Cos'è l'analisi del gas e perché è necessaria?
Analisi dei gas a basse pressioni mediante spettrometria di massa
Le analisi dei gas a bassa pressione sono utili non solo quando si analizzano i gas residui provenienti da una pompa per vuoto, si verifica l'eventuale presenza di perdite in corrispondenza di un collegamento a flangia o nelle linee di alimentazione (aria compressa, acqua) sottovuoto. Queste sono inoltre essenziali nei più ampi campi delle applicazioni e dei processi nel campo della tecnologia del vuoto. Ad esempio, nell'analisi dei gas di processo utilizzati nell'applicazione di strati sottili di rivestimenti su substrati. L'apparecchiatura utilizzata per le analisi qualitative e/o quantitative dei gas comprende spettrometri di massa appositamente sviluppati di dimensioni estremamente ridotte che, come qualsiasi altro vacuometro, possono essere collegati direttamente al sistema per vuoto. Le loro dimensioni distinguono questi strumenti di misura da altri spettrometri di massa come quelli utilizzati per le analisi chimiche dei gas. Questi ultimi dispositivi sono poco adatti, ad esempio, per l'uso come unità di misurazione della pressione parziale, poiché sono troppo grandi, richiedono una linea di collegamento lunga alla camera per vuoto e non possono essere sottoposti a riscaldamento con la camera per vuoto stessa. L'investimento per uno spettrometro di massa analitico sarebbe ingiustamente notevole poiché, ad esempio, i requisiti sulla risoluzione sono molto meno stringenti per le misurazioni di pressione parziale. Si considera che la pressione parziale sia quella esercitata da un determinato tipo di gas all'interno di una miscela di gas. Il totale delle pressioni parziali di tutti i tipi di gas fornisce la pressione totale. La distinzione tra i vari tipi di gas si basa essenzialmente sulle loro masse molari. Lo scopo principale dell'analisi è quindi quello di registrare qualitativamente le frazioni di gas all'interno di un sistema per quanto riguarda le masse molari e determinare quantitativamente la quantità dei singoli tipi di gas associati ai vari numeri atomici.
I dispositivi di misurazione della pressione parziale comunemente utilizzati comprendono il sistema di misurazione adeguato (il sensore) e il dispositivo di controllo necessario per il suo funzionamento. Il sensore contiene la sorgente di ionizzazione, il sistema di separazione e la trappola ionica. La separazione di ioni che differiscono per massa e carica viene spesso effettuata utilizzando fenomeni che inducono la risonanza degli ioni nei campi elettrici e magnetici.
Rassegna storica degli spettrometri di massa
Dopo il primo tentativo di Thomson nel 1897 di determinare il rapporto tra carica e massa e/m per l'elettrone, c'è voluto un bel po' di tempo (negli anni '50) prima che un elevato numero di sistemi di analisi venisse utilizzato nella tecnologia del vuoto. Tra questi, Omegatron, Topatron e, infine, lo spettrometro di massa quadrupolare proposto da Paul e Steinwedel nel 1958 (vedere la Fig. 4.1). I primi utilizzi della spettrometria di massa nelle applicazioni della tecnologia di processo sottovuoto risalgono presumibilmente al lavoro di Backus negli anni 1943/44. Egli condusse studi presso i Laboratori radiografici dell'Università della California. Cercando di separare gli isotopi dell'uranio, utilizzò uno spettrometro di campo settoriale a 180° dopo Dempster (1918), da egli definito "analizzatore di vuoto". Anche oggi, negli Stati Uniti e nel Regno Unito viene spesso utilizzato un termine simile, vale a dire "analizzatore di gas residuo" (RGA), anziché "spettrometro di massa". Le applicazioni odierne nel monitoraggio dei processi si trovano soprattutto nel campo della produzione di componenti semiconduttori.
Fig. 4.1a Sensori TRANSPECTOR.
a: Sensore ad alte prestazioni con Channeltron
b: Sensore compatto con micro-piastra a canali
c: Sensore ad alte prestazioni con coppa Faraday
Fig. 4.1b Sensore TRANSPECTOR XPR
Inizialmente, le unità di controllo erano piuttosto complicate e prevedevano innumerevoli modalità di utilizzo. Spesso, solo i fisici erano in grado di gestirle e utilizzarle. Con l'introduzione dei PC, i requisiti relativi alle unità di controllo sono diventati sempre maggiori. Inizialmente, erano dotate di interfacce per il collegamento al computer. In seguito sono stati effettuati tentativi per dotare un PC di una scheda a circuito stampato di misurazione aggiuntiva per il funzionamento del sensore. I sensori odierni sono in effetti trasmettitori dotati di un'unità di alimentazione elettrica collegata direttamente lato atmosfera; la comunicazione con il PC da quel punto avviene tramite porte standard presenti sul computer. Il software in esecuzione sul PC consente la massima praticità d'uso.
Fondamenti della tecnologia del vuoto
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Riferimenti
- Simboli del vuoto
- Glossario delle unità
- Riferimenti e fonti
Simboli del vuoto
Glossario dei simboli comunemente utilizzati negli schemi della tecnologia del vuoto come rappresentazione visiva dei tipi di pompe e delle parti dei sistemi di pompaggio
Glossario delle unità
Panoramica delle unità di misura utilizzate nella tecnologia del vuoto e dell'importanza dei simboli, nonché degli equivalenti moderni delle unità storiche
Riferimenti e fonti
Riferimenti, fonti e ulteriori letture riguardanti la i fondamenti della tecnologia del vuoto
