NEVAC examen Middelbare Vacuümtechniek Vrijdag 5 april 2002, 13.30 - 16.00 uur
Vraagstuk MV-2002-1 (20 punten) Eigenschappen pompen, materialen en componenten a) De pompkeuze voor een vacuümsysteem wordt mede bepaald door de eisen die aan het systeem worden gesteld. Geef in onderstaande tabel voor elk pomptype aan of deze goed/matig/slecht voldoet aan de gestelde eisen. b) Geef kort nadere uitleg van uw antwoord in de met de cijfers 1 t/m 5 aangeduide hokjes.
Pomptype Eisen
20 K Kryopomp
pompen van waterstof
1
pompen van helium
2
Turbomoleculairpomp
Oliediffusiepomp
Getterionenpomp
3
pompen van argon -8
bereiken van druk 10 Pa
4
olievrij vacuüm
5
c) Wat verstaat u onder de voorvacuümbestendigheid van een diffusiepomp? d) Waarom kan een kryopomp niet worden ingezet vanaf 1 atmosfeer? e) Waarom is bij toepassing van een getterionenpomp een aparte drukmeter op het systeem niet echt noodzakelijk? f)
Welke van de onderstaande afdichtingen en materialen behoren géén toepassing te krijgen in 0 een op 150 C uit-stookbaar systeem? Zet een kruisje in het hokje van uw keuze.
afdichtingen Kalrez O-ringen Perbunan O-ringen Viton® O-ringen aluminium pakkingen koper pakkingen goud pakkingen indium pakkingen
keuze
materialen messing grafiet perspex roestvast staal boriumnitride araldit koper teflon aluminiumoxide pyrex glas
keuze
g) Maak een principeschets van een differentieel gepompte draaidoorvoer. 0
h) Deze draaidoorvoer moet tot 150 C uitstookbaar zijn. Van welk materiaal zou u de O-ringen kiezen? Naam: ___________________________________________________ Dit blad voorzien van uw naam en na invulling inleveren samen met de rest van uw werk!
Vraagstuk MV-2002-2 (20 + 20 punten) Dit vraagstuk bestaat uit twee onderdelen; deel A en deel B. Deel A: In het navolgende worden een aantal uitspraken gedaan die juist of niet juist zijn. De uitspraken zijn cursief gedrukt. Maak op het bijgevoegde antwoordpapier: - het rondje in de JA-kolom donker, als u deze uitspraak juist (=JA) vindt; - het rondje in de NEE-kolom donker als u deze uitspraak onjuist (=NEE) vindt. Deel B: Motiveer kort het antwoord dat u hebt gegeven (JA of NEE) op de met * gemarkeerde uitspraken. Doe dit op een apart vel. De uitspraken 1 t/m 15 hebben betrekking op het werken met het geschetste vacuümsysteem. De recipiënt van het systeem bestaat uit twee ruimtes A en B, gescheiden door een diafragma 3 C. Het geleidingsvermogen van C is 0,01 m /s voor stikstof (N2). De gegevens over de turbomoleculair-pomp zijn: 3 - pompsnelheid 0,1 m /s, wordt gasonafhankelijk beschouwd 6 - compressieverhouding voor N 2: 10 - compressieverhouding voor helium (He): 2500
D
A C
De met de ruimtes A en B verbonden Bayard-Alpert ionisatiemanometers (BA) zijn geijkt voor stikstof. Hun correctie-factoren voor waterstof (H2) en He zijn resp. 2,5 en 6,9. De aanwijzing van de BA's bij de einddruk (doseerventielen D en E gesloten) -7 bedraagt 1.10 Pa en bestaat voornamelijk uit waterstof.
B
1. De BA ionisatiemanometer is een z.g. koude kathode vacuümmeter. -7 2. De werkelijke einddruk zal hoger zijn dan 1.10 Pa.
E
Via het doseerventiel D wordt stikstof ingelaten zodanig dat zich -3 in A een druk instelt van 1.10 Pa. 3. 4.
In A wordt 1x10 -5 Pam3/s aan N2 ingelaten. De drukmeter in B wijst 9,1x10-5 Pa aan.
De stikstofinlaat via D wordt vervangen door een mengsel van stikstof en helium, zodanig dat zich in A een werkdruk van 0,1 Pa instelt. De stikstof- en heliumdruk in A verhouden zich als 6 : 4. 5. 6.
De partiële druk voor N 2 in A bedraagt 0,06 Pa. * In ruimte B is de verhouding helium/stikstof kleiner dan in A.
D wordt gesloten en het voorraadvat met het gasmengsel wordt aangesloten op het doseerventiel E. Dit ventiel wordt zover open gezet dat in ruimte B dezelfde heliumdruk heerst als bij inlaten via D en -4 bedraagt, na correctie, 1.10 Pa. 7. 8. 9.
De partiële heliumdruk boven de voorpomp bedraagt dan 0,25 Pa. * De stikstofpiek in B zal nu 3,75x10 -7 Pa hoger liggen dan de achtergronddruk aan stikstof. De BA in ruimte A zal minder aanwijzen dan die in ruimte B.
Bij gesloten ventielen D en E beschouwt men het restgasspectrum in de ruimte B. 10. Uit het feit, dat waterstof de hoofdpiek in het restgasspectrum vormt, blijkt dat het systeem niet goed is uitgestookt. 11. De restgassamenstelling in A en B is nu identiek.
12. * Als er een lek in het voorvacuümsysteem aanwezig is,dan kan men dit met helium opsporen m.b.v. de RGA. 13. De RGA wordt dan gebruikt voor lekzoeken volgens het "tegenstroom-principe". 14. * De RGA zal in deze situatie een duidelijke zuurstofpiek aangeven. 15. Als er een lek in ruimte B aanwezig is, zodanig dat de einddruk in B een factor 1000 boven de oorspronkelijke einddruk ligt, dan wijzen beide BA's dezelfde druk aan. De uitspraken 16 t/m 20 hebben betrekking op afzonderlijke systeemcomponenten. 16. Indien de turbomoleculairpomp met vet gesmeerde lagers heeft, dan kan deze alleen in verticale positie worden gemonteerd. 17. * De Pirani is een gassoortafhankelijke drukmeter. 18. Boven de turbomoleculairpomp dient een baffle te worden gemonteerd. 19. Bij koelwaterstoring dient de turbomoleculairpomp na uitschakeling te worden belucht vanuit de voorvacuümruimte. 20. Aangenomen dat de turbomoleculairpomp rechtstreeks is aangesloten op de recipiënt, heeft het gat C een diameter die ongeveer een honderste is van de diameter van de pompopening van de turbomoleculairpomp. De uitspraken 21 tlm 25 gaan over onderstaand overzicht van het werkgebied van verschillende drukmeters. 21. D is een Bourdon-manometer. 22. E is een condensatormembraanmanometer. 23. F is een Pirani-manometer. 24. I is een Penning-manometer. 25. J is een thermokoppelmanometer.
NEVAC examen Middelbare Vacuümtechniek 2002 Naam: ________________________________
Antwoorden op onderdeel A van vraagstuk MV-2002-2
Uitspraaknr.
JA
NEE
Uitspraaknr.
JA
NEE
14*
1
15
2
16
3
4
17*
5
18
6*
19
20
7
8*
21
9
22
23
10
11
24
12*
25
13
Dit blad voorzien van uw naam en na invulling inleveren samen met de rest van uw werk!
Vraagstuk MV-2002-3 (20 punten) Een quadrupool-massaspectrometer Voor restgasanalyse wordt tegenwoordig veelal een quadrupool-massaspectrometer (QRGA) toegepast. a) Geef een korte beschrijving van de werking van een quadrupooI massaspectrometer. Verklaar hierin duidelijk de funktie en werking van de drie hoofdcomponenten van de spectrometer, t.w. de ionenbron, het massascheidingsgedeelte (massafilter) en de ionencollector. b) Voor toepassing als restgasanalysator wordt een QRGA bij voorkeur voorzien van een zgn. 'open ionenbron van het Bayard-Alpert (extractor) type'. Welke redenen kunt u hiervoor aanvoeren? c) Bij de Bayard-Alpert ionisatiemanometer wordt de ondergrens van het drukbereik bepaald door de zgn. Röntgengrens. Heeft men in een QRGA ook last van zo'n 'Röntgeneffect'? Zo ja, wanneer? Licht uw antwoord toe. d) Hoe is dit probleem in een goed ontworpen QRGA opgelost? e) Na enige uren afpompen van een belucht vacuümsysteem bereikt de druk zonder uitstoken een -5 eindwaarde van ca 5.10 Pa. Welke pieken verwacht u aan te treffen in het restgas-spectrum? f)
Vervolgens besluit men overnacht uit te stoken. Welke pieken verwacht u na dit uitstoken aan te treffen in het restgasspectrum?
g) Na afkoelen blijkt de druk niet veel lager te zijn dan voorafgaande aan het uitstoken. Op grond van het restgasspectrum wordt geconcludeerd dat het systeem tijdens het uitstoken lek is geworden. Welke pieken treft u nu aan in het spectrum? Geef een toelichting.
Vraagstuk MV-2002-4 (20 punten) Systeem voor de productie van Röntgenbeeldversterkers Een systeem voor de productie van Röntgenbeeldversterkers wordt gepompt met een kryopomp, 2 3 voorzien van 2 koelvlakken van 10x12,5 cm elk. Het volume van de vacuümkamer is 0,1 m , de druk, waarbij de HV-klep naar de kryopomp wordt geopend, is 100 Pa. Er vindt regelmatig chargewisseling plaats; de vacuümkamer wordt dan belucht met droge stikstof. a) Teken het vacuümschema. b) Beschrijf hoe de vacuümkamer op hoogvacuümdruk wordt gebracht, uitgaande van een volledig belucht systeem met de kryopomp op kamertemperatuur. c)
Beschrijf de handelingen die vericht moeten worden bij een chargewisseling. -10
15
d) Een monolaag geadsorbeerde stikstofmoleculen is 3x10 m dik en bevat 10 moleculen per 2 cm . Bereken hoeveel chargewisselingen er (ongeveer) kunnen plaatsvinden, voordat zich op de koelvlakken een condenslaag van 6 mm heeft gevormd. Gegeven: Constante van Boltzmann k = -23 1,38x10 N.m/K, kamertemperatuur = 293 K. e) Door een langdurige stroomstoring in het weekend warmt de kryopomp op tot kamertemperatuur. De verbinding tussen pomp en werkruimte is geopend. Welke druk zal zich in de vacuümkamer instellen, indien genoemde 6 mm condenslaag op het moment van de storing in de kryopomp aanwezig is? f)
Welke maatregelen moeten worden genomen om de situatie die in punt e ontstaat te voorkomen?
EINDE
NEVAC examen Middelbare Vacuümtechniek Uitwerkingen Vrijdag 5 april 2002, 13.30 - 16.00 uur
Uitwerking vraagstuk MV-2002-1 a) Pomptype
20 K Kryopomp
Turbomoleculairpomp
Oliediffusiepomp
Getterionenpomp
pompen van waterstof
matig
1 matig
goed
goed
pompen van helium
2 slecht
matig
goed
3 slecht
pompen van argon
goed
goed
goed
slecht
bereiken van druk 10 Pa
goed
goed
4 matig
goed
olievrij vacuüm
goed
goed
5 slecht
goed
Eisen
-8
b) 1 - compressieverhouding voor waterstof klein, 2 - dampdruk helium bij 4,2 K is 1 atmosfeer; helium kan dus niet via condensatie worden verpompt, 3 - helium is een edelgas en wordt dus niet chemisch gebonden in het kathode oppervlak; dus alleen ionenpompwerking voor helium, 4 - vergelijkenderwijs niet "eenvoudig" bereikbaar; pomp dient te zijn voorzien van een goede baffle en LN2-koelval, 5 - kruipeffect van olie maakt dat de uhv -ruimte op den duur altijd zal vervuilen met olie. c) Zie BBVT, pag .216 d) Zie BBVT, pag. 345 e) Zie BBVT, pag. 337; pomp bruikbaar als Penningmanometer f) Perbunan O-ringen, indium pakkingen. Messing, perspex, araldit. g) Zie BBVT, fig. 9.16. h) Viton of Kalrez O-ringen.
Uitwerking vraagstuk MV-2002-2 Onderdeel A
Uitspraaknr.
JA
1 2
NEE
Uitspraaknr.
x
14
x
3
15 x
NEE
JA
x x
16
x
4
x
17
5
x
18
x
19
x
6
x
x
7
x
20
x
8
x
21
x
9
x
22
10
x
23
11
x
24
12
x
13
x
25
x x x
x
Onderdeel B Uitspraak 6: Geleiding C voor helium groter dan voor stikstof. Dus "ophoping" helium in B. Conclusie: verhouding helium/stikstof in B groter dan in A. Uitspraak 8: Door gasinlaat via E wordt stikstofdruk boven de voorpomp 1,5x0,25 Pa = 0,375 Pa. 6 Gegeven: Compressieverhouding turbomoleculairpomp voor stikstof 10 . Dus stikstofdruk in B stijgt 6 -7 met 0,375/10 = 3,75x10 Pa. Uitspraak 12: Via lek zal helium de voorvacuümruimte binnentreden. Als gevolg van de lage kompressieverhouding van de turbomoleculairpomp voor helium zal dit helium naar B terug-lekken en door de RGA kunnen worden gedetecteerd. 6
Uitspraak 14: Compressieverhouding van turbomoleculairpomp voor zuurstof >10 , want zuurstof is zwaarder dan stikstof. Dus invloed van het luchtlek in voorvacuüm op zuurstofdruk in B is verwaarloosbaar. Uitspraak 17: Pirani is een warmtegeleidingsmanometer. Warmtegeleiding via gas bij lage druk is massa-afhankelijk.
Uitwerking vraagstuk MV-2002-3 Zie BBVT, hoofdstuk 7. Ionenbron maakt ionen d.m.v. elektronenbombardement. Massafilter scheidt ionen op m/e. Collector meet ionenstroom. Ter vergroting van de gevoeligheid: Elektronen-vermenigvuldiger versterkt stroom van ionen met een factor 105 à l06. Grote gevoeligheid, weinig weerstand tussen vacuümruimte en ionenbron, weinig materiaal en dus adsorptie-desorptie invloeden verwaarloosbaar. Primaire elektronen die op het rooster van de ionenbron vallen, kunnen hieruit Röntgenstraling vrijmaken. Deze Röntgenstraling kan in principe de collector bereiken en daaruit elektronen vrijmaken. In geval van een simpele Faraday-cup als collector is dit effect verwaarloosbaar t.o.v. de minimaal te meten druk. Bij toepassing van een elektronen-vermenigvuldiger valt de Röntgenstraling op de ingang van deze versterker en kan daar aanleiding geven tot de emissie van een elektron. Dit uitgezonden elektron kan niet worden onderscheiden van een opvallend positief ion en veroorzaakt daarmee een 'ruststroom'. Zodra de invallende ionenstroom klein wordt t.o.v. deze 'ruststroom', is de 'Röntgengrens' van de QRGA bereikt. Elektronen-vermenigvuldiger wordt 'off axis' of onder 90 graden t.o.v. de as van de analysator geplaatst. Voornaamste restgascomponent in een niet-uitgestookt systeem is water; dus pieken bij M/e = 18, 17, 16. Vooral waterstof (M/e=2) en enig CO (M/e=28) en CO2 (M/e=44). M/e = 28 en 32 vanwege het binnentreden van lucht via het lek.
Uitwerking vraagstuk MV-2002-4 a, b, c) d)
Zie BBVT, § 4.10.5 2
Totale kryo-oppervlak 2x10x12,5 = 250 cm 15 -10 24 Aantal stikstofmoleculen in 2 cm condenslaag: N = 10 x250x0,006/(3x10 ) = 5x10 25 -23 4 3 Dit correspondeert met pV = NkT = 2,5x10 x1,38x10 x293 Pa.m 3 Per chargewisseling wordt door kryopomp opgeslagen: 100x0,1 = 10 Pa.m 4 Aantal mogelijke chargewisselingen ca. 2x10 /10 = 2000 !!!
4
5
e)
Einddruk in werkruimte: 2x10 /0,1 = 2x10 Pa = 2 atmosfeer
f)
Overdrukventiel op kryopomp monteren.
