Остаточные газы в вакуумной системе

Предшествующая эксплуатация вакуумной системы определяет, какие остаточные газы существуют в вакуумной системе. Например, из каких материалов изготовлена система и какие материалы были в нее добавлены? Какую обработку производили в системе? Подвергались ли материалы химической очистке (с использованием какого химического процесса?), электрической полировке (какой процесс?), вакуумному отжигу (при какой температуре, в течение какого времени и при каком уровне вакуума?), термической обработке (при какой температуре, в течение какого времени и при каком уровне вакуума?) или другим процессам, в результате которых образовался характерный спектр? Воздействие различных газов и сред при нормальной эксплуатации обычно создает характерный адсорбированный остаток и связанные с ним пары. Спектр может дать не совсем точное представление о предыдущем воздействия газов из-за влияния химического состава поверхности, вы можете получить данные о продуктах химических реакций. Чем больше воздействие определенного высокого давления, тем больше остаточный эффект, вызванный воздействием. Водяной пар (m/е = 18 а. е. м.) - это преобладающий остаточный газ после воздействия атмосферы воздуха из-за сильной, многослойной, физической адсорбции, происходящей на окисленных поверхностях стенок системы. Если день дождливый, и система подачи воздуха в лабораторию не уменьшает значительно парциальное давление водяных паров, будет отмечаться значительно больший пик остаточной воды в вакуумной системе просто из-за более продолжительного времени накопления. Если вакуумная система подвергается воздействию паров, когда кто-то ест ароматную пищу на обед или использует средство после бриться с сильным запахом, духи или даже очищающие растворители, органические молекулы будут адсорбироваться на поверхностях вакуумной системы, и после откачки будет наблюдаться остаточное парциальное давление этих веществ. Свежеокрашенное помещение - это еще одна очевидная катастрофа для открытых вакуумных камер! Обычный способ оценки на глаз заключается в следующем: если вы чувствуете запах, то система уже сильно загрязнена.

Еще одна очень важная проблема заключается в виде используемой откачки. Рассмотрим, например, обычную систему из нержавеющей стали, откачиваемую различными насосными механизмами. Если результирующее предельное остаточное давление обеспечивается роторным механическим насосом без ловушки (предельное давление ~ 10-3 мм рт. ст. - это слишком высокое давление для прямого отбора пробы большинством масс-спектрометров, но оно может наблюдаться косвенно посредством дифференциальной откачки прибора), спектр покажет большой органический профиль насосных масел и водяных паров. Наиболее нежелательный уровень загрязняющих паров показан на рис. 1, а. Насосные масла, как правило, имеют характерную серию фрагментных пиков при 43 и 57 а. е. м. Если система откачивается сухим (безмасляным) насосом, то будет наблюдаться гораздо более низкий уровень остаточных органических веществ главным образом потому, что сигналом являются пары от консистентных смазок подшипников насоса (рис. 1, б). Высокий вакуум (ниже р ~ 10-6 мм рт. ст.), получаемый путем использования диффузионного насоса без ловушки, демонстрирует значительное уменьшение водяного пара, но значительный уровень органических веществ из-за присутствия масла диффузионного насоса (рис. 1, в). Если используется турбонасос (рис. 1, г), то органические пики являются гораздо менее преобладающими. Доминирующее парциальное давление снова определяет водяной пар, но следующими наиболее преобладающими сигналами теперь являются СО и СO2 при массе 28 и 44 а. е. м. соответственно. Конечно, по мере уменьшения общего давления сумма всех значений парциального давления также уменьшается. Воздействие термической обработки системы показано на следующей серии рисунков. Спектр термически необработанной ионной откачанной системы с предельным остаточным давлением 10-8 мм рт. ст. показан на рис. 2, а. Незначительная термическая обработка при 150 °С удаляет большую фракцию водяного пара и других конденсируемых веществ, но не является достаточной для удаления всей воды из-за поверхностных сил (рис. 2, б). Преобладающим пиком здесь является водород. Также присутствуют некоторые малые пики, такие как Сl (т/е = 35, 37), СН4 (родительский пик m/е= 16) и СО (т/е = 28). Высокотемпературная термическая обработка (Г > 400 °С) системы из нержавеющей стали в течение четырех дней является достаточной для десорбции почти всей воды, и она больше не играет значимой роли при комнатной температуре (рис. 2, в). Пока используются нити накаливания для ионизационных вакуумметров, источники ионов в масс-спектрометрах или для других приборов, пики углерода и кислорода будут четко обозначены. Нити накаливания также служат в качестве источников нагревания, которые поддерживают окружающую оболочку из нержавеющей стали в горячем состоянии (~200 °С для трубки с внутренним диаметром 38 мм), поэтому пики выделения газа будет также значительными. Системы, имеющие уплотнения из эластомера, будут фактически создавать дополнительные проблемы в связи с тем, что уплотнительные кольца являются проницаемыми для гелия, водорода, диоксида углерода и других газов, которые не способны проникнуть через полностью металлические системы уплотнений [7, 8|.

Наконец, некоторые системы будут иметь или приобретать течи в результате дефектов материалов, сварочных швов, уплотнений, термической обработки или нечаянного удара по элементу системы. На рис. 3, а показана вакуумная система со сверхвысоким вакуумом, имеющая остаточное давление 1,5 * 10-10 мм рт. ст. и свободная от течей, а на рис. 3, б показана та же система с небольшой течью, в результате которой давление повысилось до 2,5 * 10-10 мм рт. ст.

масс спектры газов

Рис. 1. Масс-спектры остаточных газов вакуумных систем с различными условиями откачки (все системы термической обработке не подвергались): а - откачка роторным механическим насосом (р ~ 5 * 10-3 мм рт. ст.); б - откачка сухим (безмасляным) насосом (р ~ 3 * 10-3 мм рт. ст.); в - откачка диффузионным и форвакуумным ротационным механическим насосами (р~ 2 * 10-7 мм рт. ст.); г - откачка турбомолекулярным и форвакуумным ротационным механическим насосами (р ~ 2 * 10-9 мм рт. ст.) (источник: Edward’s High Vacuum)

масс спектры газов

Рис. 2. Масс-спектры остаточных газов вакуумной системы с откачкой ионным насосом и форваку- умированием высоковакуумным молекулярным насосом: a - без термической обработки (р - 10-8 мм рт. ст.); 6 - с термической обработкой при 150 °С в течение нескольких дней (р - 2 * 10-10 мм рт. ст.). Обратите внимание на сокращение воды при т/е =18; в - с термической обработкой при 400 °С в течение 4 дней (р - 3 * 10-11 мм рт. ст.). Обратите внимание на то, что пик воды фактически исчез.

масс спектры газов

Рис. 3. Спектры остаточных газов системы сверхвысокого вакуума, полученные с использованием квадрупольного масс-спектрометра в аналоговом режиме: а - без течей. Обратите внимание на пик m/е= 14, который представляет N и фрагментом метана СН2; б - с небольшой течью. Не соответствующие разрешающей способности пики m/е = 28 (N2 + CO) и т/е = 14 (N) увеличились, но пик m/е= 16 (СН4) остался прежним

Обратите внимание на то, что пик при m/е= 14 значительно выше пика, наблюдаемого на рис. 3, а. Обычно когда отсутствует течь, нет допуска азота в систему, и в данном виде применения азот не генерируется, в таком случае никакого увеличения пиков m/е =28 или m/е =14 происходить не должно (СО++ немного увеличивает m/е = 14)! Когда течь отсутствует, имеется только остаточный СН2 при т/е= 14 в силу фрагментации метана, что составляет только 15% от родительского пика при m/е= 16. Таким образом, для малого пика остаточного метана, СН2, как правило, слишком мало. Тем не менее, когда имеется течь, пик фрагментации атомного азота при т/е - 14 становится весьма значительным и обычно больше 16 серийных пиков, вызванных метаном. Невозможно отделить сигналы N2 и СO2 при m/е = 28 в случае большинства масс-спектрометров для вакуумных систем, поэтому наличие азота не сразу обнаруживается. Фрагментация до атомного азота, однако, служит соответствующей индикацией, а также отличным способом быстрого контроля герметичности системы.

Группа РОСВАКУУМ

Адрес: 107023 Россия, г. Москва, Электрозаводская улица, 21

Часы работы офиса: с 9:00 до 18:00 по Москве.

 

Телефон: +7 (495) 664-22-07

E-mail: baza@vacuumpro.ru

 

Чтобы заказать бесплатный подбор оборудования, отправить заявку, запрос или получить консультацию инженеров - свяжитесь с нами по телефону или E-mail.

В базе 310 производителей и поставщиков вакуумного оборудования и техники (РФ, СНГ и зарубежные компании). Цены, наличие на складах и технические характеристики оборудования и техники уточняйте только по электронной почте E-mail.