума — высоковакуумный турбомолекулярный насос.При условии, что:

  • парциальное давление водорода при атмосферном давлении составляет 5·10-1Па;
  • степень сжатия водорода для насоса предварительной откачки kфн=104
  • степень сжатия водорода для турбомолекулярного вакуумного насоса kвн=105

Предельное остаточное давление с точки зрения парциального давления водорода может быть определено как: PUHVi=Pатмi/(KФН*KТМН), где PUHVi – парциальное давление по i-му газу, Pатмi – парциальное давление при атмосферном давлении по i-му газу, KФН – степень сжатия насоса предварительного сжатия, без газовой нагрузки, KТМН — степень сжатия ТМН без газовой нагрузки.

PUHV h3=5·10-2Па/(5·104·5·105) = 2·10-12Па

Можем сделать вывод, что вклад парциального давления водорода в общее давление незначителен. Будем учитывать только вклад быстроты действия высоковакуумного насоса. Все остальные компоненты уравнения предельного остаточного давления опустим.

Вакуумная система

Для создания сверхвысокого вакуума UHV подходят многоступенчатые насосы, а также комбинации нескольких насосов. Из-за высокой степени сжатия распространенным используемым форвакуумным насосом является маслозаполненный роторно-пластинчатый насос, так как в данных насосах не получится уйти от негативного влияния обратного потока паров маслатребность — будем использовать безмасляный вакуумный насос: ТМН на гибридном подшипнике (самосмазывающийся опорный предохранительный подшипник) в комбинации со сухим спиральным насосом SCROLLVAC SC15plus. Анализ остаточных газов показывает, что комбинация безмасляных насосов позволяет получать предельное парциальное давление по водороду ниже чем масляная система.

Описание экспериментальной установки

Основным компонентом является герметичная вакуумная камера из нержавеющей стали с одним фланцем CF DN 100 и четырьмя фланцами CF DN 40. На камеру установлен масс-спектрометр, а также датчик общего давления. При этом можно будет сравнить общее давление, измеренное с помощью датчика с горячим катодом, с парциальным давлением, измеренным с помощью квадрупольного масс-спектрометра.

Список используемых компонентов:

  • Турбомолекулярный насос ТМН быстротой действия 350л/с Turbovac 350i DN 100CF
  • Форвакуумный насос: спиральный насос SCROLLVAC SC15plus
  • Датчик сверхвысокого давления: вакуумметр с горячим катодом (Баярда-Алперта) ITR90
  • Вауумметр для форвакуума: комбинированный датчик Пирани/пьезо TTR101
  • Анализатор остаточных газов: квадрупольный масс-спектрометр LEYSPEC 200S
  • Вакуумная камера с CF уплотнениями. Общий объем системы 10л

Описание процесса откачки

Установка включает в себя стандартную камеру из нержавеющей стали, тип уплотнений — CF. Турбомолекулярный насос устанавливается на фланце DN 100CF, вакуумметр UHV и анализатор остаточного газа, установленные на вакуумную камеру. Нагрев осуществляется с помощью нагревательного бандажа с контролем температуры. Греющий бандаж закрыт алюминиевой фольгой.

Время прогрева: t = 48ч

Температура нагрева: Т = 120С

Вакуумметры работают в течение всего процесса нагрева и охлаждения. Анализатор остаточного газа установлен горизонтально и также может работать во время нагрева.

Обсуждение результатов

Перед прогревом камеры проводится анализ остаточного газа. При общем давлении P=5·10-6Па на диаграмме четко видны молекулы воды в 16, 17 и 18 а.е.м. Помимо воды, анализ показывает еще некоторые компоненты воздуха, такие как азот N2 (28 а.е.м.) и кислород O2 (32 а.е.м.). Спектр также показывает некоторое количество углекислого газа СО2 (44 а.е.м.), а также отсутствие углеводородов в диапазоне масс от 50 до 100 а. е.м. Очень низкие ионные токи считаются незначительными загрязнениями, которые должны исчезнуть при прогреве. Для понимания: самый высокий пик — это пик водорода.

После прогрева в течение 48 часов и охлаждения в течение еще 72 часов было достигнуто минимальное общее давление. Форвакуумное давление было достигнуто 1 Па, а общее давление сверхвысокого вакуума составило 9·10-9 Па. Был проведен анализ остаточного газа, после прогрева. В Таблице №2 перечислены ионные токи основных пиков. Очевидно, что наибольшим вкладом является пик водорода.

Сравнивая ситуации до и после нагрева, можно сделать следующие наблюдения:

  • Общее давление и, следовательно, сумма ионных токов были значительно уменьшены
  • Пики воздуха, воды и других видов загрязнений в спектре на 2 порядка меньше пика по водороду.
  • Пик водорода был уменьшен почти на 2 порядка.



Масса, аем 2 12141617182844
До прогрева Ионный ток, А 1,0·10-9 1,0·10-11 3,2·10-12 2,2·10-11 1,5·10-12 2,5·10-12 5,0·10-11 2,0·10-11
После прогрева Ионный ток, А 3,0·10-11 1,0·10-13 1,0·10-13 6,0·10-13 4,0·10-13 7,0·10-13 1,5·10-13 1,0·10-13

Выводы

Достигнутое общее давление порядка 10-6 Па на не прогретой камере, 10-9 на прогретой. Сравнивая теоретический подход с фактическими данными измерений, необходимо отметить, что исключение течей и десорбции со стенок камеры приводят к сильному искажению результатов расчета. Расчетное парциальное давление водорода 2·10-12Па, что на три порядка ниже, чем измеренное значение 10-9 Па. Спектр показывает отсутствуют течей воздуха, например, нет пика на 32 а.е.м. (кислород). Исходя из этого — газовыделение со стенок камеры является основным фактором влияющим на минимально достижимое давление.
Также было показано, что полностью сухая вакуумная система позволяет получать давление сверхвысокого вакуума, несмотря на опасения в недостаточном давлении и степени сжатия.

Давление разрежение вакуум — Справочник химика 21





    Давление абсолютное, избыточное и разрежение (вакуум). [c.32]

    Ультрафильтрация — фильтрование коллоидного раствора через полупроницаемую мембрану, пропускающую дисперсионную среду с низкомолекулярными примесями и задерживающую частицы дисперсной фазы или макромолекулы. Для ускорения процесса ультрафильтрации ее проводят при перепаде давления по обе стороны мембраны под разрежением (вакуумом) или под повышенным давлением. Вакуум создают откачиванием воздуха из расположенного под фильтром сосуда, повышенное давление — нагнетанием воздуха в сосуд, расположенный над фильтром. Для предотвращения разрыва мембраны ее помещают на твердую пористую пластинку (рис. 26.5). Ультрафильтрация позволяет скорее отделить пт коллоидного раствора электролиты и другие примеси (низко- [c.421]










    Одно колено манометра (вакуумметра) трубкой соединено с трубопроводом или аппаратом, в котором измеряется давление или вакуум, второе колено сообщается с атмосферой. Под действием давления (разрежения) среды рабочая жидкость в одном колене опускается, а в другом поднимается до уравновешивания измеряемого давления (вакуума) высотой столба жидкости. Высоту уравновешивающего столба рабочей жидкости определяют сложением высоты опускания жидкости в первом колене с высотой подъема жидкости во втором колене от первоначального нулевого положения жидкости в обоих коленах. Зная удельный вес рабочей жидкости и высоту уравновешивающего столба, определяют величину давления (вакуума) в трубопроводе или аппарате. [c.42]

    В отдельных случаях давление измеряется в миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.) и в метрах водяного столба (м B. .) 10 м в.с. = 760 мм рт.ст. = 1 физической атмосфере. Разрежение (вакуум) измеряется в миллиметрах ртутного столба или в килопаскалях. Существует понятие остаточное давление , измеряемое в паскалях, килопаскалях, миллиметрах ртутного столба. Выражение вакуум 700 мм рт.ст. показывает, что в сосуде (аппарате) давление ниже атмосферного на 700 мм рт.ст., а остаточное абсолютное давление равно 60 мм рт.ст. [c.290]

    Металлическая коробка 1 разделена на две изолированные части гофрированной латунной перегородкой 5. Нижняя часть через кран и штуцер 6 сообщается с местом замера. Если давление меньше одной атмосферы, перегородка прогибается и через зубчатую рейку 4, зубчатое колесо 3 передает движение стрелке 2, отмечающей на шкале давление разрежения (вакуума) в долях технической атмосферы или в миллиметрах ртутного столба.[c.36]

    Ph Pb Ра Рд —вакуумметрическое давление (разрежение, вакуум) [c.554]

    По виду регулируемой величины автоматические регуляторы подразделяются на регуляторы давления, разрежения, вакуума, уровня, влажности, состава вещества и т. д. [c.36]

    В пищевой промышленности широко применяют аппараты с рубашечной поверхностью теплообмена. В этих аппаратах технологический процесс может осуществляться под давлением (автоклавы), под разрежением (вакуум-аппараты) и при атмосферном давлении (открытые варочные котлы). [c.185]

    При этом необходимо соблюдение обычных для процессов разделения газов условий безопасности, основными из которых являются поддержание требуемых давления или вакуума в системе, уровней жидкости в аппаратах, нужной температуры процесса установка необходимых предохранительных клапанов и затворов герметичность системы, работающей при разрежении. В тех случаях, когда работают с ацетиленом-концентра-том, перечисленные мероприятия должны выполняться с учетом специфических свойств этого газа.[c.102]










    Рабочее давление р — максимальное избыточное давление среды в аппарате при нормальном протекании технологического процесса без учета допускаемого кратковременного повышения давления во время действия предохранительного устройства (клапана и др.). Если технологический процесс в аппарате протекает при разрежении, то рабочим давлением является вакуум. [c.28]

    Состояние газовой среды, выполняемые ею функции и поведение находятся в непосредственной зависимости от ее химического состава, температуры н давления. В зависимости от давления печную среду можно подразделить на плотную и разреженную (вакуум). [c.76]

    Ангидрид получали в первой и второй колоннах. Третью и четвертую колонны использовали для удаления последних следов уксусной кислоты и ангидрида из отходящих газов. Все эти колонны работали при понижен- ном давлении. Разрежение во всей системе, включая и колонну, в которой испарялась уксусная кислота, создавалось одним вакуум-насосом.[c.339]

    Технологические параметры вакуум-фильтрационной установки такие остаточное давление (разрежение) составляет 0,05 МПа нормативная скорость фильтрования 15 л/м2-мин потери сахара в осадке допускаются не более 0,15 % к массе свеклы плотность сгущенной суспензии 1,15—1,20 г/смЗ температура воды для промывания осадка 80—90 °С расход воды на промывку фильтрационного осадка 100—120 % к массе свеклы частота вращения барабана около 0,15 об./мин избыточное давление воздуха или пара при отдувке 0,05—0,07 МПа. [c.64]

    Для обеспечения устойчивости пустых резервуаров под воздействием разрежения (вакуума), внешних нагрузок и давления грунта внутри резервуара устанавливают кольца (ребра) жесткости. В надземных двухопорных резервуарах в пределах опор устанавливают внутренние треугольные диафрагмы (см. рис. 7). [c.18]

    Специфические условия работы технологической аппаратуры, характеризуемые диапазоном давлений от глубокого разрежения (вакуума) до избыточных давлений порядка 250 МПа и выше, большим интервалом рабочих температур от — 254 до + 1 ООО ° С и выше при афессивном воздействии среды, предъявляют высокие требования к выбору конструкционных материалов проектируемой аппаратуры.[c.9]

    Остаточное давление (разрежение) в вакуум-камере поддерживается в пределах [c.129]

    Если же разрежение (вакуум) создается только в бутылке, то истечение продукта происходит под действием разности давлений в мерном стакане (атмосферное) и в бутылке (разрежение). При этом влияние свойств жидкости на процесс значительно уменьшается, что позволяет сократить продолжительность наполнения тары продуктом и соответственно увеличить производительность фасовочной машины. [c.1180]

    ТТрил1енйние вакуума основаттп на том, что снижение внешнего давления, понижает температуру кппения. Вакуум, илж—раарсг- женное нространство, получают откачиванием из аппарата воздуха. Давление разреженного воздуха в аппарате называется остаточным давлением, оно всегда меньше 760 лш рт. ст. Величина вакуума измеряется разностью между атмосферным и остаточным давлением например, остаточное давление равно 120 мм рт. ст., тогда вакуум равен 760—120 = 580 мм рт. ст. Если остаточное давление велико и приближается к нормальному, [c.86]

    Часто для ускорения процесса фильтрование ведут при уменьшенном давлении ( под вакуумом ). Этот метод применяют, в частности, при перекристаллизации — для отделения кристаллов очищенного вещества от маточного раствора. Прибор для вакуумного фильтрования состоит из толстостенной колбы Бунзена и фарфоровой воронки Бюхнера (рис. 17). Разрежение в колбе для отсасывания создается с помощью водоструйного насоса. Между колбой и насосом подсоединяется предохранительная склянка, которая [c.67]

    Максимальным выпускным давлением называется такое давление при превышении которого насос перестает работать. Предельным называется остаточное давление, разрежения ниже которого данный вакуум-насос достигнуть не может. Наконец, быстротой действия называется объем газа, поступающего в насос при данном давлении. [c.174]

    Если в аппарате давление ниже атмосферного (разрежение, вакуум), жидкость в левом колене трубки, наоборот, стоит на более низком уровне, чем в правом.[c.55]

    При работе установки исходные компоненты дозируют и загружают в начиночный вакуум-аппарат в соответствии с рецептурой. После герметизации варочного объема включают вакуум-насос и подают греюший пар. При уваривании начинки поддерживают избыточное давление греющего пара в пределах 0,4… 0,6 МПа, а остаточное давление (разрежение) в варочном объеме 65…75 кПа. Рецептурная смесь уваривается в течение 30…45 мин до влажности 16… 19 %. [c.129]

    Соответственно при понижении внешнего давления (в вакууме) для преодоления его требуется меньшая упругость выделяющихся паров и жидкость закипает при более низкой температуре. Чем больше разрежение, т. е. чем глубже вакуум, тем при более низкой температуре закипает жидкость. [c.107]

    Сосуды, предназначенные для работы под давлением или вакуумом, предварительно испытывают на максимальное давление и максимальное разрежение и обеспечивают ограждениями для защиты работающих в случае аварии.[c.322]










    По способу создания разности давлений различают вакуум-фильтры, в которых со стороны разделяемой суспензии давление атмосферное, а с другой стороны перегородки поддерживается разрежение, и фильтры, работающие под избыточным давлением, создаваемым со стороны суспензии, при этом со стороны фильтрата давление обычно бывает атмосферное. [c.187]

    В вакуум-трубопроводах движение парогазового потока происходит под влиянием разности между давлением атмосферы и разряжением, создаваемым насосом. Эта разность весьма незначительна (она не может превысить 0,1 МПа, или 1 кгс/см ). Поэтому для создания в аппарате необходимого разрежения вакуум-трубопроводы (за исключением очень коротких) следует при расчете также разбивать по длине на отдельные участки. [c.59]

    Пневмотранспортные установки этого типа обычно характеризуются величиной давления в ати в начале трубопровода (для установок нагнетательного действия) и величиной разрежения (вакуума) в мм вод. ст. или мм рт. ст. в конце трубопровода (для установок всасывающего действия). [c.5]

    При длительном хранении нефтепродуктов (не более 10-12 раз оборачиваемости в год) целесообразно применение резервуаров повышенного давления типа ДИСИ (Днепропетровского инженерно-строительного института) и Гибрид», запроектированного ЦНИИпроектстальконструк-цией. Оба типа резервуаров имеют торосферическую кровлю. Резервуары типа ДИСИ прошли детальное испытание и эксплуатируются под избыточным давлением. Резервуары объемом 400 и 700 м рассчитаны на избыточное давление 0,015-0,02 МПа и разрежение (вакуум) 0,0005- [c.16]

    Изменение кавитационного коэффициента установки (Стуст) производится путем изменения давления в вакуумном баке 2, что равносильно изменению в формуле (128) барометрического давления. Необходимое разрежение (вакуум) в пределах от О до 9,0 м вод. ст. производится вакуумным насосом 3. [c.168]

    В аппаратах такого типа тех1Ноло(Гический процесс осуществляется под давлением (автоклавы) или разрежением (вакуум-аппараты). Имеются танже аппа(раты, в которых процесс протекает при атмосферном давлении. [c.9]

    При постоянных значениях давления рабочей воды и противодавления Ро абсолютное давление (разрежение) на всасывании для эжектора заданных размеров djd = onst) определяется соотношением объема выделяющейся в вакуумируемом устройстве парогазовой смеси и объема смеси, которую способен откачать эжектор. Предположим, что эжектор работает в области достаточно глубокого вакуума при давлении на всасывании, равном Рн (Рн 0,002- — 0,005 МПа). При таком вакууме (р 0) и конечных значениях давлений рр и рс небольшие изменения вакуума (или, что то же самое, величины p ) практически не изменяют отношения давлений ApJAp . Следовательно, остается практически постоянным и объемный коэффициент подсоса Uq, а также объем откачиваемой паровоздушной смеси Q . [c.227]

    При проверке дыхательного клапана обращают внимание на герметичность клапанных затворов. При необходимости притирают рабочие поверхности тарелок клапанов, проверяют и регулируют пределы срабатывания клапана на избыточное давление и вакуум и очищают проходные сечения. В зимнее время нельзя допускать примерзания тарелок клапанов к гнездам. Дыхательный клапан считают исправным, если выпускной клапан открывается при давлении не более 0,25 кгс/см , а впускной клапан— при разрежении не более 0,01кгс/см2. [c.55]


Двухступенчатые роторно-пластинчатые насосы RV — Edwards Vacuum

Компактный многофункциональный насос с превосходными характеристиками откачки паров

Роторно-пластинчатые насосы RV — это высокопрочные малошумные насосы, которые обеспечивают создание качественного предельного вакуума при высокой скорости откачки, а также отличаются превосходными характеристиками откачки паров.

Роторно-пластинчатые насосы RV от Edwards

Модели двухступенчатых роторно-пластинчатых насосов RV

Данные высокопрочные малошумные вакуумные насосы обеспечивают качественный предельный вакуум при высокой скорости откачки, а также отличаются превосходными характеристиками откачки паров. Вакуумные насосы RV Edwards уже стали отраслевым стандартом — на сегодняшний день продано более 300 000 штук. Причина такого успеха — проверенная на практике конструкция и надежность работы в самых разных областях применения и условиях эксплуатации.

По-настоящему универсальный насос

Насосы RV — это действительно универсальные насосы. Они отлично подходят для использования во влажных, пыльных или чистых сухих средах. Специалисты Edwards также могут адаптировать насосы серии RV в соответствии с конкретными требованиями, в том числе для использования с перфторполиэфирами и для работы в условиях, требующих сертификации ATEX.

Превосходная производительность по откачке паров

В сравнении с другими роторно-пластинчатыми насосами серия RV отличается высочайшей производительностью по откачке паров. Эти насосы отлично подходят для откачки во влажной среде, например для сублимационной сушки, экстракции, фильтрации и осушки гелей.

Повышение безопасности технологических процессов и систем

Лучшая в своем классе защита от обратного всасывания предотвращает попадание пыли или масляного тумана в систему. Быстродействующий автоматический впускной клапан срабатывает в течение 0,4 секунды и обеспечивает надежную и безопасную работу в почти любой области применения.

Один типоразмер для всех электродвигателей

Благодаря своей универсальности одна модель электродвигателя насоса подходит для использования в сетях питания с различными номинальным напряжением и частотой. При необходимости вы можете заказать насосы с электродвигателем во взрывозащищенном исполнении в соответствии с требованиями стандарта ATEX.

Простота обслуживания

Техническое обслуживание и замену деталей можно выполнять без демонтажа насосного механизма. Все детали выравниваются и совмещаются автоматически, что упрощает сборку механизма. Для снятия деталей можно использовать ключ с шестигранной головкой одного типоразмера.

Специалист компании Edwards Дэйв Гудвин (David Goodwin) представляет роторно-пластинчатые насосы с масляным уплотнением

Опираясь на более чем 75-летний опыт, компания Edwards поставила цель: создать с нуля полную серию роторно-пластинчатых насосов с масляным уплотнением. Так появились роторно-пластинчатые насосы RV. Дэйв Гудвин, руководитель производственного направления компании Edwards, представляет новый роторно-пластинчатый насос с масляным уплотнением

Как выбрать вакуумный насос для вакуумного сушильного шкафа «СНВС»?

Основным элементом вакуумной системы является вакуумный насос, который создает разрежение в вакуумной системе. Выбор вакуумного насоса в соответствии с выполняемыми функциями позволит долго и безаварийно эксплуатировать оборудование.

Небольшая статья поможет вам правильно подобрать вакуумный насос для вакуумных сушильных шкафов среднего и низкого вакуума с ручным и автоматическим регулированием.

Представленная информация касается нашего серийного оборудования, которое оснащается серийными типами насосов. Другие типы насосов здесь не рассматриваются.

Основные типы вакуумных насосов 

Пластинчато-роторный насос с масляным уплотнением относятся к насосам средней производительности и предназначены для откачки воздуха химически неактивных газов с небольшой примесью паров. Работа насоса основана на механическом всасывании и выталкивании газа за счет периодического изменения объема рабочей камеры.

Мембранные вакуумные насосы относятся к механическим объемным насосам. Насосы предназначены для откачки воздуха, газов с примесью паров, паров органических соединений и паров кислот. Принцип действия основан на механическом всасывании и выталкивании газа вследствие периодического изменения объема рабочей камеры, образуемой мембраной и крышкой.

Основные параметры вакуумных насосов


Производительность
характеризует расход газа во входном сечении насоса при данном давлении и выражается в л/мин.

Предельное остаточное давление — это наилучшее значение вакуума на входе насоса, которое позволяет достигнуть конструкция насоса.

VPA-3S 220V

мощность двигателя, Ватт 190
произв. насоса, л/м 132

Доступно к заказу

 

ZSJ-2 S

мощность двигателя, Ватт 180
произв. насоса, л/м 102

Доступно к заказу

 

НВМ-1.5

скорость откачки,м3/ч 1,5
предельный вакуум,мм.рт.ст. 30
напряжение,В 380

Доступно к заказу

 

НВМ-40D

скорость откачки,м3/ч 20
предельный вакуум,мм.рт.ст. 2
напряжение,В 380

Доступно к заказу

 

Преимущества и недостатки основных типов насосов 

Пластинчато — роторный насос с масляным уплотнением


Достоинства. 
Хорошая производительность. Хорошие показатели по предельному остаточному давлению. Неприхотливость.

Недостатки. Не предназначен для работы в «чистых» помещениях — при работе выделяется паро-масляная взвесь. Требует присоединения к вентиляции выпускного патрубка или фильтра. Требует регулярного обслуживания — замены масла. Возможно попадание масла в рабочую камеру. Ограничение на работу с газами с примесью водяных паров. *

* Проблема наличия водяных паров при откачке решается наличием вакуумного фильтра-охладителя. Подробно о использовании фильтров для пластинчато — роторных насосов можно прочитать здесь.

Мембранные вакуумные насосы


Достоинства. 
Может эксплуатироваться в «чистых» помещениях. Не имеет выбросов (кроме перекачиваемой среды). Может перекачивать паро-газовые смеси с наличием значительного содержания влаги. Наличие насосов в химически стойком исполнении, вплоть до возможности работы с парами соляной кислоты. Не нуждаются в регулярном обслуживании.

Недостатки. Низкие показатели предельного остаточного давления. Низкая производительность. Высокая цена.
Еще одна особенность этих насосов — трудности при использовании питания 220 вольт. Большинство насосов комплектуется двигателями с питанием на 380 вольт. Питание такого двигателя на 220 вольт с пусковым конденсатором ведет к потере мощности, что вызывает проблемы при запуске вакуумной системы. При комплектовании нашего оборудования мы настоятельно не рекомендуем такое подключение.

Сравнение основных типов насосов 


Предельное остаточное давление
 

Рисунок 1 наглядно показывает разницу в предельных давлениях двух типов насосов.

Рисунок 1. — Диапазон рабочих давлений в мм.рт.ст. для основных типов насосов.

Производительность 

Для иллюстрации производительности приведем таблицу расчетного времени вакуумирования до достижения вакуума 10 мм.рт.ст для сушильных шкафов СНВС с применением насосов разного типа.

Таблица 1. Расчетное время достижения вакуума 10 мм.рт.ст для вакуумных шкафов СНВС.














t — расчетное время в минутах для шкафов

Насос

СНВС-25

СНВС-40

СНВС-50

СНВС-65

СНВС-90

СНВС-145

Пластинчато—роторные насосы
ZSJ-2 S7810121425
VPA-3S678101220
НВР-4,5Д678101220
2НВР-5ДМ122346
Мембранные насосы
НВМ-1. 5152326334467
НВМ-381113162234
НВМ-12234469
НВМ-20122246
НВМ-40111123

*Указано примерное расчетное время в идеальных условиях.

Инфографика выбора насоса

Валенцев А.А.

Отдел автоматизации

ООО «ТУЛА-ТЕРМ»

[email protected]

Остаточное давление – обзор

8.

4.1 Конденсация факела в вакууме

С точки зрения элементарной термодинамики расширение факела в вакууме напоминает адиабатическое расширение [8,9]. Действительно, принимая во внимание уровень вакуума, обычно достигаемый в экспериментах PLD (остаточное давление ниже 10– 8 мбар), длина свободного пробега аблированных частиц значительно превышает типичное расстояние от мишени до подложки, обычно устанавливаемое на уровне нескольких сантиметров.Иными словами, при выходе из кнудсеновского слоя и после окончания действия лазерного импульса аблируемый материал не может ни получать, ни обмениваться с внешним миром никакой дополнительной энергией ни за счет столкновений, ни за счет поглощения излучения. Тогда термодинамика диктует хорошо известную связь между размером факела, а именно его объемом V , и температурой T через коэффициент адиабаты γ: не дает подробной картины процесса.Например, вопросы, связанные с достижением равновесия, как того требует термодинамика, должны быть тщательно рассмотрены. Кроме того, определение коэффициента адиабаты, связанного с эффективными степенями свободы расширяющегося газа, является сложной задачей при одновременном присутствии в факеле нейтралов, ионов, электронов [17]. Наконец, роль внутренней энергии (вещества в плюме находятся в возбужденных состояниях) и возможного перехода к доступной для расширения кинетической энергии (см.[30]) затрудняет описание всего процесса с точки зрения элементарной термодинамики.

Тем не менее, эта упрощенная картина свидетельствует о важном факте ПЛД: при расширении плюм сильно охлаждается. Для грубой оценки величин, поступающих в процесс, можно рассмотреть начальный объем зарождающегося плюма керамическая мишень, аблированная лазерным импульсом длительностью 10 нс.Объем, занимаемый плюмом, можно грубо описать цилиндром, высота которого увеличивается более чем на два порядка при расширении от мишени к подложке. Таким образом, принимая начальную температуру Тл 0 ∼ 5 × 10 4 К (разумную для раннего начала процесса) и используя предположение γ ∼ 1,7, температура полностью расширившегося факела упадет ниже 2000 K. Понижение температуры видно, например, по данным рис. 8.1(b), где уширение временного распределения сигнала при увеличении расстояния от цели отражает сужение распределения скоростей, т. е. понижение температуры.Используя альтернативную точку зрения, можно утверждать, что часть изначально инкубируемой энергии расходуется на стимулирование динамики плюма. Поскольку шлейф исходит от цели, это означает, что самой цели передается значительный механический импульс, оказывающий кратковременное давление на поверхность: сообщалось о таких больших значениях, как 10 8 –10 9 Па [1]. 31,32].

Помимо прочего, охлаждение факела приводит к конденсации. По своему основному поведению такое явление очень похоже на то, что происходит с макроскопическими частицами, которые имеют тенденцию слипаться из-за поверхностных сил, когда их температура или кинетическая энергия уменьшаются.Поскольку мы предполагаем, что природный плюм состоит из элементарных частиц, конденсация означает первоначальное образование агрегатов ( кластеризация ): элементы в паровой фазе сливаются друг с другом, и образуются либо стабильные, либо метастабильные кластеры с участием различного количества элементарных частиц. компонентов, от нескольких единиц до сотен. Связь между лазерной абляцией и образованием кластеров в паровой фазе становится очевидной при рассмотрении усилий, начатых в основном в восьмидесятых годах и посвященных реализации так называемых кластерных машин.Здесь лазерная абляция служит инструментом для импульсного испарения объема, а импульсный и синхронный ввод газа-носителя (инертного) в направлении, параллельном мишени, используется для создания сверхзвукового луча, содержащего смесь газа-носителя и испаряющиеся виды. Расширение сверхзвукового луча, обычно происходящее в специально разработанной трубе, приводит к очень эффективному производству кластеров. Среди очень широкого спектра применений метода одним из самых поразительных результатов является лабораторное получение молекул C 60 (фуллерен) (см., например, Ref.[33]). Эти опыты указали также на роль, которую играет химия в благоприятствовании образования кластеров с определенным числом составляющих элементов, так называемых магических чисел, как, например, в случае углерода 60, 72 и т. д. Производство углеродных нанотрубок с помощью ИЛО, начатое в 1990-х годах, также использует сходные особенности процесса, хотя в этом случае фундаментальную роль играют окружающий газ (обычно вдуваемый непрерывно) и наночастицы металла, используемые в качестве катализатора [34].

Важно подчеркнуть, что в любом случае, т.е. даже в стандартной конфигурации экспериментов с ИЛО, образование кластеров может эффективно происходить в паровой фазе. Было разработано несколько диагностических средств для исследования межатомной агрегации во время расширения шлейфа. Очень часто они полагаются на измерения ионизированной доли шлейфа с пространственным и временным разрешением. Это можно легко осуществить с помощью масс-спектрометра TOF (TOF-MS), собирающего первичные ионы из небольшого объема, ~ нескольких кубических миллиметров, на известном расстоянии от мишени, что может быть достигнуто с помощью геометрической конфигурации с TOF. — ось МС ортогональна оси факела и, соответственно, смещая целевое положение. На рис. 8.2 показаны основные компоненты диагностики; для улучшения инструментального разрешения и уменьшения сбора фоновых ионов можно использовать импульсные поля вывода с регулируемой задержкой и длительностью по отношению к лазерному импульсу.

Рисунок 8.2. (а) Схема ионной масс-спектроскопии плюма методом TOF-MS и (б) соотношение между сигналами, соответствующими массам (NiTi) + и Ti + , полученными при абляции мишени NiTi (используется эксимер XeCl с плотностью излучения около 4 Дж см -2 ).Напряжение репеллера ( В 0 ), первого ( В 1 ) и второго коллектора ( В 2 ) задается для извлечения ионов из факела и ускорения их вдоль дрейфовая трубка; расстояние между областью извлечения и мишенью можно регулировать, перемещая держатель мишени.

Формирование скоплений может по своей природе повлиять на состав шлейфа во время расширения, что приведет к образованию неэлементарных видов. В следующих разделах мы обсудим процессы, происходящие в присутствии постороннего (реактивного) газа; Чтобы пролить свет на модификации плюма в СВВ ИЛО, поучительный пример касается абляции простой бинарной системы, металлического сплава NiTi. Этот сплав обладает замечательными термомеханическими свойствами; в частности, он относится к классу сплавов с памятью формы (СПФ), проявляющих уникальную способность восстанавливать свою форму даже после сильных деформаций [35]. После деформации при низкой температуре эти материалы будут оставаться деформированными до тех пор, пока не нагреются, после чего они самопроизвольно вернутся к исходной форме.Такие особенности очень привлекательны в растущей области микроприводов, что делает актуальным поиск подходящих методов осаждения ввиду широкой эксплуатации миниатюрных приводов с памятью формы [36]. Эффект памяти формы подразумевает переход из твердого состояния в твердое с участием различных структур решетки, следовательно, изменение объема и различную геометрическую форму образца [35]. Для того чтобы в сплаве NiTi происходили полные и правильные переходы с памятью формы, материал должен быть чистым , то есть он должен быть свободен от каких-либо нестехиометрических выделений, которые с точки зрения диссипации энергии мешают переходу с памятью формы. .Кроме того, температуры, важные для превращения, в частности так называемые аустенитные и мартенситные точки начала и конца, наблюдаются в объеме как чрезвычайно чувствительные к массовому составу [37]. Таким образом, даже если речь идет о простом бинарном сплаве, пленки NiTi представляют собой очень сложную прототипную систему для проверки конгруэнтности метода осаждения. Кроме того, включение загрязняющих веществ в растущую пленку можно предотвратить, работая в условиях сверхвысокого вакуума, чего, как уже говорилось, легко добиться с помощью PLD.Действительно, PLD оказалась жизнеспособным методом осаждения пленок с памятью формы [38] на различные подложки (например, на основе кремния, оксида алюминия), а также относительно толстые (несколько микрон) отдельные пленки могут быть получены путем химического удаления. субстрата после нанесения. Как измерение соответствующих температур, так и наличие эффекта памяти формы позволяют предположить достижение надлежащих структурных свойств в этих пленках, что подтверждается рентгеноструктурным анализом (XRD) с незначительным вкладом межфазного слоя.

Измерения TOF-MS с пространственным разрешением во время лазерной абляции NiTi показали относительное увеличение содержания кластеров в зависимости от расстояния от мишени, начиная с расстояния около 20–25 мм [39]. Это подтверждается данными, представленными на рис. 8.2(б), где показано соотношение между сигналами (NiTi) + и Ti + в зависимости от расстояния до цели (экспериментальные параметры, приведенные в подписи, типичны для ПЛД металлических мишеней). Интерпретация этого вывода проста: во время расширения, когда шлейф охлаждается, скорость образования соединения имеет тенденцию преодолевать связанный с ним обратный процесс, то есть фрагментацию.Однако особое внимание должно быть уделено анализу масс-спектров, полученных во время PLD. Помимо возможного метастабильного характера ионизированных частиц, который может повлиять на количественную оценку компонентов шлейфа, выбор скорости, вызванный использованием спектрометра с осью, ортогональной направлению шлейфа, и нелинейный отклик прибора могут привести к сложное поведение реальной инструментальной чувствительности. Кроме того, исследование общего количества ионов в плюме не может дать информацию о конкретных путях столкновений, управляющих процессами агрегации/диссоциации.

Понимание давления и измерения | Общественный колледж Нормандейла

Фил Дэниелсон

Давление является важным компонентом фундаментальной зависимости вакуума Q=SP, но на практике и в приложениях оно имеет гораздо большее значение.

Давление — одна из трех основных величин, составляющих фундаментальное соотношение, определяющее поведение всех вакуумных систем. Это соотношение выражается формулой Q (газовая нагрузка) = S (скорость откачки) x P (давление).Во многих случаях достижение определенного давления принимается за основную цель вакуумной техники. В этих условиях буква Р в формуле может стать просто числом в уме практикующего вакуум. Однако есть много способов взглянуть на концепцию давления, и то, как вы на нее посмотрите, будет зависеть от того, что вы пытаетесь сделать.

Давление определяется как сила на единицу площади.

В этом случае сила возникает за счет удара молекул газа о поверхность, на которую передается их энергия удара.Чем больше ударов, тем больше сила и выше давление. Поскольку все молекулы при любой заданной температуре имеют одинаковую энергию, не имеет значения, что это за газ. Это верно для любого чистого газа или газовой смеси, такой как воздух. Более легкие молекулы, такие как гелий (He), будут двигаться быстрее, чем более тяжелый газ, такой как аргон (Ar), и передача энергии при ударе будет такой же. Концепция силы, создаваемой давлением воздуха, открыла двери для вакуумных технологий, когда Торричелли в 1644 году обнаружил, что давление воздуха поддерживает столбик ртути (Hg) в трубке с закрытым концом. Сегодня стандартная атмосфера определяется как столб ртутного столба 760 мм (760 торр), измеренный ртутным манометром. Правильно, торр происходит от Торричелли.

Большой и важный сегмент вакуумных технологий зависит от использования концепции силы. Разработчик вакуумной камеры должен это учитывать. Когда молекулы газа выкачиваются из контейнера, будет меньше молекулярных столкновений с внутренней частью контейнера, в то время как воздух снаружи контейнера по-прежнему будет обеспечивать более высокое и фиксированное количество столкновений.Эта разница приводит к перепаду давления, который также является перепадом сил на стенках контейнера.

Это объясняет время от времени слышимые хрюканье и стоны, звон и хлопки, или звук масла может отклоняться от большой плоской области, когда вакуумная камера вакуумируется. Этот эффект был впервые продемонстрирован фон Герике в 1650 году, когда он соединил два полушария вместе и откачал часть воздуха из получившейся сферы. Две упряжки лошадей не могли разъединить их, но они развалились, когда шар выпустили из воздуха. По мере того, как из контейнера удаляется все больше и больше молекул, возрастают перепады давления и силы. Это продолжается до тех пор, пока давление внутри сосуда не снизится до нескольких торр. При более низких давлениях дифференциальные силы слишком малы, чтобы иметь какой-либо практический эффект или беспокойство.

Физическая сила, создаваемая перепадами давления, может иметь множество практических применений. Яркими примерами являются пневматические трубки, используемые для перемещения материалов, вакуумные зажимы или прижимы, или даже почтенная присоска.Фактически, первое американское метро использовало эту технику в Нью-Йорке для перемещения автомобилей на один блок в 1870 году. Эти силы также можно использовать для управления вакуумметрами/манометрами. По мере вакуумирования камеры уменьшающееся давление будет оказывать меньший перепад сил на тонкостенную диафрагму или трубку Бурдона с закрытым концом, что приведет к движению, пропорциональному перепаду давления между камерой и окружающей атмосферой. Это движение может быть связано с циферблатом через механические связи для получения показаний давления внутри камеры.

Как правило, эти манометры реагируют только на давление в несколько торр, поскольку перепад давления создает небольшой перепад силы ниже этих давлений, но некоторые манометры этого типа работают при более низких давлениях. Ярким примером являются емкостные манометры, в которых используются тонкие методы измерения для измерения крошечных различий.

Использование механических датчиков привело к потенциально запутанной ситуации, которая часто затрудняет передачу спецификаций и ссылок.У нас есть как абсолютное давление, так и манометрическое давление, с которыми нужно бороться. Абсолютное давление использует идеальный вакуум в качестве нуля, в то время как манометрическое давление использует атмосферное давление в качестве нуля. Это означает, что механический манометр, обычно откалиброванный в английских единицах измерения, может иметь циферблат, показывающий от нуля до чего-то, что называется 30 дюймами вакуума. То, что они здесь имеют в виду, довольно запутанно для многих практикующих вакуум, если только это не преобразуется, обычно мысленно, в эквиваленты абсолютного давления. Например, показания манометра 29.5 дюймов вакуума на самом деле 11 торр абсолютного давления.

Использование манометрического давления обычно ограничивается некоторыми конкретными областями применения, но все же существует некоторая путаница. Например, специалист по вакууму может заинтересоваться диафрагменным насосом, способным создавать вакуум всего в несколько торр, и тогда он найдет спецификации производителя, указанные в дюймах вакуума. На самом деле, многие из этих производителей склонны называть все, что ниже нескольких торр, «глубоким вакуумом», что, очевидно, не очень ценится практиками, работающими при более низких давлениях.

Вакуумисты, которые работают при давлении ниже нескольких торр, склонны думать об абсолютном давлении в логарифмическом смысле, используя единицы торр, миллибар (мбар) или паскаль (Па). Паскаль расширил работу Торричелли, чтобы доказать, что столбик ртути меняется с высотой, и за это он заслуживает отдельной единицы. Все три из этих систем единиц имеют уменьшающиеся числа, которые относятся к уменьшающемуся количеству молекул в камере по мере того, как камера вакуумируется.

Хотя механические соображения о давлении до нескольких торр не требуют учета фактических видов газа, это неверно для ряда применений, требующих вакуумирования камеры до достаточно низкого давления для удаления атмосферных газов перед обратной засыпкой. камеру со специфическими газами до некоторого более высокого давления.В этих случаях чрезвычайно важен сам газ или газовая смесь.

Однако, с другой стороны, процессы, требующие только откачки, имеют тенденцию игнорировать подпитку газа при давлениях выше уровня в несколько торр, когда большинство механических манометров достигают нижнего предела. Долгожданное изменение произошло здесь с введением датчиков теплопроводности с усилением конвекции, которые позволяют считывать показания от атмосферного давления или немного выше до нескольких миллиторр. Это позволяет использовать одни и те же логарифмические единицы во всех циклах откачки и процесса.Тем не менее, различия в фактическом газовом составе играют роль, хотя мы рассматривали только полное давление.

Для специалиста по вакууму общее давление представляет собой сумму парциальных давлений различных газов, составляющих вакуумную среду. Попытка работать только при полном давлении может вызвать некоторые проблемы. Хорошим примером является использование измерителей теплопроводности, когда различные используемые или встречающиеся газы могут иметь сильно различающуюся теплопроводность. Если вы попытаетесь заполнить камеру до атмосферного давления с помощью манометра, откалиброванного по азоту (N 2 ) с аргоном, показания манометра будут настолько низкими, что вы рискуете создать избыточное давление в камере до того, как достигнете атмосферного давления.Это может привести к очень опасному и дорогому методу разборки вакуумной системы. Возможно, что более важно, парциальные давления внутри камеры могут иметь решающее влияние на процесс.

Манометры полного давления, откалиброванные в эквивалентах N 2 , могут иметь сильно различающиеся парциальные давления остаточных газов, но при этом показывать одинаковое общее давление. Поскольку водяной пар обычно является основным видом газа в камере при давлении ниже 10 -3 торр, во многих технических требованиях к процессу требуется определенное значение общего давления до начала процесса, но при этом часто предполагается, что водяной пар всегда является основным газом. составляющая.Небольшая утечка воздуха может изменить этот состав, но показания общего давления на ионометре с горячим или холодным катодом могут показывать одинаковые показания. Это может убить процесс.

Поскольку каждый газ будет иметь разную чувствительность для ионных датчиков, измерения общего давления всегда могут вводить в заблуждение. Анализаторы остаточного газа (АРГА) могут решить эту проблему. Они измеряют и отображают парциальные давления всех остаточных газов, которые находятся в их конкретных диапазонах давления. Обычно диапазона от 1 до 50 атомных единиц массы (АМЕ) достаточно, если не ожидается сильное загрязнение углеводородами.Использование RGA не предотвратит проблемы с вакуумом или технологическим процессом, но, безусловно, поможет предотвратить их до того, как возникнут технологические проблемы.

Концепция давления с точки зрения силы, оказываемой молекулярными ударами, изменяется, чтобы действительно учитывать последствия ударов. Например, растущая тонкая пленка реактивного металла будет реагировать с ударяющими молекулами активного газа пропорционально количеству ударов в единицу времени, а это пропорционально давлению. Фактические единицы, которые вы используете, не важны, если они повторно последовательно.Торр, возможно, наиболее часто используется в США, но мбар обычно используется в Европе, а Па — в Японии.

Для грубой работы можно использовать торр и мбар взаимозаменяемо, но для тонкой работы просто умножьте мбар на 0,75, чтобы получить торр, и умножьте торр на 1,33, чтобы получить мбар. Pa немного сложнее, и это может объяснить сопротивление его использованию во многих случаях, несмотря на одну из самых распространенных вакуумных книг, «Руководство пользователя по вакуумной технологии» Джона О’Хэнлона. использует Па на протяжении всего текста.Однако преобразование не так уж сложно; умножьте торр на 1,33 или мбар на 10 2 , чтобы получить Па.

Понятие давления имеет очевидное значение в вакуумной технологии, но всегда необходимо учитывать, что этот термин на самом деле подразумевает для вашего процесса или приложения. Всегда необходимо помнить о различиях между полным и парциальным давлением, и это особенно важно для взаимного общения между практикующими вакуумщиками. Поддержание последовательных единиц одинаково важно.И всегда помните, что действительно опытные специалисты по вакууму всегда обращаются к определенным экспоненциальным числам с помощью «десятьминус».

Перепечатано с разрешения журнала R&D Magazine, , все права защищены. Канерс Деловая информация.

Более короткая версия опубликована в R&D Magazine, , февраль 2003 г.

Определение вакуума

Давление определяется как отношение силы, действующей перпендикулярно и
равномерно распределяется на единицу площади.

\[p = \фракция FA\]

$р$ Давление [Па]
$Ф$ Сила [Н]; 1 Н = 1 кг м с -2
$А$ Район 2 ]

Формула 1-3: Определение давления

В закрытом сосуде частицы газа совершают тепловые движения.В
их взаимодействию со стенкой сосуда атомы и молекулы подвергаются
к большому количеству столкновений. При каждом столкновении на судно действует сила
стена. Там, где замкнутый газ не подвергается внешним воздействиям,
происходящие столкновения приводят к одинаковому давлению в любой точке
внутри сосуда, независимо от того, где и в каком направлении производится измерение
выполненный.

Рисунок 1.2: Определение полного давления

На практике очень редко доступен только один газ.Смеси
различные газы встречаются гораздо чаще. Каждый отдельный компонент этих газов
оказывает определенное давление, которое можно измерить независимо от других
компоненты. Это давление, оказываемое различными компонентами, называется частичным.
давление. В идеальных газах парциальные давления различных компонентов складываются
до полного давления и не мешают друг другу. Сумма всех
парциальное давление равно общему давлению.

Рисунок 1.3: Определение парциального давления

Примером газовой смеси является окружающий нас воздух.Его парциальное давление
состав приведен в таблице 1.1 [3].

Тип газа Хим. Формула Объемный % Парциальное давление [гПа]
Азот Н 2 78,09 780,9
Кислород О 2 20,95 209,5
Водяной пар Н 2 О < 2. 3 < 23,3
Аргон Ар 9,3·10 -1 9,3
Углекислый газ СО 2 3,0·10 -2 3,0·10 -1
Неон Не 1,8·10 -3 1,8·10 -2
Водород Н 2 < 1·10 -3 < 1·10 -2
Гелий Он 5.0·10 -4 5,0·10 -3
Метан СН 4 2,0·10 -4 2,0·10 -3
Криптон Кр 1,1·10 -4 1,1·10 -3
Окись углерода СО < 1,6·10 -5 < 1.6·10 -4
Ксенон Хе 9,0·10 -6 9,0 . 10 -5
Закись азота Н 2 О 5,0·10 -6 5,0·10 -5
Аммиак НХ 3 2,6·10 -6 2,6·10 -5
Озон О 3 2.0·10 -6 2,0·10 -5
Перекись водорода Н 2 О 2 4,0·10 -8 4,0·10 -7
Йод я 2 3,5·10 -9 3,5·10 -8
Радон Р-н 7,0·10 -18 7.0·10 -17

Таблица 1.1: Состав атмосферного воздуха. Частичный
указанные значения давления относятся к 1000 гПа. Примечание: значение указано для воды
пар находится в состоянии насыщения при 293 К (20°С). Значения углерода
содержание диоксида и оксида углерода колеблется в зависимости от места и времени. То
Показанием для угарного газа является пиковое значение для большого города. Другой
источники относятся к природной концентрации водорода 5 · 10 -5
% и парциальное давление 5·10 -4 гПа.

В космосе, в зависимости от близости к галактикам, давление менее 10 -18 гПа.
преобладать. На Земле технически создаваемое давление менее 10 -16 гПа
были сообщены. Диапазон атмосферного давления до 10 -16 гПа
охватывает 19 десятичных степеней. Специально адаптированные типы создания вакуума и
измерения для диапазона давления приводят к подразделениям различных
диапазоны давления указаны в таблице 1.2.

Диапазон давления Давление гПа Давление Па Числовая плотность на см 3 Длина свободного пробега в м
Атмосферное давление 1,013. 25 101 325 2,7·10 19 6,8·10 -8
Низкий вакуум (LV) 300…1 30 000…100 10 19 …10 16 10 -8 …10 -4
Средний вакуум (MV) 1…10 -3 100…10 -1 10 16 …10 13 10 -4 …10 -1
Высокий вакуум (HV) 10 -3 …10 -7 10 -1 …10 -5 10 13 …10 9 10 -1 …10 3
Сверхвысокий вакуум (СВВ) 10 -7 …10 -12 10 -5 …10 -10 10 9 …10 4 10 3 …10 8
Сверхвысокий вакуум (XHV) <10 -12 <10 -10 <10 4 >10 8

Таблица 1. 2: Диапазоны давления в вакуумной технике

Единицей измерения давления является паскаль. Эта единица была названа в честь
французский математик, физик, писатель и философ Блез Паскаль
(1623 – 1662). Согласно формуле 1-3, единица СИ
паскаль состоит из Па = Н м -2 . Единицы мбар, торр и
единицы, приведенные в таблице 1.3, широко используются на практике.

90 203 мм WS 90 204

Па бар гПа мкбар торр мкм атм в фунтов на кв. дюйм псф
Па 1 1·10 -5 1·10 -2 10 7.5·10 -3 7,5 9,87·10 -6 1,02·10 -5 0,102 1,45·10 -4 2,09·10 -2
бар 1·10 5 1 1·10 3 1·10 6 750 7,5·10 5 0,987 1. 02 1,02·10 4 14,5 2,09·10 3
гПа 100 1·10 -3 1 1000 0,75 750 9,87·10 -4 1,02·10 -3 10,2 1,45·10 -2 2,09
мкбар 0.1 1·10 -6 1·10 -3 1 7,5·10 -4 0,75 9,87·10 -7 1,02·10 -6 1,02·10 -2 1,45·10 -5 2,09·10 -3
Торр 1,33·10 2 1,33·10 -3 1.33 1 330 1 1000 1,32·10 -3 1,36·10 -3 13,6 1,93·10 -2 2,78
микрон 0,133 1,33·10 -6 1,33·10 -3 1,33 1·10 -3 1 1. 32·10 -6 1,36·10 -6 1,36·10 -2 1,93·10 -5 2,78·10 -3
атм 1,01·10 5 1,013 1 013 1,01·10 6 760 7,6·10 5 1 1,03 1,03·10 4 14.7 2,12·10 3
по 9,81·10 4 0,981 981 9,81·10 5 735,6 7,36·10 5 0,968 1 1·10 -4 14,2 2,04·10 3
мм WS 9,81 9.81·10 -5 9,81·10 -2 98,1 7,36·10 -2 73,6 9,68·10 -5 1·10 -4 1 1,42·10 -3 0,204
psi 6,89·10 3 6,89·10 -2 68,9 6,89·10 4 51. 71 5,17·10 4 6,8·10 -2 7,02·10 -2 702 1 144
псф 47,8 4,78·10 -4 0,478 478 0,359 359 4,72·10 -4 4,87·10 -4 4.87 6,94·10 -3 1

Таблица 1.3: Таблица перевода единиц давления

 

Компания Курта Дж. Лескера | Технические примечания по измерению давления

Измерение давления

Единицы измерения

Давление ниже атмосферного измеряется в нескольких единицах, в том числе: торр (также называемый миллиметрами ртутного столба, мм рт. ст.), миллиторр (мторр, но также называемый микроном, μ), дюйм ртутного столба («Hg»), миллибар (мбар) и паскаль ( Па).В США обычно используются три единицы измерения: микрон как единица измерения давления, достигаемого форвакуумными насосами, торр для насосов высокого вакуума и сверхвысокого вакуума и дюймы ртутного столба для насосов грубого вакуума.
В Европе общепринятой единицей измерения давления является миллибар. В Японии используется единица измерения паскаль, но Торр часто используется в качестве вторичной единицы измерения.
Большинству авторов научных/технических статей настоятельно рекомендуется использовать единицу СИ паскаль, и некоторые так и делают.

Единицы получены из:

  • Паскаль —сила в 1 ньютон (1 кг ускоряется со скоростью 1м/сек./сек) действует на 1 м 2
  • Миллибар — в 1000 раз больше силы в 1 дин (1g ускоряется со скоростью 1 см/сек/сек), действующей на 1 см 2
  • торр — 1/760 высоты ртутного барометра при «стандартном» атмосферном давлении
  • Миллиторр или микрон —1000-я часть 1 Торр
  • Дюймы ртутного столба (вакуум) — 1/29,92 высоты ртутного барометра при «стандартном» атмосферном давлении (принимая атмосферное давление за 0 дюймов ртутного столба)
  • Дюймы ртутного столба (прогнозы погоды) —1/29. 92-кратная высота ртутного барометра при «стандартном» атмосферном давлении (без учета давления за 0 дюймов ртутного столба)

Диапазоны давления

Не существует «универсального» манометра, который может измерять давление от атмосферного до сверхвысокого давления (динамический диапазон 10 15 ).
По существу, при измерении давления используются три механизма, и выбор одного из них зависит от диапазона давления и остаточных газов в вакууме.

Базовые технологии:

Механические манометры имеют жидкие или твердые диафрагмы, которые меняют положение под действием силы всех молекул газа, отскакивающих от них.Эти манометры измеряют абсолютное давление, не зависящее от свойств газа/пара. К сожалению, этот тип манометра неэффективен ниже 10 -5 Торр.

Измерители свойств газа измеряют объемные свойства, такие как теплопроводность или вязкость.
Они зависят от состава газа и эффективны в ограниченном диапазоне давлений от атмосферы до 10 -4 торр.

Датчики ионизации Для измерений в условиях высокого вакуума и сверхвысокого вакуума используется сбор заряда.Молекулы остаточного газа ионизируются электронами и измеряется результирующий ионный ток.
Хотя такие манометры ионизируют пары, а также постоянные газы, их чувствительность зависит от других параметров, помимо потенциала ионизации, что затрудняет точное измерение общего давления в газовых смесях.
Ионизационные манометры охватывают диапазон давлений от 10 -4 Торр до 10 -10 Торр.

Типичное расположение двух манометров, охватывающее интересующий диапазон от атмосферы до 1 x 10 9 Торр, оставляет плохо охватываемую полосу при давлениях, широко используемых при напылении, травлении, CVD и т. д.К счастью, точные измерения между 10 -1 и 10 -3 Торр для воспроизводимой обработки могут быть выполнены путем добавления третьего датчика — емкостного манометра.

При выборе манометра помимо диапазона давления следует учитывать и другие характеристики: скорость откачки манометра; как на него влияют радиация, магнетизм, температура, вибрация и агрессивные газы; и повреждения, вызванные его включением при атмосферном давлении. Эти вопросы обсуждаются ниже в разделе «Как определять характеристики в манометре», но их также можно найти в исчерпывающих текстах по вакууму, таких как « Руководство пользователя по вакуумным технологиям» Джона Ф. О’Хэнлона.

Вакуумметры

Механические датчики

Давление газа — это сумма всех отдельных сил, возникающих при столкновении каждого атома или молекулы с поверхностью в любой момент времени.
Механические датчики регистрируют эту общую силу, отслеживая движение поверхности по отношению к (восстанавливающей) силе, пытающейся удержать поверхность на ее первоначальном месте.Поскольку механические датчики реагируют только на молекулярный импульс, они измеряют давление любого газа или пара.
Они могут быть очень точными или неточными в зависимости от того, как регистрируется движение.

Маклеод

Этот манометр, хотя и используется редко, в основном используется в качестве основного эталона калибровки для других манометров.
По сути, большой известный объем газа при неизвестном давлении захватывается в стеклянную колбу и сжимается путем повышения уровня ртути до тех пор, пока газ не окажется в небольшом закрытом капилляре известного объема. Поскольку соотношение между исходным и конечным объемами известно, а конечное давление можно измерить, исходное давление рассчитывается по закону Бойля (P1 x V1 = P2 x V2).
Манометры Маклеода особенно полезны в диапазоне от 1 Торр до 10 -4 Торр, но из-за сжатия их нельзя использовать для измерения паров.

Бурдон

Бурдон

Типовые характеристики:

  • Газонезависимый
  • от 1 до 760 торр
  • Точность от 10 до 15 %
  • Стандартная рабочая температура: от 0°C до 50°C

Когда трубка из медного сплава с закрытым концом, изогнутая, овального сечения, соединена с вакуумом, атмосферное давление изгибает ее в большей или меньшей степени, в зависимости от внутреннего давления.Механическая сила перемещает стрелку индикатора через зубчатую передачу.
Манометры Бурдона используются в основном для измерения высокого давления (чаще всего прикрепляются к регуляторам на газовых баллонах), но существуют модификации для измерения давления от 0 до 30 дюймов рт. пропитка и т. д., где основное внимание уделяется существованию вакуума, а не его точному измерению.

Пьезо

Типовые характеристики:

  • Газонезависимый
  • 0.от 1 до 1000 торр
  • Точность 1%
  • Стандартная рабочая температура: от 0°C до 40°C

Пьезорезистивные датчики давления обычно состоят из кремниевой пластины, поверхность которой подвергается механической обработке, что превращает кристалл в подходящую отклоняющуюся диафрагму при воздействии нормального напряжения (давления).
Толщина кристалла кремния в его минимальном сечении является основным фактором, определяющим диапазон манометра от 1500 до 0.1 торр.
Когда диафрагма отклоняется под давлением, значения сопротивления пьезорезистивных элементов изменяются, что приводит к дисбалансу сети моста Уитстона.
Подача напряжения на этот мост создает выходное напряжение, пропорциональное приложенному давлению.
Если элементы имеют одинаковое сопротивление, будет нулевое выходное напряжение без перепада давления на диафрагме.

Емкостные манометры

Манометр

Типовые характеристики:

  • Газонезависимый
  • Показания в диапазоне четырех (4) декад ниже полной шкалы (F.S.) значение (т. е. емкостной манометр на 1000 торр = от 1000 до 0,1 торр, емкостной манометр на 0,1 торр = от 0,1 до 1e -5 торр)
  • Точность от 0,25 до 0,50 %
  • Версии с температурным режимом или с обогревом
  • Стандартная рабочая температура: от 0°C до 40°C

Отклонение тонкой металлической диафрагмы, отделяющей известное давление от неизвестного, является мерой разницы давлений между двумя объемами.
В емкостном манометре, как следует из названия, отклонение измеряется с помощью электрической емкости между диафрагмой и некоторыми неподвижными электродами.Емкостные манометры — наиболее точные приборы для измерения дифференциального или абсолютного давления всех газов (в том числе паров, не конденсирующихся при рабочей температуре манометра).

Манометрические головки определяются их максимальным измеренным давлением (от 25 000 Торр до 1 x 10 -1 Торр), при этом каждая головка имеет динамический диапазон примерно на 10 4 ниже этого значения.
Точность показаний манометра 0,25% является обычным явлением, а 0,08% доступны для высокоточных продуктов.

В то время как манометры имеют заданную рабочую температуру, емкостные манометры могут быть настроены (перед покупкой) на рабочие температуры выше температуры окружающей среды. Эти «обогреваемые» блоки имеют нагреватель внутри блока, который внутри нагревает диафрагму до заданной температуры (т.е. 100°C). Это помогает поддерживать точность емкостного манометра, а также помогает уменьшить конденсацию паров на диафрагме (при условии, что компенсация внутренней температуры устройства выше, чем температура процесса).

Мембранные манометры

Как и в емкостном манометре, в этих манометрах используется отклонение тонкой металлической (или кремниевой) диафрагмы, отделяющей известное давление от неизвестного.
Однако в манометрах этого типа отклонение определяется тензодатчиком, прикрепленным к диафрагме.
Хотя это ограничивает минимальное измеряемое давление до 1 Торр, оно обеспечивает стабильное, воспроизводимое давление, считываемое устройством до 1200 Торр.

Датчики свойств газа

Значение теплопроводности или вязкости для каждого конкретного газа различно и зависит от давления нелинейно.Датчики свойств газа, представленные для типичных газов вакуумной камеры, неточны.
Этот и многие другие неотъемлемые источники ошибок предполагают, что показания манометра приемлемы для регистрации повторяющихся событий давления, но малопригодны для измерения абсолютного давления.

Термопара

Термопара (термопара)

Типовые характеристики:

  • Газозависимый
  • 1e -3 до 760 Торр или 1e -3 до 1 Торр
  • Обычно пассивный (требуется контроллер)
  • Точность 50 % выше 10 Торр, 15 % ниже 10 Торр
  • Постоянный ток, переменная температура
  • Типичная рабочая температура: от 0°C до 100°C

Нить накала термопары нагревается до определенной температуры постоянным током. Когда молекулы взаимодействуют с нитью, тепло передается с заданной скоростью (зависящей от теплопроводности молекул), что вызывает перепад температур. Эта переменная температура измеряется и преобразуется в выходное напряжение, за которым следует давление. Чем выше давление (больше молекул), тем больше разница температур. Из-за конструкции датчика и расположения нити накала термопарные датчики обычно не используются для измерений выше 10 Торр, поскольку множество молекул имеет тенденцию сливаться на данной части нити, что приводит к неточности.

Со временем молекулы прилипают к нити накала, что приводит к неточным измерениям. В зависимости от того, чему подвергался манометр, нить накала можно очистить, налив небольшое количество растворителя на фланцевое соединение, соприкасаясь с нитью (при выключенном манометре). Это следует делать после проверки паспортов безопасности растворителя и молекул, используемых в процессе. Оказавшись внутри, устройство можно осторожно вращать (не как мараку), чтобы растворитель соприкасался со всей нитью в надежде растворить некоторые, если не все, застрявшие молекулы. Затем растворитель подвергается воздействию должным образом, а любые остаточные количества испаряются. Это можно ускорить, включив агрегат, который будет обеспечивать тепло. Не гарантируется, что эта очистка сработает, так как некоторые молекулы могут разъесть нить. В этом случае рекомендуется заменить манометр.

Пирани

Пирани

Типовые характеристики:

  • Газозависимый
  • 1e -4 до 1000 торр
  • Точность 50 % выше 10 Торр, точность 10 % ниже 10 Торр
  • Постоянная температура, переменный ток
  • Стандартная рабочая температура: от 0°C до 40°C

В манометре Пирани две нити, часто платиновые, используются как два плеча моста Уитстона.Эталонная нить погружается в газ с фиксированным давлением, в то время как измерительная нить подвергается воздействию системного газа.
Обе нити нагреваются током через мост, но, в отличие от большинства Т/П, манометр Пирани использует не постоянное напряжение или мощность, а постоянную температуру нити.
Молекулы газа, ударяясь о погружной элемент, отводят энергию, которая обнаруживается и возвращается цепью обратной связи к источнику питания.
Датчик Пирани будет измерять в том же диапазоне, что и датчик термопары, но расширен до 1e -4 Торр.Однако этот манометр имеет ту же проблему, что и манометр с термопарой выше 10 Торр.

Со временем молекулы прилипают к нити, что приводит к неточным измерениям. В зависимости от того, чему подвергался манометр, нить накала можно очистить, налив небольшое количество растворителя на фланцевое соединение, соприкасаясь с нитью (при выключенном манометре). Это следует делать после проверки паспортов безопасности растворителя и молекул, используемых в процессе. Оказавшись внутри, устройство можно осторожно вращать (не как мараку), чтобы растворитель соприкасался со всей нитью в надежде растворить некоторые, если не все, застрявшие молекулы.Затем растворитель подвергается воздействию должным образом, а любые остаточные количества испаряются. Это можно ускорить, включив агрегат, который будет обеспечивать тепло. Не гарантируется, что эта очистка сработает, так как некоторые молекулы могут разъесть нить. В этом случае рекомендуется заменить манометр.

Конвекция

Усиленная конвекция Пирани

Типовые характеристики:

  • Газозависимый
  • 1e -4 до 1000 торр
  • Точность 5 % выше 10 Торр, точность 10 % ниже 10 Торр
  • Постоянная температура, переменная температура
  • Стандартная рабочая температура: от 0°C до 40°C

Датчик Пирани с усиленной конвекцией очень похож на датчик Пирани в том, что ток подается на нить накала для поддержания постоянной температуры.Когда молекулы взаимодействуют с нитью, тепло отводится от нити, и для поддержания постоянной температуры требуется больший ток. Этот перепад тока преобразуется в напряжение, а затем в давление. Тем не менее, эта конструкция манометра обеспечивает равномерное движение вокруг нити накала за счет конвекции (надлежащего воздушного потока). Это сводит к минимуму карманы молекул, прилипших к определенной части нити, обеспечивая более точные показания. Это помогает поддерживать точность выше 10 Торр.

Со временем молекулы прилипают к нити, что приводит к неточным измерениям.В зависимости от того, чему подвергался манометр, нить накала можно очистить, налив небольшое количество растворителя на фланцевое соединение, соприкасаясь с нитью (при выключенном манометре). Это следует делать после проверки паспортов безопасности растворителя и молекул, используемых в процессе. Оказавшись внутри, устройство можно осторожно вращать (не как мараку), чтобы растворитель соприкасался со всей нитью в надежде растворить некоторые, если не все, застрявшие молекулы.Затем растворитель подвергается воздействию должным образом, а любые остаточные количества испаряются. Это можно ускорить, включив агрегат, который будет обеспечивать тепло. Не гарантируется, что эта очистка сработает, так как некоторые молекулы могут разъесть нить. В этом случае рекомендуется заменить манометр.

Датчики ионизации

С относительно небольшими различиями все ионизационные датчики используют один и тот же принцип.
Энергичные электроны ионизируют остаточные газы — положительные ионы собираются на электроде, а ток преобразуется в показания давления.Датчики с горячей нитью (Bayard-Alpert, Schulz-Phelps) используют термоэлектронную эмиссию электронов из горячей проволоки, а датчики с холодным катодом (Penning, Inverted Magnetron) используют электроны из тлеющего разряда или плазмы.

На все измерения ионизационного датчика серьезно влияет состав газа.
Например, отчет в J. Vac. науч. Тех. указывает, что относительная чувствительность ионометра (относительно N 2 = 1) составляет 5 для паров ацетона и 0,18 для гелия.
То есть одно и то же абсолютное давление этих чистых (газообразных) материалов будет давать показания манометра, различающиеся почти в 28 раз.Ионизационные манометры не дают точных измерений абсолютного давления, если только они не были недавно откалиброваны с точной газовой смесью, которая должна быть измерена.

Чувствительность

Используемый выше термин относительная чувствительность не следует путать с параметром, называемым «чувствительностью датчика».
Последнее получается из уравнения, связывающего поток положительных ионов датчика (i p ) для данной эмиссии электронов (i e ) при заданном давлении газа (P): i p = S xi e x P или P = 1/S xi p /i e

Константа пропорциональности (S в единицах обратного давления) является «чувствительностью датчика».’
Практичные ионизационные датчики (с горячей нитью накаливания) имеют чувствительность датчика в диапазоне от 0,6 Торр -1 до 20 Торр -1 .
Это важно при выборе контроллера ионизационного датчика, поскольку чувствительность датчика должна находиться в доступном диапазоне контроллера.
Чем выше чувствительность датчика, тем выше вероятность ионизации молекулы.

Термометры накаливания

Ион

Типовые характеристики:

  • Газозависимый
  • 1e -9 до 1e -4 Торр (B-A) или 1e -11 до 1e -4 Торр (Nude UHV)
  • Точность 30 %
  • Стандартная рабочая температура: от 0°C до 40°C

Два распространенных ионных датчика с горячей нитью накала, Баярда/Альперта (BA) и Шульца-Фелпса (SP), отличаются только физическими размерами и расстоянием между их электродами. Оба имеют нагретые нити накала, смещенные для создания термоэлектронных электронов с энергией 70 эВ, достаточно энергичных, чтобы ионизировать любые молекулы остаточного газа, с которыми они сталкиваются.
Образовавшиеся положительные ионы перемещаются в коллектор ионов, находящийся под напряжением -150 В.
Ток зависит от плотности газа (количество молекул в каждом кубическом сантиметре), которая является прямой мерой давления газа.

Со временем манометр с горячей нитью накала соберет множество ионизированных молекул, которые необходимо удалить для поддержания точности манометра.Это можно легко сделать, «дегазируя» устройство. Это обычная практика для любого датчика с горячей нитью накала, когда через сетку и коллектор проходит сильный ток, по существу выпекая эти части. Этот «прогрев» помогает удалить эти ионизированные молекулы, возвращая устройство в чистое состояние. Однако дегазация не гарантирует удаления всех молекул, поскольку некоторые из них останутся прилипшими к коллектору или даже могут вызвать эрозию. В таких случаях рекомендуется заменить датчик.

Иономер Bayard-Alpert имеет достаточно линейную характеристику от 1e -9 до 1e -4 Торр с чувствительностью датчика от 5 до 20 Торр -1 .Манометры ВА доступны с одной или двумя нитями накала (вторая выступает в качестве запасной) и с двумя нитями накала из иридия с покрытием из тория, используемого в приложениях с высоким содержанием кислорода и для защиты от «перегорания» при случайном выпуске воздуха, и вольфрама, используемого для более низких температур. стоимости и в остаточных газах, содержащих галогены.

Стандартный манометр B-A измеряет до 1e -9 Torr. Она не опускается ниже, потому что первичные электроны генерируют мягкое рентгеновское излучение, попадая на сетку.
Рентгеновское излучение, попадающее на электрод коллектора ионов, высвобождает фотоэлектрон, который неотличим от прибывающих туда положительных ионов.Ниже 1e -9 Торр фотоэлектронная эмиссия составляет достаточно большую часть ионного тока, чтобы исказить показание давления.
Специальные структуры B-A с ультратонкими коллекторами ионов будут достигать 10 -10 Торр и, возможно, даже в диапазоне 10 -11 Торр.

Иономер Nude UHV действует по тому же принципу, что и стандартный датчик Баярда-Альперта, но позволяет измерять более глубокий вакуум, от 1e -11 до 1e -4 Торр.Это изменение базового давления связано с конструкцией манометра, которая включает в себя сетку в виде корзины и плотные нити накала.

Датчики с холодным катодом

Холодный катод

Типовые характеристики:

  • Газозависимый
  • 1e -10 до 1e -2 торр
  • Точность 30 %
  • Стандартная рабочая температура: от 0°C до 55°C

В датчиках с холодным катодом ионизирующие электроны являются частью самоподдерживающегося разряда.Однако, поскольку CCG не имеет (термоэмиссионной) нити накала, разряд инициируется излучением рассеянного поля или внешними событиями (космическими лучами или радиоактивным распадом).
При низком давлении это может занять несколько минут, а CCG обычно включаются при высоком давлении (1e -2 Торр или выше).
После запуска магнитное поле датчика удерживает электроны на спиральных путях, давая им большую длину пути и высокую вероятность ионизации остаточного газа.
Ионы собираются и измеряются для определения давления газа.

Использовались многие геометрические формы электродов — цилиндры, пластины, кольца, стержни в различных комбинациях с направлением и силой магнитного поля, выбранными для максимизации измеряемого тока.
Если центральные или «концевые» электроды датчика отрицательные, его принято называть магнетроном.
Если же электроды положительны, датчик называется перевернутым магнетроном.

Магнетрон: Первоначальная конструкция Пеннинга (цилиндрический анод и торцевые катоды) не была ни точной, ни точной, и ее заменили другими геометриями.Однако имя Пеннинг до сих пор используется даже для магнетронов с центральным проволочным или кольцевым катодом.
Рабочее напряжение ограничено (обычно до ~ 2 кВ), чтобы избежать эффектов полевой эмиссии, которые вызывают увеличение ионного тока, не связанного с давлением.
В то время как более новые конструкции магнетронов удовлетворительны, они ограничены верхним диапазоном высокого вакуума и мало привлекают коммерческого внимания.

Перевернутый магнетрон: Во многом благодаря разработкам Рэдхеда и его коллег эта конструкция работает в диапазоне давлений сверхвысокого вакуума.Его осевой центральный анод входит в катод цилиндра/концевых пластин через защитные кольца напряжения (чтобы предотвратить влияние полевой эмиссии на измерение ионного тока).
Анод имеет гораздо более высокий потенциал, чем обычный магнетрон (~ 6 кВ), и расположен параллельно магнитному полю датчика.
Некоторые имеющиеся на рынке конструкции инвертированных магнетронов имеют хорошую линейность и рабочие характеристики вплоть до 1 x 10 -11 торр.
Однако попытка запустить его при таком низком давлении может занять часы или дни.

В отличие от датчика с горячей нитью накала, датчик с холодным катодом не имеет нитей накала или сетки для дегазации. Вместо этого некоторые манометры с холодным катодом можно разобрать, обнажив ионизационную камеру и внутренние стенки манометра. Это воздействие позволяет пользователю буквально чистить внутренние стенки датчика с холодным катодом, помогая удалить молекулы, которые были «распылены» на стенку. Эта физическая очистка делает датчик с холодным катодом более прочным, чем датчик с горячей нитью накала.

Комбинированные манометры

Комбинированные манометры, также известные как манометры с широким диапазоном, представляют собой устройства, в которых используется несколько технологий для обеспечения более широкого диапазона измерений, чем любая отдельная технология. Например, наиболее распространенными широкодиапазонными манометрами являются комбинация холодного катода/пирани или комбинация горячей нити накала/пирани с усиленной конвекцией. Эти типы позволяют проводить измерения от сверхвысокого вакуума до атмосферы. Поскольку эти датчики сочетают в себе разные технологии, обычно существует переходная область, где одна технология переходит в другую.Наиболее распространенная область между 10 -2 и 10 -3 , где пирани, усиленный конвекцией, перейдет в технологию ионизации с холодным катодом или горячей нитью. Эти блоки обычно находятся в одном корпусе, что помогает свести к минимуму беспорядок и помогает автоматизировать измерение давления, поскольку пользователю не нужно вручную активировать технологию высокого вакуума.

Анализаторы остаточных газов

Специальные масс-спектрометры, предназначенные для анализа газов, остающихся в вакуумной камере, называются анализаторами остаточных газов или РГА.Обилие информации об экспериментальных или технологических условиях, предлагаемых RGA, делает постоянно подключенный блок удобным, часто необходимым диагностическим устройством.

Квадрупольные RGA, названные в честь четырех стержней, используемых в секции фильтра масс, питаются от смешанных напряжений ВЧ/постоянного тока.
Полные рабочие детали выходят за рамки этого текста, но они адекватно рассматриваются во многих книгах, таких как Dawson’s Quadrupole Mass Spectrometry And its Applications и монография AVS Дринквайн и др., Анализаторы парциального давления и анализ .Квадрупольный анализатор (или головка датчика) крепится болтами к вакуумной системе.
Он состоит из ионизатора (источника ионов), соединенного с массовым фильтром, который, в свою очередь, прикреплен к детектору ионов, все они установлены на фланце сверхвысокого вакуума (часто с наружным диаметром 2-3/4 дюйма CF), несущим вводы для питания и сигналов. .
Комбинированное напряжение RF/DC генерируется рядом с головкой датчика.
Отсюда к шасси управления и дисплею или настольному ПК подается только информация о напряжении питания и обратном сигнале.В ионизаторе атомы и молекулы нейтрального газа бомбардируются электронами с энергией 70 эВ от горячей нити.
Ионизированные частицы извлекаются в квадруполь, куда передаются только ионы с соответствующим отношением массы к заряду (m/e) для приложенных напряжений RF/DC.
Изменяя напряжение RF/DC во времени, сканируют отношения m/e и ионный ток для каждой массы записывают в виде спектра.

Для диагностики вакуумных проблем с помощью RGA требуется только набор моделей фрагментации, по которым можно быстро определить следующее: наличие утечек воздуха и воды; недопустимые уровни активных газов, таких как O 2 , H 2 и H 2 O, обратный поток масла в насосе, наличие соединений Fl или Cl; требования к регенерации крионасоса и чистота закладочных газов.Поскольку RGA работает при давлении 10 -4 Торр или ниже, процессы при высоком давлении анализируются с помощью RGA, установленного во вспомогательной вакуумной системе, часто на мобильной тележке, перемещаемой к различным вакуумным станциям.

Детекторы утечек

Течеискатели — это масс-спектрометры, которые обнаруживают только ионы гелия при m/e = 4.
Поскольку они специфичны, они обнаруживают чрезвычайно малые концентрации гелия в присутствии больших количеств других газов.
Как следует из названия, эти устройства определяют наличие утечек и помогают их локализовать.Отличные инструкции по обнаружению утечек можно найти в книге Харриса Modern Vacuum Practice или в рамках нашего учебного плана Университета Лескера.

Испытываемая камера и течеискатель соединяются через герметичную трубку, а вакуумирование камеры осуществляется с помощью собственной вакуумной системы течеискателя.
Гелий распыляется из тонкой форсунки на поверхность камеры, где он вытесняет воздух, диффундирующий через течь только тогда, когда зонд направлен на место течи.Это распространенное заблуждение, что давление в камере должно быть низким, прежде чем можно будет начать испытание на герметичность.
На самом деле давление в камере ниже 10 -2 Торр требуется редко.
После того как впускной клапан течеискателя полностью открыт, дальнейшие усилия по снижению давления в камере будут только напрасной тратой времени.
Например, за 11 лет работы одного оператора по проверке утечек большинство утечек было обнаружено, тогда как впускной клапан течеискателя был взломан лишь частично.
Утечки более 1 x 10 -5 атм см3/сек.являются наиболее распространенными — «некоторые» утечки были в пределах 1 x 10 -6 атм см3/сек. диапазон, шесть утечек были в 1 x 10 -7 атм см3/сек. диапазон, два в диапазоне 1 x 10 -8 атм см3/сек. диапазоне и только один в диапазоне 1 x 10 -9 атм см3/с.
Поскольку большинство течеискателей имеют минимальную обнаруживаемую скорость утечки 1 x 10 -10 атм см3/сек, чувствительность обнаружения редко является проблемой для обнаружения реальных утечек.

Принципы измерения вакуума

Анализаторы остаточного газа (RGA) часто используются для измерения давления, особенно в полупроводниковой промышленности, где они обычно используются для других технологических целей.RGA — это компактные масс-спектрометры, которые могут обнаруживать и анализировать остаточные газы в вакуумной системе. В RGA поступающие газы ионизируются способом, аналогичным тому, который используется в ионизационных датчиках, а ионы фильтруются по массе с использованием электромагнитного квадруполя. Квадруполь может управляться для создания переменного электромагнитного поля, которое можно перемещать для обнаружения ионов с различным отношением массы к заряду. После выхода из квадруполя ионы обнаруживаются с помощью цилиндра Фарадея или других более чувствительных детекторов.Подробное обсуждение принципов работы и характеристик RGA обсуждается в разделе E. Другие специальные методы использовались для измерения вакуумного давления в режимах давления от сверхвысокого до сверхвысокого вакуума. Это разновидности ионизационных датчиков.

Выбор метода измерения для данного применения вакуума во многом зависит от ожидаемой вакуумной среды и степени точности, необходимой для измерения. Например, манометр, предназначенный для измерения технологического давления во время осаждения или травления, должен по необходимости подвергаться воздействию технологических газов.Это может повлиять или не повлиять на точность измерения, а также может вызвать физико-химические проблемы для компонентов датчика, в зависимости от типа газа, используемого в процессе. Если вакуумметр необходим для измерения базового давления в системе, в которой химическая природа остаточных газов неизвестна, то манометры, в которых измерение имеет зависимость от молекулярных свойств измеряемого газа, могут оказаться непригодными. В производственной среде также важно, чтобы выбор калибра был экономически выгодным.В случае вакуумметров, в зависимости от конструкции и связанного с ними вспомогательного оборудования, стоимость вакуумметров может варьироваться на порядки. После определения характеристик диапазона, точности, совместимости с технологическими процессами и стоимости вакуумметра важно выбрать манометр, который наилучшим образом соответствует этим характеристикам. В таблице 1 приведено сравнение различных типов манометров по относительной производительности в нескольких областях, а также относительная стоимость таких манометров. В этом разделе содержится более подробная информация о типах вакуумметров, обычно используемых в производстве полупроводниковых устройств.

Механические датчики Термальные датчики Грибаты на деформации Грузоподующие Iionization Ionitizate Brinting Rotor Puges
Давление / вакуумный диапазон 10 -4 до 760 торр 0 до 500 атм 10 -4 до 500 атм  10-9 до 0.01 10-7 до 1
Чувствительность газа None Высокий NOTE NOTE Высокий Высокий
Точность Бедный до хороши Ярмарка на Отлично Fair Отлично
Main Power Да Да Да Да

Да Да
Электрический вывод Да Да Да Да да Да Да
Устойчивость к коррозии Бедные Ярмарка Хорошо Отлично Бедный Бедные
Физический размер Goo D к Бедным Хорошо Отлично Отлично Ярмарка Ярмарка
Профессиональная безопасность для персонала Fair Бедный Ярмарка Хорошо Ярмарка
Относительная стоимость Таблица 1 Таблица 1Производительность и относительная стоимость основных типов манометров.

Из-за почти всеобщей потребности в датчиках давления, которые могут подавать сигналы для управления процессом и автоматизации в производстве полупроводников, простые механические манометры, такие как манометр Бурдона и сильфонный манометр, находят лишь ограниченное применение на фабриках по производству полупроводниковых устройств и далее не обсуждаются. .

Анализ остаточного газа (SRS200) | Основные объекты

Описание

Анализ остаточных газов (RGA)

измеряет парциальные давления отдельных газов в смеси.

RGA — это автономная вакуумная система с дифференциальной откачкой для приема пробы газа при атмосферном давлении. Небольшое количество анализируемого газа ионизируется. Ионы ускоряются в фильтре для разделения масс, в результате чего получается масс-спектр, показывающий зависимость парциального давления от массы газовых частиц.

Система может быть использована для измерения:

  • Дегазация пробы в зависимости от температуры (только летучие вещества)
  • Вакуумная система проверки герметичности

Примечания  
Интерпретация данных RGA не всегда проста. Каждый канал представляет отношение массы к заряду для атомов, молекул и молекулярных фрагментов, которые обнаруживаются в головке RGA после ионизации на горячей нити накала высокого напряжения. Вещества, улетучивающиеся в образце, могут быть обнаружены или не обнаружены в зависимости от: а) возможности их конденсации при выходе из горячей зоны печи и б) их давления паров при комнатной температуре. Канал может представлять более одного вида, например. 28 может быть CO или N2. Крупный вид может фрагментироваться, образуя множество видов, которые обнаруживаются в различных каналах.Вертикальная ось является логарифмической, поэтому интенсивность сигнала зависит от парциального давления в вакуумной системе RGA и увеличивается на порядки по мере продвижения вверх по оси Y. Благодаря методу сканирования более высокие каналы измерялись после меньших каналов и, в случае контролируемого нагревания образца, были немного более горячими из-за линейной скорости печи.

Если все образцы анализируются в одинаковых условиях, результаты RGA должны быть относительно сопоставимыми, даже если обнаруженные газы не могут быть абсолютно количественно определены.

Надежность сравнений соответствует этим тенденциям

  • Самый надежный — сравнение результатов для разных образцов в одинаковых условиях.
  • Второй по достоверности — сравнение результатов для одного и того же образца в разных условиях.
  • Наименее надежный — сравнение результатов для разных образцов в разных условиях.

Уверенность в индивидуальных результатах следуйте этим тенденциям

  • Большинство — большое относительное изменение с большим абсолютным изменением
  • Больше — большое относительное изменение с небольшим абсолютным изменением
  • Меньше — Небольшое относительное изменение с большим абсолютным изменением
  • Наименьший — Небольшое относительное изменение с небольшим абсолютным изменением

Контактный телефон

Дэвид Райт
Исследователь
Дэвид[email protected]
480-965-5448

Emmanuel Soignard
Операционный директор
Emmanuel. [email protected]
480.965.7242

Руководство по выбору вакуумметров и приборов

: типы, характеристики, области применения

 

Вакуумметры — это устройства для измерения вакуума или давления ниже атмосферного. Вакуум – это пространство, в котором давление газа низкое по сравнению с атмосферным давлением. Мера вакуума связана с давлением.Вакуумметры и приборы используются вместе с датчиками вакуума для контроля и управления вакуумметрическим давлением в системе.

 

 

Как делают манометры. Видео: Wika Instrument, LP / CC BY 3.0

 

 

Технологии вакуумметров

 

Вакуумметры

используют несколько различных технологий для измерения вакуума в окружающей среде.

 

Низкий вакуум

 

Низкий вакуум можно измерить с помощью устройств, использующих механическое отклонение.

 

Поршень В технологии используется герметичный поршень/цилиндр для измерения изменений давления.

 

Механическое отклонение использует эластичный или гибкий элемент для механического отклонения при изменении давления, например, диафрагму, трубку Бурдона или сильфон.

 

Пьезоэлектрические датчики давления измеряют динамическое и квазистатическое давление. Двунаправленные преобразователи состоят из металлизированного кварца или керамических материалов, обладающих природными электрическими свойствами.Они способны преобразовывать напряжение в электрический потенциал и наоборот. Они очень прочные, но требуют схемы усиления, которая может быть восприимчива к ударам и вибрации.

 

Микроэлектромеханические системы (МЭМС) обычно представляют собой микросистемы, изготовленные путем микрообработки поверхности кремния для использования в очень малых промышленных или биологических системах.

 

Вибрационные элементы (кремниевый резонанс) используют технологию вибрирующих элементов, такую ​​как кремниевый резонанс.

 

Приборы для измерения давления с переменной емкостью используют изменение емкости в результате движения мембранного элемента для измерения давления. В качестве одной обкладки конденсатора в устройстве используется тонкая диафрагма. Приложенное давление вызывает отклонение диафрагмы и изменение емкости. Отклонение диафрагмы вызывает изменение емкости, которое регистрируется мостовой схемой.

 

Тензодатчики (тензометрические переменные резисторы) приклеиваются к частям конструкции, которые деформируются при изменении давления.Четыре тензодатчика обычно используются последовательно в мостовой схеме Уитстона, которая используется для измерения. Когда напряжение подается на два противоположных угла моста, возникает электрический выходной сигнал, пропорциональный приложенному давлению. Выходной сигнал собирается в оставшихся двух углах моста.

 

Манометры обычно изготавливаются из прозрачной U-образной трубки и частично заполняются жидкостью, такой как вода, ртуть или масло.Относительная величина смещения жидкости между опорами U указывает на избыточное давление, оказываемое на одну или другую сторону. Преимущество использования вакуумметров манометрического типа состоит в том, что показания давления не зависят от типа газа.

 

Вакуумметры Бурдона состоят из трубки, изогнутой по дуге окружности. Внутренняя часть трубки соединена с вакуумной системой, а конец трубки изгибается при изменении внешнего давления.Конец трубки также соединен со стрелкой, которая перемещается по циферблату индикатора при изменении давления, подобно биметаллической полосе

.

 

Трубка Бурдона. Изображение предоставлено: efunda.com

 

Средне-высокий вакуум

 

Вакуум от среднего до высокого необходимо измерять с помощью тепловых и молекулярных устройств.

 

Термопарные манометры измеряют изменения теплопроводности остаточного газа в манометрической трубке.Показания давления для этого устройства зависят от типа газа. Термопарные манометры включают нить накала, источник питания для нити и измеритель с подвижной катушкой для отображения давления. Количество потерянного тепла зависит от давления газа. Существует несколько конструкций манометра Пирани. Одна конструкция включает использование двух пластин с разной температурой. Количество энергии, затраченной на обогрев, является мерой давления газа. В другой конструкции используется одна пластина для измерения теплопроводности газа по потерям тепла в окружающую среду.

 

Датчик термопары. Изображение предоставлено: National Instruments

 

 

 

Датчики ионизации с горячим катодом инициируют постоянный поток электронов от катода или источника электронов к аноду или стоку электронов. Эти электроны сталкиваются с зависящим от давления количеством молекул газа, которые становятся положительными ионами и вызывают ток, зависящий от давления, на коллекторе ионов.

 

Также доступны ионизационные датчики с холодным катодом .Поскольку в них нет активных компонентов, таких как горячие нити накала, манометры с холодным катодом могут выдерживать внезапное или длительное воздействие газов под высоким давлением. Устройства с холодным катодом вытягивают электроны с поверхности электрода полем высокого потенциала.

Для получения дополнительной информации прочитайте руководство Engineering 360 по выбору вакуумных датчиков.

 

Тип дисплея

 

Вакуумметры имеют дисплей, позволяющий пользователю контролировать вакуумметрическое давление в системе.Типы дисплеев включают:

 

Тип шкалы

Технические характеристики

 

Технические характеристики вакуумметров включают:

 

Диапазон вакуума — это диапазон давлений от самого низкого вакуумного давления до самого высокого вакуумного давления.

 

 

 

Диапазоны давления вакуума. Изображение предоставлено Oerlikon Leybold, Inc.

 

Рабочая температура — это полный требуемый диапазон рабочих температур окружающей среды.Температура и давление в системе напрямую связаны друг с другом. Если температура закрытой рабочей среды повысится, давление в системе возрастет. Чтобы предотвратить повреждение оборудования, важно знать диапазоны экстремальных температур в данной области.

 

Точность   – это разница между истинным значением и показаниями, выраженная в процентах от диапазона. Он включает в себя комбинированное воздействие метода, наблюдателя, аппарата и среды.

 

Среда — это термин, используемый для описания материала, окружающего область вакуума. Некоторые вакуумметры измеряют давление жидкостей. Другие измеряют давление твердых тел. Также доступны устройства, предназначенные для работы в опасных условиях или для неперечисленных, специализированных или патентованных материалов.

 

Эталон вакуумметра

 

Как правило, вакуумметры используют классы точности Американского общества инженеров-механиков (ASME) и Немецкого института нормирования (DIN), немецкой национальной организации по стандартизации.Примеры включают классы A, B, C и D, а также класс 1A (1% от полной шкалы), 2A (0,5% от полной шкалы), 3A (0,25% от полной шкалы) и 4A (0,1% от полной шкалы).

 

Вакуумметр и приборное приложение

 

Пылесосы используются во многих отраслях промышленности, таких как автомобилестроение, мореплавание, исследования и разработки и производство. Их можно использовать для обеспечения движения материалов по системе или для очистки рабочей зоны от загрязняющих веществ. Манометры и приборы, такие как датчики, являются важным компонентом для обеспечения надлежащего функционирования и безопасности системы и оборудования.

 

Другие типичные области применения включают химические и нефтеперерабатывающие заводы, фармацевтику, морское бурение и добычу, бумажные фабрики, производство удобрений и т.

Want to say something? Post a comment

Ваш адрес email не будет опубликован.