Artık Gaz Anali̇zörleri̇ İyon Ölçüm Ci̇hazlarının Yeri̇ni̇ Alacak Mi?

Yüksek vakumda basınç ölçümü önemli olabilir, ancak iyon ölçüm cihazı yeterince iyi midir veya artık gaz analizörüne ihtiyacınız var mı?

Bir vakum sistemi dahilindeki basıncı ölçme gerekliliği tüm vakum sistemleri için ortak önemli parametrelerden biridir. Atmosferik basınçtan çok yüksek vakuma tüm basınçlar boyunca yayılan bu evrensel ihtiyacı yerine getirmek için sayısız teknikler ve aletler bulunmaktadır.  Seçilen teknik ve alet genelde basınç aralığı ve süreç gerekliliklerine uyması için ölçümün doğruluk ve hassasiyet derecesi açısından süreç uygulaması ile etkilenir. Genelde sürecin gerektirdiği basınç ne kadar düşükse basınç ölçümü o kadar önemli hale gelir ve teknik ve alet seçeneği o kadar az olur.  Yüksek vakumda basınç (10-3 tordan az) ve daha düşük rejimler gerektiren süreçler genelde iyon ölçüm cihazları (İÖC) ve artık gaz analizörleri (AGA) ile yönlendirilirler. 

Vakum topluluğu genel sözlü kullanımı dahilinde İÖCnın toplam basıncı ölçtüğü ve AGAnin kısmi basınçları ölçtüğü söylenir.   Herhangi bir vakum sistemindeki artık gaz neredeyse hiçbir zaman tek bir gaz olmadığından toplam basınç haznedeki her bir belirli gazın basıncının toplamı olacaktır. Bu durumda bir sisteme İÖC kurarsanız ve sayacı okursanız sayacın toplam basıncı genel kullanılan terminolojiye göre okuduğunu söylemekte haklı olacaksınız.  Buna göre bir AGAnün çıktısı çeşitli artık gazların kısmi basınçlarını sağlıyor olarak yorumlanacaktır.  Bu ortak veya baştan savma terminolojinin önemli yanlış anlamalara neden olabileceği örneklerden biridir.  Bir sayı okudunuz ancak muhtemelen bu gerçekte toplam veya kısmi basınç değil. Bunu netleştirmek için aletlere ve sensörlere biraz daha bakmamız gerekiyor.

İyoni̇zasyon Süreci̇

Vakum sistemi üzerine monte edilmiş bir İÖC veya AGA tüpü (sensör) nötr gaz moleküllerini etkilemek ve pozitif şarj olmuş gaz iyonu sağlamak için elektronu veya elektronları serbest bırakmak için yeterli miktarda elektron kaynağı (akım) ve enerji (voltaj) sağlar.  Sabit ve kontrollü bir akımda ve enerjide elektronlar gaz moleküllerinin istatistiksel bir bölümünü etkileyecektir ve iyonizasyona neden olacaktır.  İyonize gazlar şarjlarını verdikleri sürece DC akımının oluşturulduğu bir anot üzerinde toplanır.  Bu akım oluşan iyon sayısı ile orantılıdır ve bu da sonuç olarak sistemdeki gaz molekülü sayısı ile orantılıdır.

İÖC kontrolörü üzerindeki okuma bu durumda oluşan tüm pozitif iyonların iyon akımıdır, ancak amps/tor gibi uygulanan bir hassasiyet faktörü ile basınç olarak görüntülenir. Her ne kadar İÖC iki ana gruba ayrılsa da (sıcak kator ve soğuk katot) iyonizasyon oluşum ve iyon toplama mekanizması aynıdır. Sıcak katot tüplerde elektronların kaynağı genelde tungsten (W) veya bir torya (Th02) kaplı iridyum (Ir) olmak üzere refrakter bir metalin akımlı telidir.

Soğuk katot tüp manyetik bir alan içinde tutulan elektronlar sağlar. İki İÖC arasında birçok diğer fark bulunmaktadır, ancak bu farklar kendileri ile ilgili bir konudur ve burada bunları birlikte ele almamız gerekmektedir. Aynı iyonizasyon süreci AGAde de meydana gelir, ancak iyonları toplama ve ölçüm öncesinde kütle ve/veya enerji itibariyle ayırmak için ilave bir dizilim iyonizasyon ve toplama arasına girmiştir.

En basit anlamda bir elektron nötr gaz molekülünü etkileyecektir ve aşağıdaki denkleme göre pozitif şarj olmuş bir iyon elde etmek için elektronu gaz molekülünden uzağa itecektir: e-+ Gaz → Gaz+ + 2e-. Bu yeterince dolambaçsız görünecektir, ancak her bir gaz türü farklı bir verimle iyonize olacaktır.

Bu etki genelde iyonizasyon kesiti olarak anılır. Farklı çapta mercekler ile hedefleri vurmak gibidir. Bu nedenle üretilen gaz iyonu sayısı artık gazın kimliğine ve katılan iyonizasyon kesitine bağlı olarak değişiklik gösterecektir  Bu daha sonra gazın kimliğine bağlı olacak olan bir iyon akımı üretecektir. Bazı gazlar teker teker yanı sıra çifterli iyonize olacaktır: e- + Gaz → Gaz+ + Gaz++ + 3e- ve bu etki toplanan iyon akımını da değiştirecektir. Nitrojen (N2), oksijen (O2) ve hidrojen (H2) gibi diatomik gazlar vakum sistemlerinde genel olduğundan diatomik bağı kırma ihtiyacına bağlı olarak farklılık gösteren iyonizasyon verimlerinin meydana geleceği N2→ N2+ + N+ gibi hem monatomik hem de diatomik iyonlara iyonize olacaklarını fark etmek gereklidir.   

Bu etki, daha karmaşık moleküller iyonize oldukça daha karmaşık hale gelir. Örneğin, genel bir artık gaz olan metan (CH4) C+ + CH+ + CH2+ + CH3+ + CH4+ olarak parçalanacaktır.  Nötr moleküllerin karmaşıklığı arttıkça iyonizasyon sürecinin karmaşıklığı artar. Vakum sistemlerinde genel olan çözücüler veya pompa yağları gibi uzun zincirli moleküller iyonize olan gaza özel parçacık grupları oluşturmak üzere iyonizasyon sırasında parçalanacaktır ve bunlar genelde parçalanma düzenleri olarak anılır. 

Bir vakum sistemindeki çeşitli gazların iyonizasyon sürecinden doğan bu farklılıkların tümü toplam veya kısmi basıncın ölçümünde hataya neden olabilir ve olacaktır. Bu hataların gerçekten önemli olup olmadığı gerçekleştirilen uygulamaya ve sürece bağlıdır ve muhtemel problemler ve İÖCnın mı AGAnün mü kullanılacak en iyi cihaz olduğu hakkındaki kararlar o sırada verilmelidir. 

Bir vakum sistemindeki çeşitli gazların iyonizasyon sürecinden doğan bu farklılıkların tümü toplam veya kısmi basıncın ölçümünde hataya neden olabilir ve olacaktır. Bu hataların gerçekten önemli olup olmadığı gerçekleştirilen uygulamaya ve sürece bağlıdır ve muhtemel problemler ve İÖCnın mı AGAnün mü kullanılacak en iyi cihaz olduğu hakkındaki kararlar o sırada verilmelidir. 

İyon Ölçüm Ci̇hazlari

Süreç parametreleri oluşturulması zor bir görev olabilir ve birçok süreç gelişigüzel basınç parametreleri ile sağlanır. Örneğin, bir süreç süreci başlatmadan önce bazı nihai İÖC okumasının elde edilmesini gerektiriyorsa okuma özelliğe yakın bir yerdeyse sürecin özellikler dahilinde olmasını sağlamak üzere ilgili okumayla ilgili yeterli hata payı bırakılması muhtemeldir. Bir parti sisteminde süreçteki su buharı miktarı mevsimler yanı sıra günler arasında değişiklik gösterecektir.  Yazın olan yüksek nem nedeniyle kış ortasındaki basınca ulaşmak için daha uzun pompalama sürelerinin gerekli olacağı beklenir.  Bazı durumlarda ana artık gazın su buharı olmasını beklemek uygundur, ancak birçok durumda durum bu değildir.

İyonizasyon sürecindeki değişikliklere bağlı olarak aynı İÖC okuması artık gazların çeşitli karışımlarının sadece birini temsil edebilir.  Bunun problem olup olmadığı sürece bağlıdır.

 

Süreç gazının karışımdaki hakim gaz olarak hazneye bilinçli olarak verildiği İÖC uygulamalarında farklı bir durum mevcuttur ve İÖC okumaları neredeyse her zaman N2 için kalibre edilmiştir. Bu uygulamalarda uygulayıcı ilgili gaz için tespit edilmiş olan düzeltme faktörlerine yönelebilir ve diğer gazlar kirletici olarak yüksek miktarda bulunmuyorsa oldukça doğru bir basınç okuması elde edilebilir. Genelde kalibrasyon olmaksızın bir iyon ölçüm cihazı okumasına inanamazsınız. 

Artık Gaz Anali̇zörü Uygulamaları

Tek Gazlar için Nispi İyon Ölçüm Cihazı Hassasiyeti
H2	0.48
He	0.18
CH4	1.50
N2	1.00
CO	1.05
O2	0.85
Ar	1.20
CO2	1.40
Ölçüm Cihazı Okumasını Gerçek Basınç için Hassasiyet ile Bölüm (Ölçüm Cihazı Okumaları N2 Kalibrasyonundadır).

AGA, İÖC gibi kesinlik açısından iyonizasyon sürecinden doğan aynı problemlere sahiptir ve iyonları kütle ve/veya enerji itibariyle ayırmak için kullanılan dizilimin de farklılıklar getirebilecek olması açısından ilave bir probleme de sahiplerdir. Dört kutuplu kütle filtreleri tartışılır şekilde sahadaki en yaygın olanlardır ve iyonlar türlere göre ayrılırken ortaya çıkan kütle ayrımına bağlı olarak iyon iletiminde değişikliklere neden olurlar. Normal terminoloji AGAnü kısmi basınç ölçümleri veriyor olarak andığından okuma cihazında gördüğümüzün kütle okumalarındaki iyon akımı pikleri olduğunu sürekli hatırlamak önemlidir. Kısmi basınç okumaları veya ölçümleri olarak alınmamalıdırlar.

Bununla birlikte AGA, sadece İÖC ile mevcut olmayan çok miktarda yararlı ve bazen önemli veri sağlar. Günler veya çalıştırmalar arasında aynı kütle pozisyonunda pik yüksekliklerin karşılaştırılması yeni başlayan problemleri çığırından çıkmadan önce belirlemeye yardımcı olabilir.

Örneğin bazı pozisyonlarda artan bir pik yüksekliği çoğu kez problemli bir kirletici birikiminin erken uyarısını sağlayabilir. İlaveten sızıntılar gibi problemler bir süreç başlatılmadan önce kolayca belirlenebilir ve daha sonra AGA sızıntının yerini bulmaya yardımcı olmak üzere helyum gibi bir test gazına kilitlenmeye ayarlanabilir.

Bu noktada AGAnün iki ana kullanımındaki ayrımı görmeye başlayabiliriz. İlgili okumaların karşılaştırılabileceği sistem ve süreç monitörü olarak kullanılabilirler veya kısmi basınçlar için doğru ölçüm cihazı olarak kullanılabilirler. Her iki durumda da kalibrasyon önemlidir.

Kali̇brasyon

Hem İÖCnın hem de AGAnin kalibrasyonu okumalarına güvenme ihtiyacınız kadar önemlidir.   Bazı durumlarda sadece nadiren kalibrasyon gereklidir, ancak gerçek kantitatif okumalar için kullanılacaklarsa günlük veya daha iyi kalibrasyon çoğu kez gereklidir.  Bir dizi kabul edilebilir teknik bulunmaktadır, ancak sürekli bazda en kabul edilebilir olanı genelde İÖCnın veya AGAnün ölçmesi için sisteme bilinen miktarda tek gaz veya gaz karışımı vermenize geçit verecek kalibre edilmiş sızıntı kullanmaktır.  Bunlar satın alınabilir ve gerekli ise bir sistem üzerine kalıcı şekilde kurulabilir. AGAi için, aletin tüm kütle aralığı üzerinde genel artık gazların bazılarını içeren bilinen bir gaz karışımı muhtemelen en iyisidir.

İyon Ölçüm Ci̇hazı Veya Artık Gaz Anali̇zörü?

Tek bir cevap bulunmamaktadır. Uygulamayı dikkatlice incelemelisiniz.  Birçok sistemde bir İÖC ve bir AGA çoğu kez birlikte kullanılır. AGA üzerinde genelde toplam basınç okumaları bulunmaktadır ancak bunlar sadece kabaca göstergelerdir ve çok da fazla güvenilmemelidir.  AGA birçok bilgi sağlar, ancak sizi bilgiye boğabilecek olmaları açısından bu da bir problem olabilir.  Uygulamanızı gerçekleştirmek için neye ihtiyacınız olduğunu dikkatlice düşünün ve seçiminizi/seçimlerinizi yapın, ancak herhangi biri tarafından sağlanan okumayı kabul etmeyin.