Wat is gasanalyse en waarom is het nodig?
Analyse van gas bij lage druk met massaspectrometrie
Analyses van gassen bij lage druk zijn niet alleen nuttig bij het analyseren van de restgassen van een vacuümpomp, het testen op lekkage bij een flensverbinding of voor toevoerleidingen (perslucht, water) in een vacuüm. Ze zijn ook essentieel op het bredere gebied van vacuümtechnologietoepassingen en -processen. Bijvoorbeeld bij de analyse van procesgassen die worden gebruikt bij het aanbrengen van dunne lagen coatings op substraten. De apparatuur die wordt gebruikt voor kwalitatieve en/of kwantitatieve analyses van gassen omvat speciaal ontwikkelde massaspectrometers met extreem kleine afmetingen die, net als elke andere vacuümmeter, rechtstreeks op het vacuümsysteem kunnen worden aangesloten. Door hun grootte onderscheiden deze meetinstrumenten zich van andere massaspectrometers, zoals die voor de chemische analyse van gassen. De laatste apparaten zijn bijvoorbeeld slecht geschikt voor gebruik als deeldrukmeeteenheden, omdat ze te groot zijn, een lange aansluitleiding naar de vacuümkamer vereisen en niet met de vacuümkamer zelf kunnen worden uitgebakken. De investering in een analytische massaspectrometer zou onterecht groot zijn, omdat bijvoorbeeld de vereisten voor de resolutie veel minder streng zijn voor deeldrukmetingen. Onder gedeeltelijke druk wordt verstaan de druk die wordt uitgeoefend door een bepaald type gas in een gasmengsel. De som van de deeldrukken voor alle gassoorten geeft de totale druk. Het onderscheid tussen de verschillende soorten gassen is voornamelijk gebaseerd op hun molaire massa's. Het voornaamste doel van de analyse is dus om kwalitatief de verhoudingen van het gas in een systeem met betrekking tot de molaire massa's te registreren en kwantitatief de hoeveelheid van de afzonderlijke soorten gassen te bepalen die aan de verschillende atomaire getallen zijn gekoppeld.
Meetinstrumenten voor gedeeltelijke druk die gemeenschappelijk worden gebruikt, omvatten het meetsysteem zelf (de sensor) en het regelapparaat dat nodig is voor de werking ervan. De sensor bevat de ionenbron, het scheidingssysteem en de ionenvanger. De scheiding van ionen met verschillende massa's en ladingen gebeurt vaak door gebruik te maken van fenomenen die ervoor zorgen dat de ionen resoneren in elektrische en magnetische velden.
Een historisch overzicht van massaspectrometers
Na de eerste poging van Thomson in 1897 om de verhouding tussen lading en massa e/m voor het elektron te bepalen, duurde het nog lang (tot de jaren 1950) voordat een groot aantal en verschillende analysesystemen in de vacuümtechnologie werden gebruikt. Deze omvatten de Omegatron, de Topatron en uiteindelijk de quadrupole massaspectrometer die Paul en Steinwedel in 1958 voorstelden (zie afb. 4,1). Het eerste gebruik van massaspectrometrie in toepassingen van vacuümondersteunde procestechniek dateert vermoedelijk van het werk van Backus in de jaren 1943 / 44. Hij voerde studies uit in de radiografische laboratoria van de University of California. Om uraniumisotopen te scheiden, gebruikte hij een 180° sectorveldspectrometer na Dempster (1918), die hij een 'vacuümanalyser' noemde. Zelfs vandaag de dag wordt in de VS en het VK vaak een soortgelijke term gebruikt, namelijk de 'residual gas analyzer' (RGA) in plaats van de 'massaspectrometer'. De huidige toepassingen in de procesbewaking zijn vooral terug te vinden in de productie van halfgeleidercomponenten.
Afb. 4.1a TRANSPECTOR-sensoren.
a: Hoogwaardige sensor met Channeltron
b: Compacte sensor met microkanaalplaat
c: Hoogwaardige sensor met Faraday-cup
Afb. 4.1b TRANSPECTOR XPR-sensor
Aanvankelijk waren de regeleenheden vrij onhandig en bood ze talloze manipulatiemogelijkheden. Vaak konden alleen natuurkundigen ermee omgaan en ze gebruiken. Met de introductie van pc's werden de eisen aan de regeleenheden steeds hoger. Aanvankelijk werden ze voorzien van interfaces voor koppeling met de computer. Later werd geprobeerd om een PC uit te rusten met een extra meetprintplaat voor de sensorwerking. Moderne sensoren zijn in feite transmitters die zijn uitgerust met een elektrische voedingseenheid die direct aan de atmosfeerzijde is bevestigd; de communicatie met een PC vanaf dat punt gebeurt via standaard computerpoorten. Het bedieningscomfort wordt gerealiseerd door de software die op de PC draait.
Grondbeginselen van vacuümtechnologie
Download ons eBook 'Grondbeginselen van vacuümtechnologie' om de basisprincipes en processen van vacuümpompen te ontdekken.
Referenties
- Vacuümsymbolen
- Verklarende woordenlijst
- Referenties en bronnen
Vacuümsymbolen
Vacuümsymbolen
Een woordenlijst van symbolen die vaak worden gebruikt in vacuümtechnologieschema's als visuele weergave van pomptypen en onderdelen in pompsystemen
Verklarende woordenlijst
Verklarende woordenlijst
Een overzicht van de meeteenheden die in vacuümtechnologie worden gebruikt en wat de symbolen betekenen, evenals de moderne equivalenten van historische eenheden
Referenties en bronnen
Referenties en bronnen
Referenties, bronnen en verdere lectuur met betrekking tot de fundamentele kennis van vacuümtechnologie
Vacuümsymbolen
Een woordenlijst van symbolen die vaak worden gebruikt in vacuümtechnologieschema's als visuele weergave van pomptypen en onderdelen in pompsystemen
Verklarende woordenlijst
Een overzicht van de meeteenheden die in vacuümtechnologie worden gebruikt en wat de symbolen betekenen, evenals de moderne equivalenten van historische eenheden
Referenties en bronnen
Referenties, bronnen en verdere lectuur met betrekking tot de fundamentele kennis van vacuümtechnologie