Přednáška 11
Měření průtoku a parciálních tlaků, Hledání netěsností vakuových soustav, Vakuové spoje a těsnění
Martin Kormunda
Měření průtoku ●
pracujeme s ● ●
●
plyny páry – pozor kondenzují – nutné vyhřívané vedení a měřidla
jak měřit a řídit průtok ●
jednoduše – jehlový ventil – nutnost ruční regulace
●
sofistikovaně – elektronický průtokoměr s regulací
Martin Kormunda
Ventily ●
Hlavní funkce ● ●
●
●
řízení průtoku plynů pro dosažení vhodného parciálního tlaku umožnění přesunu objektů (vzorků) mezi komorami
Vždy obsahují těsnění ●
●
oddělení vakuových komor od vývěv
O-kroužky (různé materiály), membrány, kov-břit, měkký kov-safír
Ovládání ●
ruční, elektrické, pneumatické Martin Kormunda
Jehlový ventil ●
Průtoky od 1 do 1000 sccm (typicky)
●
Zdrojový tlak až 10 barů
●
Problém: ● ●
●
standardně není možné kompletní uzavření pro kompletní uzavření nutné silné dotažení – postupné zničení jehly omezené vypékání – často používají Teflon
Martin Kormunda
Jehlový ventil
Martin Kormunda http://www.pneumadyne.com/documents/PDFs/PDF_Cross_Section_Needle.pdf
Leak valve – safírový ventil ●
těsnění dosedáním hliníku na leštěný safír
Martin Kormunda
Gate ventil ●
●
vhodný mezi komory nebo mezi komoru a vývěvu pozor Viton kroužek – vypékat otevřené
Martin Kormunda
Motýlkový ventil ●
umožňuje také řízení průtoku
●
vhodný mezi komoru a vývěvu
●
těsnění O-kroužek
Martin Kormunda
Ovladač vodivosti otvoru ●
●
složitější „motýlkový“ ventil pro řízení průtoku při menším narušení směru průtoku plynu vhodný mezi komoru a vývěvu
Martin Kormunda
Kulový ventil ●
levný
●
obsahuje dva Teflonové kroužky (obvykle)
Martin Kormunda
Řízení průtoku elektronicky ● ●
● ●
nejčastější konstrukce thermal-based existují s vnitřním těsněním kov/kov nebo polymer/kov vyhřívání na různé teploty podle aplikace počátky od 1914 - L.V. King zařízení známé jako hot-wire anemometer
●
moderní řešení od 70. let
●
obvykle široká možnost volby přírub Martin Kormunda
Princip ●
ochlazování senzoru tokem plynu v odbočce
●
hodnota závisí na druhu plynu
●
elmag. ventil pro řízení
●
MKS 1176 od cca 2 sccm
Martin Kormunda
Příklady
Martin Kormunda
Řízení průtoku elektronicky ●
pro páry někdy vhodné pressure-based
●
nevýhodou je cena – uvnitř je tlakoměr
●
vhodný zejména pro metalorganika v CVD
●
Martin Kormunda
Princip Může pracovat s párami o nízkém tlaku Systém funguje na základě rozdílu tlaků mezi místy 16 a 18 způsobené škrcením v místě 14. 20 je měření tlaku u MKS je to vlastně vestavěná kapacitní membránová měrka Baratron - drahé Martin Kormunda
Shrnutí ●
●
●
do vakuové komory tedy umíme napouštět plyn a páry a dokonce měřit jejich množství jako pV proud Ale jaký bude celkový tlak, tedy rovnovážný stav mezi napouštěním a čerpáním? Jaké budou parciální tlaky jednotlivých plynů?
Martin Kormunda
Parciální tlaky ●
●
●
jak víme celkový tlak v systému je tvořen součtem parciálních složek měření parciálních tlaků znamená rozdělení molekul plynu podle hmotnosti to umíme snadno s ionty nikoliv s neutrálními částicemi = analýza RGA
Martin Kormunda
Zbytkový plyn v komoře ●
příklad při čerpání turbomolekulární vývěvou
●
ideálně 90 až 95 % je vodík
Martin Kormunda
RGA ● ●
hmotnostní spektrometrie neutrály převedeme na ionty a rozdělíme podle m/q a detekujeme
Martin Kormunda
Kvadrupol ●
separace iontů podle m/q
Martin Kormunda
Detektor ●
obvykle jedna z možností níže
Martin Kormunda
Ionizace
Martin Kormunda
Ale m/q se překrývají
Martin Kormunda
A různá ionty mají různé citlivostní faktory ●
●
takže je nutné sepsat a řešit soustavu rovnic pro zjištění opravdového složení plynu část tabulky citlivostních faktorů
Martin Kormunda
Netěsnosti ●
●
●
Jak již víme netěsnosti zhoršují mezní tlak vakuového systému. Jejich vliv lze omezit zvýšením čerpací rychlosti vývěvy, ale to samozřejmě je omezené a nákladné Lepší cesta je netěsnosti odstranit, ale to je musíme nejprve najít.
Martin Kormunda
Hledání netěsností ●
Druhy ●
v odpojitelných částech – těsnění, příruby, hadice
●
v pevných částech – svary,
●
skrze póry – např. v ohybech nebo vyhřátý rekrystalizovaných oblastech, pozor na „prošoupaná“ místa u pohyblivých dílů
●
virtuální – vzduchové kapsy uvnitř systému
●
nepřímé – v rozvodu chladící vody v komoře, ..
Martin Kormunda
Úkoly a postupy ●
●
Úkoly ●
najít netěsnosti
●
změřit jejich velikost
Postupy ●
●
●
vakuové testy (uvnitř dílu – komory je nižší tlak než vně) přetlakové testy (uvnitř dílu je tlak vyšší než vně)
Vhodné je testovat díly tak, jak budou Martin Kormunda používány.
Růst tlaku ●
jednoduchá metoda – sledujeme tlak v systému s časem
Martin Kormunda
Vliv netěsnosti na mezní tlak
Martin Kormunda
Úprava postupu ●
●
●
pro zlepšení lze postupně na komoru stříkat látku s vyšším citlivostním faktorem než vzduch vyvolá větší odezvu na měrce s různými citlivostními faktory pro různé plyny vhodný je např. alkohol (isopropanol)
Martin Kormunda
Bublinkový namáčivý test ●
vhodný na přetlakové díly – např. rozvody plynu
●
díly ponoříme do vody
●
sledujeme vznik bublin – místa netěsností
●
vhodné pro rozvody chladících plynů
Martin Kormunda
Bublinkový mýdlový test ●
●
použijeme mýdlový roztok, kterým natíráme nebo stříkáme postupně natlakované díly sledujeme vznik bublin – místa netěsností
Martin Kormunda
Další metody ●
●
ještě existují postupy využívající Krypton 85, chemické látky jako amoniak a další nicméně asi nejrozšířenější technikou současnosti a to zejména pro malé netěsnosti, kde dříve uvedené postupy nebudou účinné je použití heliového hledače.
Martin Kormunda
Héliový hledač ●
●
●
princip je jednoduchý – z vnějšku vakuové komory aplikujeme plyn, který je netěsností nasán dovnitř komory a tam měřícím přístrojem detekován vhodný plyn – Helium – neškodné, malé molekuly, v běžném vzduchu a tedy i zbytkové atmosféře komory je ho normálně málo – snadné odlišení vnějšího zdroje lze realizovat i pomocí RGA analyzátoru Martin Kormunda
He hledače ●
●
starší typ používá separaci iontů pomocí magnetrické pole – + umí detekovat jen He novější má vestavěný kvadrupolový RGA (dražší)
Martin Kormunda
Připojení He hledače
Martin Kormunda
Připojení He hledače
Martin Kormunda
Poznámky ●
●
pozor na časovou konstantu – lze spočítat jak dlouho bude trvat He dostat se na detektor – může to být i minuta – testovat pomalu pozor na velké množství He – pak nutno čekat na odčerpání a vyvětrat místnost
●
některé vývěvy čerpají He špatně – Ti iontová
●
He stoupá vzhůru – testujeme od shora dolů
Martin Kormunda
Vakuové spoje ●
druhy ●
rozebiratelné – příruby a těsnění
●
pevné – svary, lepené spoje, ..
Martin Kormunda
Nejběžnější druhy rozebiratelných spojů ●
●
pro vakuum ●
KF
●
ISO
●
CF
pro přetlakové spoje nebo vakuum ●
pro rozvody plynů typ Swagelok
Martin Kormunda
Vakuové spoje ●
důležité otázky pro volbu ●
Jak často je bude spoj rozebírat?
●
Jak dobře musí těsnit, ultravakuum?
●
Nelze spoj nahradit svarem?
Martin Kormunda
Systém KF ●
těsnící materiál – elastomer/kov (různé druhy elastomerů podle chemických vlastností
●
přítlak pomocí spony bez možnosti regulace
●
nevhodné pro vysoké a lepší vakuum
●
omezené možnosti vypékání
●
označení např. DN63KF
●
díly z nerezu nebo duralu
Martin Kormunda
Systém KF
Martin Kormunda
Systém ISO ●
těsnění jako KF, ale kovový kroužek má jiný tvar
●
přítlak pomocí svorek
●
existuje i provedení se šrouby, ale je řídké
●
označení např. DN63ISO
●
díly z nerezu nebo duralu
Martin Kormunda
Systém ISO
Martin Kormunda
Systém CF ●
●
těsnění měkký kov/kov – obvykle kroužek z Cu na jedno použití – větší průměry jsou poměrně drahé – označení např. DN63CF pozor na poškození břitu – pak není spoj již těsný
●
vhodně pro vysoké a lepší vakuum
●
lze vypékat
●
●
přítlak pomocí šroubů – předepsaný utahovací moment Martin Kormunda existují i elasteromerová těsnění pro CF !!
Systém CF
Martin Kormunda
Poznámka k CF ●
●
●
●
existují i díly z duralu, pak se musí použít i Al těsnění pro často vypékané systémy existují Cu těsnění povlakované stříbrem nebo zlatem pro korozivní prostření lze použít niklové těsnění pozor existují palcové a metrické rozměry a šrouby - nezaměnit Martin Kormunda
Rozvody plynů ●
spoje typu Swagelok
●
těsněná kov/kov na kuželové ploše
●
nejčastěji používaný průměr trubek je 6 mm
●
●
pozor na předepsaný postup utahování – nebo používat měrku pozor existuje palcový a metrický systém nekompatibilní
Martin Kormunda
Swagelok
Martin Kormunda
Dodatek ●
existují i další systém těsnění vysokotlakých rozvodů např. VCR, VCO
Martin Kormunda
Literatura ● ●
http://www.lesker.com/
Leybold, Fundamental of Vacuum Technology, např. ale existují i aktualizovaná vydání http://www.metrovac.eu/Publicacoes/assets/Vacuum
●
Martin Kormunda
