Cursus Vacuümtechniek Week 6: Totale drukmeting II · Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 6 -2 Het waarom van drukmeting QIn een te evacueren ruimte is de mogelijkheid tot drukmeting

1Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 6 -

Kenniscentrum MechatronicaEindhoven

Cursus VacuümtechniekWeek 6: Totale drukmeting II


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.


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 ?


Vacuümsysteem ElektronenmicroscoopX

L40

TMP

vac

uum

con

figur

atio

n


IJkopstelling


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.


Drukmeters

directe drukmetersdirecte drukmeters

indirecte drukmetersindirecte drukmeters

absolute drukmetersabsolute drukmeters


Directe drukmeters(verplaatsing van een wand)

vaste wand vloeibare wand

membraan Bourdon radiometer

vloeistof manometer

compressiemanometer

capaciteitsmanometer

diafragma met rekstrookje


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.


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.


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


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?


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


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


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


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.


Overzicht te behandelen drukmeters


IonisatiemanometersEnergieniveaus

Eerste ionisatiepotentiaal

Aangeslagen toestand 2

Aangeslagen toestand 1

Grondtoestand


Principe-schets van ionisatiemanometer


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 :

!


*Buisfactor C*


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.


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.

+


Kenniscentrum MechatronicaEindhoven

Cursus VacuümtechniekWeek 6: Totale drukmeting II


Principe ionisatiemanometer


collector

gloeidraad of kathode

rooster of anode

tweede gloeidraad

geleidend omhulsel

Ionisatiemanometer (Bayard-Alpert)


Plaats gloeidraad (= filament)


Elektronenbanen in IM (B&A)


Elektronen- en ionenbanen in aangepaste BAI


Voorbeeld Bayard-Alpert


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

C A


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).


Pompwerking ionisatiemanometer


Processen aan en invloed van hete gloeidraad


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


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


Principe zelfstandige ontlading


Animatie IM met koude kathode


Paschen-kromme


Profielschets Penningcel


Animatie Penning-manometer


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


Geïnverteerd magnetron


Opengewerkt geïnverteerd magnetron


Correctiefactoren gassen

correctiefactorgas

StikstofHeliumNeonArgonWaterstofKoolmonoxide COKwik

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



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

Documents

Cursus Vacuümtechniek Week 6: Totale drukmeting II · Cursus Hogere Vacuümtechniek Week 6 -2 Het waarom van drukmeting QIn een te evacueren ruimte is de mogelijkheid tot drukmeting