Cara mencapai dan mempertahankan tingkat UHV dan XHV 22 Desember 2020
5 MIN READ
Spektroskopi memerlukan tekanan antara 10-6 dan 10-9 mbar, yang didefinisikan sebagai Ultra High Vacuum (UHV), untuk beroperasi secara efektif. Proses lain yang memerlukan tingkat vakum ini adalah Atomic Layer Deposition. Untuk akselerator partikel seperti Large Hadron Collider, bagian tertentu dari sistem memerlukan tekanan yang lebih rendah antara 10 -9 dan 10 -12 mbar, yang disebut sebagai Extreme High Vacuum (XHV).
Untuk mencapai tingkat vakum tersebut tidak hanya memerlukan kereta pemompaan yang tepat, tetapi juga teknik pengukuran tekanan yang akurat. Selain itu, pilihan bahan untuk sistem vakum sangat penting. Seperti yang akan kita lihat, mempertahankan tekanan rendah ini memerlukan analisis sistem vakum yang terperinci.
Sistem pompa vakum untuk vakum ultra tinggi dan ekstrem tinggi
Seperti halnya kebutuhan vakum tinggi, kombinasi pompa vakum awal dan vakum tinggi diperlukan. Pompa vakum kering sangat penting untuk aplikasi UHV dan XHV. Pompa pilihan adalah pompa gulir, pompa sekrup, dan pompa cadangan multi-tahap. Pilihan akhir akan tergantung pada persyaratan kecepatan pemompaan.
Untuk mencapai UHV, TMP dengan tahap drag untuk memompa gas ringan adalah pilihan umum. Namun, seperti yang akan kita lihat nanti, kecepatan pemompaan tinggi untuk uap air sering dibutuhkan dan di sini pompa kriogenik akan menjadi kandidat yang baik. Pompa tambahan mungkin diperlukan jika getaran menjadi masalah, seperti analisis permukaan. Di sini, pompa ion digunakan secara rutin karena tidak memiliki komponen bergerak. Selain itu, penambahan teknologi ini ke rangkaian pompa secara rutin digunakan dalam aplikasi XHV.
Ketika tekanan di dalam badan pompa berada pada 10-4 mbar atau lebih baik, tegangan tinggi diterapkan ke elektroda Titanium yang mengakibatkan pelepasan elektron. Magnet kuat, biasanya 1200 Gauss, menarik dan mempertahankan elektron-elektron ini di dalam cincin anoda sebagai plasma.
Gas residu dalam rakitan anoda akan bertabrakan dengan elektron bebas ini. Sebagai hasil dari interaksi ini, elektron dihilangkan dari cangkang valensi elemen dan molekul gas. Spesies gas positif yang dihasilkan diusir dari anoda positif ke pelat katoda Titanium.
Ketika ion gas positif bertabrakan dengan katode, sebagian titanium tersemprot dari permukaannya. Spesies gas kemudian bereaksi secara kimia dan fisik dengan titanium dan terperangkap, sehingga memberikan mekanisme pemompaan yang mirip dengan pompa kriogenik.
Pengukur untuk mengukur vakum ultra tinggi dan ekstrem tinggi
Pengukur penning (katoda dingin) dan pengukur ion (katoda panas) akan mengukur ke dalam wilayah UHV, tetapi pengukur ion menawarkan sensitivitas tertinggi, yaitu 10-11 mbar.
Ilustrasi pengukur ion ditampilkan di bawah ini:
Pengukur ionisasi "Hot Cathode"
Pengukur ionisasi katoda panas memulai aliran elektron konstan dari katoda pemanasan (sumber elektron) ke anoda (drain elektron). Elektron-elektron ini membentur jumlah molekul gas yang bergantung pada tekanan, yang menjadi ion positif. Hal ini menyebabkan arus terkait tekanan mendaftar pada kolektor ion.
Selain itu, batas bawah pengukur ionisasi katoda panas disebabkan oleh faktor sinar-X. Elektron yang dipancarkan dari dampak katoda pada anoda, menyebabkan pelepasan foton (sinar-X lembut) yang memicu elektron dipancarkan dari permukaan kolektor ion, menyebabkan arus offset. Untuk mengatasi hal ini, sistem "extractor" telah dikembangkan yang mengurangi efek sinar X dengan melindungi kolektor ion. Sistem ekstraktor, dengan memfokuskan ion positif, menjaga arus ion pada tingkat yang dapat diterima dan, sebagai hasilnya, memperluas rentang pengukuran melampaui 10-12 mbar.
Segel cocok untuk UHV dan XHV
Untuk aplikasi vakum tinggi, yaitu 10-3 hingga 10-6 mbar, seal O-ring polimer dan karet bekerja dengan memuaskan. Namun, untuk proses UHV dan XHV, laju permeasinya terlalu tinggi. Oleh karena itu, segel gasket logam harus digunakan. Gasket tembaga adalah bahan yang paling umum, meskipun Indium dapat digunakan. Keuntungan tambahan dari segel logam adalah kemampuannya untuk mempertahankan integritas vakum hingga 450° C. Hal ini, seperti yang akan kita lihat, penting saat mempertimbangkan degassing. Berbeda dengan seal O-ring, yang dapat rusak dan dibuat berulang kali tanpa masalah, jika gasket logam perlu rusak, gasket tersebut tidak dapat digunakan kembali.
Degassing pada tingkat vakum ultra tinggi dan ekstrem tinggi
Degassing adalah salah satu hambatan utama dalam mencapai dan mempertahankan tingkat vakum di bawah 10-6 mbar.
Penyebab utamanya adalah uap air, tetapi jika suatu proses memasukkan spesies organik yang mudah menguap, maka spesies ini juga perlu diatasi. Untuk meminimalkan adsorpsi uap yang kemudian perlahan-lahan menghilangkan gas, penting untuk mempertimbangkan dan mengikuti pedoman berikut:
- meminimalkan area permukaan internal ruang
- las hanya dari dalam
- menggunakan bahan dengan laju desorpsi/outgassing rendah
- pra-perlakukan bahan dengan tepat (misalnya elektropolesan)
- pastikan tidak ada celah internal atau volume yang tersangkut (misalnya lubang buta yang diusap)
- mengurangi jumlah segel, feedthrough, dll.
- menggunakan pemanasan jejak untuk meningkatkan laju degassing yang dimungkinkan saat menggunakan segel logam
Deteksi kebocoran dalam kondisi UHV dan XHV
Untuk mempertahankan tingkat vakum UHV dan XHV, laju kebocoran kurang dari 10-7 mbar l/s diperlukan. Helium Leak Detector menawarkan solusi paling praktis untuk mengukur nilai-nilai ini secara andal.
Metode deteksi kebocoran lokal seperti yang ditunjukkan di bawah ini dapat mengukur laju kebocoran hingga 10-12 mbar.
Metode Vakum - Sesuai dengan DIN EN 1779 A3
- Saat memilih sistem pompa, pertimbangkan tingkat vakum yang tepat dan apakah getaran merupakan masalah
- Untuk aplikasi yang sensitif terhadap getaran atau di mana XHV diperlukan, penambahan pompa ion adalah pilihan yang baik
- Pengukur ion panas adalah pilihan umum untuk pengukuran tekanan yang akurat dan andal di wilayah UHV
- Pengukur ekstraktor adalah tipe yang disukai di wilayah XHV
- Meminimalkan degassing sangat penting dan pilihan bahan dan desain sistem sangat penting
- Penggunaan Helium Leak Detector sangat penting untuk mempertahankan vakum yang andal
High, Ultra-high & Extreme High Vacuum: dasar-dasarnya
Unduh eBook kami untuk memahami tantangan yang terkait dengan pencapaian dan bekerja dengan vakum tinggi, ultra-tinggi, atau ekstrem tinggi, serta apa yang perlu dipertimbangkan.
