Cursus Vacuümtechniek Week 6: Totale drukmeting II · Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 6 -2 Het...

1Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 6 -

Kenniscentrum MechatronicaEindhoven

Cursus VacuümtechniekWeek 6: Totale drukmeting II

2Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 6 -

Het waarom van drukmetingIn een te evacueren ruimte is de mogelijkheid tot drukmetingdrukmeting een essentiële noodzaak.

Ten eerste om tijdens het leegpompen te kunnen bepalen of het gebruikte pompsysteem naar behoren werkbehoren werktt.Ten tweede of de gewenste druk wordt bereiktbereikt en het systeem vrijvrij is van lekken en ongewenste is van lekken en ongewenste desorptiesdesorpties.

Daarnaast is bij experimenten in geëvacueerde ruimtes een vacuvacuüümbeveiligingmbeveiliging, die de druk in het systeem controleert en bij een eventuele calamiteit de meet- en vacuümapparatuur uitschakelt, in veel gevallen onontbeerlijk.

3Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 6 -

OpdrachtTeken in je opstelling (zie week 1) een aantal drukmeters, heb je die niet bij de hand, gebruik dan (ook) de figuur op de volgende dia, of de daarop volgende dia.Beschrijf van welk type ze zijn met de eigenschappen en drukbereik.Geef aan waaromwaarom ze gemonteerd zijn op de plaats waar te vinden zijn.Zijn er nog meer plaatsen te vinden waar een drukmeter gemonteerd zou moeten/kunnen worden ?

4Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 6 -

Vacuümsysteem ElektronenmicroscoopX

L40

TMP

vac

uum

con

figur

atio

n

5Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 6 -

IJkopstelling

6Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 6 -

IJkopstellingVacuum scheme of the used calibration system CS 1001:

P1: turbo molecular pump; P2, P4: rotary pump; P3: sputter ion pump; PG1: Bayard-Alpert gauge IE 414; PG2: spinning rotor gauge; PG3, PG4: Baratron gauges; PG5: diaphragm gauge PIEZOVAC; PG6: Pirani gauge THERMOVAC; TG: test gauge; V1-V8: valves, (V6: variable leak valve); AT: adsorption trap.

7Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 6 -

Drukmeters

directe drukmetersdirecte drukmeters

indirecte drukmetersindirecte drukmeters

absolute drukmetersabsolute drukmeters

8Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 6 -

Directe drukmeters(verplaatsing van een wand)

vaste wand vloeibare wand

membraan Bourdon radiometer

vloeistof manometer

compressiemanometer

capaciteitsmanometer

diafragma met rekstrookje

9Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 6 -

Knudsen manometerIn de KnudsenKnudsenmanomanometermeter, ook wel radiometervacuümmetergenoemd, wordt gebruik gemaakt van de temperatuurafhanketemperatuurafhanke--lijkheidlijkheid van de door een gas op de wand uitgeoefende drukdruk.

dT2

T1

p,T

p,T

12

De platen 1 en 2 met oppervlak A worden op temperatuur T1 resp. T2 gehouden. De temperatuur van het omgevingsgas is T. De afstand d tussen de platen is klein t.o.v. hun afmetingen (d2 << A) èn t.o.v. de vrije weglengte in het gas (d << λ)

Tussen de platen hebben we te doen met twee soorten moleculen: moleculen die gebotstgebotst hebben met plaat 1plaat 1 en op weg zijn naar plaat 2, èn moleculen die gebotst hebben met gebotst hebben met plaat 2plaat 2 en op weg zijn naar plaat 1. Bij botsing treedt temperatuuraccomtemperatuuraccommmodatieodatie op.

10Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 6 -

Knudsen manometer (vervolg)

dT2

T1

p,T

p,T

12

Botst een ““koudkoud”” molecuul met een warme wandmolecuul met een warme wanddan zal het molecuul energieenergie van de wand opneopne-menmen, de snelheid na botsing is dan grotergroter dan er voor. Botst omgekeerd een ““warmwarm”” molecuulmolecuulmet een koude wandmet een koude wand dan vindt warmtewarmte--afgifteafgifteplaats aan de wand en de thermische snelheidneemt af.

Dus op plaat 1 wordt van onderen druk uitgeoefendonderen druk uitgeoefend door moleculen met thermische snelheden corresponderend met T2 en van boven door moleculen corresponderend met snelheden T.

Is TT22 ≠≠ TT dan zal de impulsoverdracht resulteren in een nettonetto--kracht op plaat 1kracht op plaat 1. Idem voor plaat 2. De nettokracht op deze De nettokracht op deze platen hangt niet alleen af van platen hangt niet alleen af van ΔΔT maar ook van het aantal en T maar ook van het aantal en de massa van de gasmoleculen.de massa van de gasmoleculen.

11Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 6 -

Knudsen manometer (slot)Schematische weergave van een Knudsen manometerA en A - vaste verwarmde platenB - draaibaar raamC - dunne ophangdraadS - spiegel.

12Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 6 -

Toepassing bij KnudsenmanometerOefening 1.18*Oefening 1.18*

Een dunne vlakke plaat met een oppervlak van 10-2 m2 is horizontaal opgehangen aan een veer (veerconstante 2 N/m) zodanig dat deze vlak boven en evenwijdig aan een vaste plaat hangt. Beide platen zijn eerst op 300 K. De ruimte waarin de opstelling is geplaatst wordt geëvacueerd naar 10-2 Pa. Vervolgens wordt de vaste plaat verwarmd tot 400 K. Neem voor het gemak Neem voor het gemak aan, dat hierdoor de dichtheid tussen de platen niet wijzigt.aan, dat hierdoor de dichtheid tussen de platen niet wijzigt.

Bereken de lengteverandering die de veer ondergaat.Wat wordt de lengteverandering als de druk een factor 2 wordt verhoogd?

13Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 6 -

Oefening 1.18*Aanname: λ >> afstand tussen platen

2

1122211 T

Tnnvnvn =⇒∗=∗

Druk die van onderen op plaat 1 wordt uitgeoefend:

Neem voor het gemak aan, dat de dichtheid Neem voor het gemak aan, dat de dichtheid tussen de platen niet wijzigttussen de platen niet wijzigt::

31823

2

1

2

1111

104230010381

10

1

2

−−

−

⋅=⋅

==

⋅

+

==

m,x,kT

pn

kT

TT

nkTnp

p1 = 1,243.10-2 Pa

14Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 6 -

Opgave 1.18*

p1 = 1,243.10-2 Pa

nettokracht naar boven:Fnetto = Δp.A = 0,243.10-2x10-2 = 0,243.10-4 N

Dus veer wordt:0,243.10-4/2 = 0,12.10-4 m = 12 μm korter

druk 2x zo groot: dichtheid 2x

p1 wordt 2x zo groot

veer wordt 24 μm korter

veerconstante

15Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 6 -

Indirecte drukmeters(meting van gaseigenschap)

impulsoverdracht(viscositeit)

opwekken van lading(ionisatie)

energie-overdracht(warmtegeleiding)

quartz rotatie

hete kathode koude kathode

thermokoppel Pirani thermistor

triode Bayard-Alpert Shultz-Phelps

Penning (geïnverteerd) magnetron

16Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 6 -

Absolute drukmetersOnder een absolute drukmeterabsolute drukmeter wordt verstaan een drukmeter waarvan de meterconstantemeterconstante (= factor tussen druk en aanwijzing) bekendbekend is of eenvoudigeenvoudigkan worden berekendberekend; drukmeting is dan mogelijk drukmeting is dan mogelijk zonder voorafgaand ijkenzonder voorafgaand ijken. Instrumenten met deze eigenschap zijn per definitie te karakteriseren als primaire standaardprimaire standaard. Tot deze categorie behoren in strikte zin slechts een drietal drukmeetsystemen, namelijk:

de UU--buis manometerbuis manometer,de McLeod manometerMcLeod manometer,de Knudsen manometerKnudsen manometer.

17Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 6 -

Overzicht te behandelen drukmeters

18Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 6 -

IonisatiemanometersEnergieniveaus

Eerste ionisatiepotentiaal

Aangeslagen toestand 2

Aangeslagen toestand 1

Grondtoestand

19Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 6 -

Principe-schets van ionisatiemanometer

20Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 6 -

Meetprincipe ionisatiemanometerBij voldoende lage druk is de ionenstroom i+ op de collector Cevenredig met de gasdichtheid n en de elektronenstroom i-

waaruit met de ideale gaswet p = nkT volgt :

De 'constante' C staat bekend onder de naam buisfactorbuisfactorDe drukschaal van een ionisatiemanometer is dus alleen geldig bij de temperatuur T waarbij de ijking heeft plaatsgevonden! Bij iedere andere temperatuur T ' wordt de heersende druk p' gevonden door de afgelezen drukwaarde p te corrigeren volgens :

!

21Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 6 -

*Buisfactor C*

22Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 6 -

Begrenzingen ionisatiemanometer (1)Hogedruk kant:Hogedruk kant: De buisfactor zal drukonafhankelijk blijven zolang de bijdrage aan secundaire elektronen klein blijft t.o.v.het aantal primaire elektronen, oftewel:

Een goed geconstrueerde meetcel bezit voor stikstof een buisfactor in de orde van 0,1 Pa-1. Dit betekent dat in het geval van stikstof de druk p << 10 Pa moet zijn omgeen last te hebben van de secundaire elektronen. De figuur hiernaast toont als voorbeeld deexperimenteel bepaalde C-curve van een ionisatiemanometer voor argon uitgezet tegen de druk.

23Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 6 -

Begrenzingen ionisatiemanometer (2)Lagedruk kant:Lagedruk kant: het meetbereik wordt begrensd door een tweetal neveneffectentweetal neveneffecten die beide worden veroorzaakt door de inslag van de elektroneninslag van de elektronen op het rooster en de daarbij optredende energie-overdracht aan de vaste stof.

+

24Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 6 -

Kenniscentrum MechatronicaEindhoven

Cursus VacuümtechniekWeek 6: Totale drukmeting II

25Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 6 -

Principe ionisatiemanometer

26Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 6 -

collector

gloeidraad of kathode

rooster of anode

tweede gloeidraad

geleidend omhulsel

Ionisatiemanometer (Bayard-Alpert)

27Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 6 -

Plaats gloeidraad (= filament)

28Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 6 -

Elektronenbanen in IM (B&A)

29Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 6 -

Elektronen- en ionenbanen in aangepaste BAI

30Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 6 -

Voorbeeld Bayard-Alpert

31Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 6 -

Configuratie Schulz-Phelps manometerIonisatiemanometer voor hogere drukken (10-4 < p < 10 Pa)Afgelegde weg elektronen is klein

C A

32Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 6 -

Problemen in de ionisatiemanometerTeneinde de invloed van thermothermo--chemische processenchemische processen en de daaraan verbonden chemische pompwerkingpompwerking zo klein mogelijk te houden, dient steeds met een zo laaglaag mogelijkemogelijke gloeidraadtem-peratuur en emissiestroom i- te worden gewerkt en gebruik bij (te) hoge drukken te worden vermeden.Chemische effecten kunnen worden verminderd door de relatief goedkope wolfraamkathode te vervangen door een resistenterresistenter en toch als gloeidraad goed geschikt materiaal, zoals gethorieerdgethorieerdiridiumiridium, rheniumrhenium of platinaplatina. Ook het impregnerenimpregneren//coatencoaten vanwolfraam met een materiaal met lagelage werkfunctiewerkfunctie is een goede oplossing.Bij nauwe verbindingen tussen meetbuis en vacuümruimte is de invloed van ionenpompwerkingionenpompwerking, chemischechemische eeffffectenecten en oliekraakprocessenoliekraakprocessen het grootst. Daarom dient bij voorkeur met een wijdewijde verbindingverbinding te worden gewerkt of liever nog een inbouwtypeinbouwtype meetbuis te worden gebruikt (BlearseffectBlearseffect).

33Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 6 -

Pompwerking ionisatiemanometer

34Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 6 -

Processen aan en invloed van hete gloeidraad

35Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 6 -

Voordelen IM met hete gloeidraadLineariteitLineariteit over een groot drukgebied (ca. 9 decades)Snelle aanwijzing Snelle aanwijzing (relatief 'simpele' stroomversterking)Kleine afmetingenKleine afmetingen; conguratie geschikt voor inbouwGoed te ontgassenGoed te ontgassen

36Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 6 -

Voordelen IM met hete gloeidraadMeetbuis is niet robuustniet robuust te noemen; kwetsbare kwetsbare gloeidraadgloeidraadGevoeligheid gassoortafhankelijkgassoortafhankelijkIonenpompwerkingIonenpompwerking; ionen worden ingevangen in de collector en 'verpompt'Chemische eChemische effffectenecten aan de hete gloeidraad en chemische pompwerkingchemische pompwerkingGevoelige versterkers nodigGevoelige versterkers nodig; meting van kleine ionenstromen (10-11 - 10-14 A); elektronenstroom-stabilisatie en gloeidraadbeveiliginggloeidraadbeveiliging noodzakelijkDoorhangenDoorhangen gloeidraadgloeidraad veroorzaakt veranderende gevoeligheid

37Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 6 -

Principe zelfstandige ontlading

38Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 6 -

Animatie IM met koude kathode

39Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 6 -

Paschen-kromme

40Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 6 -

Profielschets Penningcel

41Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 6 -

Animatie Penning-manometer

42Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 6 -

Voor- en nadelen IM met koude kathodeVoordelenVoordelen

Robuust, geen gloeidraad, bedrijfszekerEenvoudige constructie, voeding en metingMeetcel blijft op kamertemperatuur; doorgaans geen ontgassing nodig

NadelenNadelenOntladingsstroom niet lineair met de drukGevoeligheid gassoortafhankelijkMeetcel met magneet relatief zwaar en omvangrijkConguratie met magneet niet geschikt voor inbouw; extra weerstand i.v.m. gesloten elektrodeconguratieMagnetisch strooiveldVooral bij lage druk moeilijk te startenZeer slecht reproduceerbaar als gevolg van getterionenpompwerking en verontreiniging; herinneringseffecten

43Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 6 -

Geïnverteerd magnetron

44Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 6 -

Opengewerkt geïnverteerd magnetron

45Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 6 -

Correctiefactoren gassen

correctiefactorgas

StikstofHeliumNeonArgonWaterstofKoolmonoxide COKwik

16,94,40,82,40,90,3

46Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 6 -

47Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 6 -

Drukbereiken vacuümmeters

105

102

10-1

10-4

10-7

p [P

a]

E

A

D

B C

F

H

L

K

IG

J

Overzicht drukmetersA U-buisB BourdonC membraanmanometerD Mc LeodE capaciteitsmanometer

(diverse uitvoeringen, meetbereik maximaal 5 decades)

F wrijvingsmanometerG klassieke PiraniH verfijnde PiraniI thermokoppelJ PenningK Schulz-Phelps IML Bayard&Alpert IM