چرا نشت یابی در خلاء ضروری است؟
وجود نشت در سیستم های خلاء از رسیدن به سطح خلاء مورد انتظار برای انجام کار مورد نیاز جلوگیری می‌کند. با کاهش فشار محیط داخل محفظه خلاء، اتم‌ها و مولکول‌های موجود در منافذ محفظه، آزاد می‌شوند یا از طریق منابع نشت مانند سوراخ‌ها و شکاف‌ها به داخل محفظه نفوذ کرده و مانع تخلیه آن، می‌شوند. روش‌های تشخیص نشت خلاء می‌توانند به مکان‌یابی نشتی‌ها و آب‌بندی منابع نشت، کمک کنند.
علائم نشتی در خلاء
شناخت علائم نشت خلاء می‌تواند به یافتن آنها قبل از ایجاد آسیب‌های عمده به سیستم خلاء کمک کند. در اینجا برخی از علائم احتمالی که می‌تواند نشاندهنده وجود نشت در سیستم خلاء (محفظه) باشد، عنوان شده‌اند:
- افزایش غیرمنتظره سطح خلاء محفظه
- نرسیدن به سطح خلاء پیش‌بینی شده برای سیستم
- خروج روغن یا غبار یا دود از خروجی پمپ خلاء
- صدای سوت یا خش خش غیرمعمول
- بوهای غیرمعمول (مانند روغن یا حلال)
- هر گونه آسیب‌دیدگی ظاهری مانند ترک، شکستگی یا خوردگی در محفظه خلاء
منابع نشت در سیستم خلاء
نشت در داخل محفظه خلاء می‌تواند از دلایل و منابع مختلفی نشات گرفته باشد و در نتیجه راه‌حل‌های مختلفی را برای تشخیص نشت در پی داشته باشد.
انواع نشت در خلاء
نشت در سیستم های خلاء را می‌توان به نشت‌های واقعی و مجازی دسته بندی کرد.
نشت واقعی
نشت واقعی می‌تواند به دلایل زیر اتفاق بیفتد:
- پارگی شلنگ خلاء
- تخریب واشر یا مواد آب‌بندی
- روانکاری ناکافی آب‌بندی
- سوراخ‌ها و ترک‌های فیزیکی در ساختار سیستم
- دمای عملیاتی بسیار بالا
نشت مجازی
این در حالی است که یک نشت مجازی به دلیل وجود مقدار اندکی گاز محبوس شده به صورت فیزیکی در یک سوراخ یا شکاف با ورودی دارای رسانش تخلیه‌ای پایین است که به راحتی قابل تخلیه نیست (شکل ۱). ترک داخلی جوش‌کاری‌های بسیار کوچک که دیده نمی‌شود و هر اتصال‌دهنده‌ای که در داخل سیستم خلاء استفاده می‌شود می‌تواند باعث ایجاد فضای خالی بین قطعات ثابت، مانند حجم بین پیچ و انتهای سوراخ، شود. هر فضای خالی که در طول مونتاژ محفظه در فشار اتمسفر ایجاد می‌شود، منجر به باقی ماندن هوا و سایر آلایند‌ه‌های احتمالی در محفظه می‌شود و به صورت یک منبع گاز عمل می‌کند.
بدین ترتیب با کاهش فشار نسبی در محفظه، این منبع گاز می‌تواند منشاء ورود گاز به داخل محفظه باشد. نشت مجازی اغلب با افزایش‌های ناگهانی کوچک در فشار محفظه اثبات می‌شود، زیرا گاز محبوس‌شده به سیستم خلاء جریان می‌یابد و به دنبال آن، بازگشت ناگهانی به فشار اولیه اتفاق می‌افتد. به عنوان مثال، اگر یک فشارسنج یونی مقدار ۱.۲×۱۰-۵ Torr را به طور تدریجی می‌خواند و سپس عدد نشان داده شده به طور مکرر به ۱.۴×۱۰-۵ Torr یا ۱.۳ می‌پرد، احتمالا یک نشت مجازی وجود دارد.
منابع نشتی در خلاء مختلف، منجر به رفتارهای متفاوت فشار تخلیه-تهویه در طول زمان می‌شوند. شماتیک رفتار فشار در حضور نشتی‌های مختلف در شکل ۲ نشان داده شده است.
مضرات نشتی خلاء
نشت در سیستم خلاء اجازه نمی‌دهد محفظه به فشار نهایی مورد انتظار برسد، بنابراین می‌تواند بر موارد زیر تاثیر منفی بگذارد:
- ایمنی عملیات و محصولات
- کارایی فرآیند
- استانداردهای کیفیت و محیط زیست
- عمر سیستم خلاء
- خلوص محصول فرآیند (ممکن است در شرایط خلاء پایین محصول آلوده شود)
روش‌های تشخیص نشت خلاء یا نشت یابی خلاء
تست‌های افزایش فشار
این تست وجود نشت در سیستم خلاء را تایید می‌کند و برای پمپ‌های خلاء متوسط تا بالا مناسب است. با تست افزایش فشار به عنوان یک روش استاندارد، می‌توان میزان افزایش فشار در مخازن را در مدت زمان معینی دنبال کرد. این آزمایش نمی‌تواند محل نشتی خلاء را مشخص کند، بنابراین باید از روش‌های دیگری برای کشف منبع نشتی استفاده نمود.
تست پمپاژ مکرر
در روش پمپاژ مکرر، زمان تخلیه محفظه برای دستیابی به یک فشار مشخص، پس از چندین چرخه تخلیه باید کاهش یابد. پس از هر چرخه پمپ کردن، دریچه ورودی پمپ بسته می‌شود. پس از سپری شدن دوره زمانی از پیش تعیین‌شده، شیر ورودی باز می‌شود و زمان بازگشت فشار به سطح تخلیه اولیه ثبت می‌شود. این روش چندین بار تکرار می‌شود. پس از انجام مراحل مکرر، اگر زمان ثابت بماند، نشاندهنده وجود نشت در سیستم خلاء است.
بازرسی بصری محفظه
این یک روش مناسب برای تشخیص محل نشتی‌های بزرگ در سیستم خلاء به دلیل ترک، شکستگی یا خوردگی است و البته برای زمانی مناسب است که محفظه به سطح خلاء پایین، حتی حدود 1x 10-۱ Torr، هم نمی‌تواند برسد. این نشتی‌ها ممکن است صدای خش خش یا سوت داشته باشند که توسط متخصص در حین پمپاژ محفظه شنیده می‌شود.
تست حلال
نشت یابی خلاء برای محل نشتی‌های کوچک در سطح خلاء پایین و بالاتر، در حالی که سیستم تحت خلاء قرار دارد، می‌توان مقدار کمی الکل یا استون را روی منابع نشت احتمالی مانند محل‌های اتصال سیستم اسپری نمود. در صورت وجود هر گونه نشتی، حلال به سرعت به داخل کشیده می‌شود که توسط یک فشارسنج پیرانی نصب شده بر روی سیستم قابل تشخیص است. تغییرات فشار، موقعیت نشتی خلاء احتمالی را نشان می‌دهد.
تست حباب
آزمایش حباب مانند حباب زدن یک لوله هوای سوراخ شده در زیر آب است، بدین ترتیب در این روش موقعیت نشتی با توجه به محل حباب‌ها مشخص می‌شود. در این روش، کف مایع ظرفشویی در اطراف اتصالات لوله گاز اعمال می‌شود و در صورت وجود نشتی، حباب‌های مایع شروع به بزرگ شدن می‌کنند. این یک روش نشت یابی در خلاء کارآمد، برای تشخیص منابع نشتی کم فشار است.
تشخیص نشتی هلیوم
این یک روش نشت یابی سیستم های خلاء عالی اما گران قیمت برای یافتن نشتی‌های بسیار ریز است. هلیوم، به عنوان ماده‌ای با عدد اتمی کوچک، به عنوان یک گاز بی‌اثر در اطراف مناطق مشکوک به نشتی، اسپری می‌شود. از آنجایی که هلیوم می‌تواند حتی در سوراخ‌ها و نشتی‌های کوچک نفوذ کند، به عنوان گاز ردیاب برای ورود به محل نشتی خلاء استفاده و توسط یک آشکارساز نشت هلیوم، شناسایی می‌شود. با نمایش افزایش غلظت هلیوم در جریان هوای خروجی پمپ خلاء متصل به محفظه توسط آشکارساز هلیوم، می‌توان محل نشت در سیستم خلاء را شناسایی نمود (برای مطالعه بیشتر در مورد سیستم‌های تحت خلاء و نشت‌یاب‌های هلیومی کلیک کنید).
نشت یاب التراسونیک
یک روش جایگزین برای تشخیص نشتی‌های ریز نشت‌یاب اولتراسونیک است. هنگامی که گاز یا مایعی از سوراخ یا شکاف کوچکی نشت می‌کند، یک موج صوتی با فرکانس بالا منتشر می‌شود که توسط گوش انسان قابل شنیدن نیست. یک نشت‌یاب اولتراسونیک این اصوات را تشخیص داده و آنها را تشدید می‌کند، بنابراین کاربر می‌تواند سیگنال صوتی مربوطه را بشنود. صداها و نویزهای پس‌زمینه می‌توانند در این فرآیند نشت یابی خلاء اختلال ایجاد کنند. بنابراین، این روش برای تشخیص نشت‌های بسیار ریز دقت بالایی ندارد.
چگونه مشکل نشتی را حل کنیم؟
بسته به واقعی یا مجازی بودن منبع نشتی، راه‌حل مشکل متفاوت است.
نشت‌های مجازی
مشکلات نشتی مجازی را می‌توان با طراحی سیستم و تکنیک‌های مونتاژ بهتر برطرف کرد. از جمله روش‌های مورد استفاده می‌توان به بهره‌بردن از بست‌های تهویه‌دار، روش‌های جوشکاری بهتر، اصلاح اجزای جداشدنی محفظه، یا فراهم کردن یک مسیر تخلیه گاز، مثلا با ایجاد سوراخ‌های کمکی، اشاره نمود.
روش دیگری که می‌توان برای حل مشکل نشت‌های مجازی که قابل رفع نیستند استفاده نمود، پاکسازی کامل محفظه با گاز آرگون است. در فرآیندهایی که حضور آرگون به عملکرد دستگاه آسیب نمی‌رساند، مانند لایه‌نشانی (اسپاترینگ) یا کوره خلاء، نشت آهسته آرگون به عنوان یک گاز بی‌اثر را می‌توان در طول فرآیند نادیده گرفت.
نشت یابی خلاء برای نشت واقعی
تعمیر و نگهداری مناسب فشارسنج
فشارسنج‌ها تجهیزات بسیار حساسی هستند و عملکرد معیوب آنها می‌تواند منجر به تصور وجود نشتی خلاء شود. بنابراین، هنگامی که سطح خلاء معمولی در یک سیستم خلاء به دست نمی‌آید، قبل از جستجوی نشت خلاء، باید عملکرد مناسب فشارسنج‌ها بررسی شود.
بخار آب
مولکول‌های قطبی بخار آب را به سختی می‌توان از محفظه خلاء خارج کرد، زیرا به دیواره‌های داخلی محفظه چسبیده و لایه‌ای متراکم را تشکیل می‌دهند. استفاده از سیستم‌های خنک‌کننده برای خنک کردن دیواره‌ها و یخ زدن بخار آب، یا تمیز کردن محفظه با یک گاز بی‌اثر مانند آرگون برای حذف مولکول‌های بخار آب می‌تواند به حل این مشکل کمک کند.
نگهداری صحیح از اورینگ‌ها (O-Ring)
برای آب‌بندی در مکان‌هایی که دو سطح فلزی در تماس هستند، باید از حلقه‌های اورینگ با تراکم مناسب استفاده شود. اورینگ ویتون (Viton) با کیفیت خوب می‌تواند مشکل نشت در سیستم‌های خلاء را حل کند. با این حال، حلقه‌های اورینگ نرم یا سخت‌شده و یا متورم باید جایگزین شوند. تمام سیستم‌های خلاء شرکت پوشش‌های نانوساختار به حلقه‌های اورینگ ویتون مجهز هستند تا به راحتی به سطح خلاء مناسب برسند.
استفاده از گریس سیلیکون خلاء بالا
برای حفظ نگهداری صحیح اورینگ‌های ذکر شده در بالا، استفاده از گریس خلاء با کیفیت خوب، می‌تواند از سخت شدن و آسیب رسیدن به اورینگ‌ها جلوگیری کند. استفاده از گریس خلاء، همچنین باعث آب‌بندی اضافی محفظه خلاء می‌شود. گریس سیلیکونی مناسب خلاء بالا با چسبندگی مناسب و فشار بخار کم، می‌تواند بهترین عملکرد را داشته باشد.
پخت محفظه
نگه داشتن محفظه در دمای بالا (حدود ۲۵۰ درجه سانتیگراد) برای حداقل ۱۲ ساعت می‌تواند به تبخیر مواد فرّار چسبیده به دیواره‌های داخلی محفظه خلاء و پمپاژ آنها به بیرون از سیستم کمک کند.
سیستم‌های لایه‌نشانی در خلاء ما
تمام دستگاه‌های لایه‌نشانی شرکت پوشش‌های نانوساختار حاوی یک محفظه خلاء برای انجام فرآیند پوشش‌دهی هستند. با رعایت نکات ایمنی در استفاده از سیستم‌های لایه نشانی در خلاء پایین یا بالا می‌توان از مشکلات نشت در سیستم‌های خلاء جلوگیری نمود. لایه‌نشان‌های مجهز به پمپ روتاری شرکت پوشش‌های نانوساختار مانند اسپارترکوتر DSR1، کربن کوتر DCR، و لایه‌نشان ترکیبی اسپاترینگ و کربن DSCR، لایه‌نشان‌های SEM، تحت خلاء پایین هستند.
همچنین سیستم‌های کندوپاش با پمپ توربومولکولار مانند DST1 ،DST3 و DST2-TG را در کنار لایه‌نشان‌های کربن خلاء بالا، مانند DCT ارائه می‌کند. از سوی دیگر، دستگاه‌های لایه نشانی ترکیبی، مانند سیستم‌های پوشش‌دهی DSCT-T، از دیگر سیستم‌های لایه‌نشانی شرکت پوشش‌های نانوساختار هستند. همه این لایه‌نشان‌های تحت خلاء، نیازمند نشت یابی در خلاء منظم هستند تا بهترین عملکرد خود را ارائه دهند.
توصیه‌هایی برای نشت‌یابی در سیستم‌های لایه‌نشانی در خلاء ما
- از دستکاری غیر ضروری سیستم لایه‌نشانی خودداری کنید.
- ابتدا اصلاحات اخیر انجام شده در دستگاه را در نظر بگیرید و روی آن تمرکز کنید.
- درب محفظه و صفحه پایه صیقل داده شده‌اند تا لبه محفظه شیشه‌ای، به عنوان منبع بالقوه نشتی خلاء، به خوبی آب‌بندی شود. بنابراین درب محفظه روی سطح آب‌بندی شده باید به آرامی و با دقت قرار داده شود. در صورت لزوم این سطوح را با استفاده از هوای فشرده و گریس خلاء از گرد و غبار و زباله تمیز نمایید.
- از برخورد اجسام تیز یا سخت به صفحه پایه و درب محفظه و خراشیده شدن آنها بپرهیزید، زیرا هر خراشی کوچکی که حتی توسط ناخن دست حس می‌شود، می‌تواند منبع نشت در سیستم خلاء باشد.
- اگر خراش‌ها یا آسیب‌های کوچکی روی صفحه پایه ایجاد شد، از کاغذ سنباده بسیار ریز (۸۰۰ تا ۱۰۰۰ گریت) برای سنباده زدن خراش‌ها استفاده کنید تا زمانی که بدون ایجاد فرورفتگی یا خراش قابل توجهی روی سطح از بین بروند، و سپس با اتانول تمیز کنید. همچنین، کاربر می‌تواند با خمیر پولیش خلاء مانند Wenol یا Pikal، سطوح را صیقل دهد.
برخی سیستم‌های خلاء پوشش‌های نانوساختار
منابع
- Al-Dmour, E. (2017). Fundamentals of Vacuum Physics and Technology. In 3rd CERN-Accelerator-School Course on Vacuum for Particle Accelerators, CAS 2017 (pp. 23-43).
- Zapfe, K. (2007). Leak detection. Cern
- https://www.normandale.edu/academics/degrees-certificates/vacuum-and-thin-film-technology/articles/understanding-virtual-leaks.html
- https://fluidairedynamics.com/blogs/news/how-to-identify-leaks-in-your-vacuum-system
- https://www.uccomponents.com/what-is-a-virtual-leak-and-how-does-it-affect-your-vacuum-system/
- https://www.supervacoils.com/leakage-detection-and-prevention-in-vacuum-systems/
- https://www.agilent.com/cs/library/technicaloverviews/public/5991-7606EN.pdf
- https://highvacdepot.com/2021/07/13/considerations-when-leak-checking-your-vacuum-system/