FACULDADE DE TECNOLOGIA DE SÃO PAULO
Tecnologia em Materiais
Débora Harumi Suzuki Hara
MODELAGEM, CÁLCULO E DETERMINAÇÃO EXPERIMENTAL
DA TAXA DE DESGASEIFICAÇÃO DE MATERIAIS EM VÁCUO
São Paulo
2011
FACULDADE DE TECNOLOGIA DE SÃO PAULO
Tecnologia em Materiais
Débora Harumi Suzuki Hara
MODELAGEM, CÁLCULO E DETERMINAÇÃO EXPERIMENTAL DA
TAXA DE DESGASEIFICAÇÃO DE MATERIAIS EM VÁCUO
Monografia apresentada no curso de Tecnologia em Materiais - ênfase em Polímeros, Metais e Cerâmicos da FATEC-SP, como requerido parcial para obter o título de Tecnólogo em Materiais. Orientador: Prof. Dr. Francisco Tadeu Degasperi
São Paulo
2011
Dedico este trabalho
a minha mãe, Helena.
Agradecimentos
Ao meu orientador, Prof. Dr. Francisco Tadeu Degasperi, que me acolheu no Laboratório de Tecnologia do Vácuo – LTV, me concedeu um projeto de pesquisa e sempre me auxiliou no que era necessário.
A minha mãe, que sempre me incentivou e acreditou em mim, mesmo quando eu mesmo não acreditava.
Aos meus amigos, que partilharam de todos os momentos, fossem eles bons ou ruins, durante todo o período em que estivemos juntos.
Aos meus professores, que durante todo o curso me propiciaram momentos de reflexão e contribuíram para meu crescimento, visando à minha formação como profissional e, acima de tudo, como pessoa.
Ao CNPq pela bolsa concedida durante o programa de Iniciação Científica e ao Laboratório de Tecnologia do Vácuo – LTV, pertencente à Faculdade de Tecnologia de São Paulo – FATEC-SP, do Centro Estadual de Educação Tecnológica Paula Souza – CEETEPS.
Resumo
O grau de contribuição da tecnologia do vácuo, tanto no progresso da pesquisa científica, quanto da manufatura de produtos industriais, tem aumentado acentuadamente nos últimos anos. Dessa forma, faz-se necessário o estudo e a análise dos fenômenos encontrados a baixas pressões, ou seja, aqueles que ocorrem em pressões abaixo da atmosférica, uma vez que um dos principais objetivos da tecnologia do vácuo é apresentar soluções para melhorar o desempenho de um sistema de vácuo, desde a otimização do processo de remoção dos gases e vapores presentes em um recipiente, até a melhoria no sistema de vedação (para diminuir possíveis vazamentos no sistema).
Nos processos que utilizam sistemas em alto vácuo e ultra-alto vácuo, um fenômeno particular pode ser observado, em que ocorre o desprendimento de gases e vapores provenientes das paredes do sistema. A este fenômeno, damos o nome de desgaseificação (do inglês degassing). Todo material exposto à pressão atmosférica é suscetível a absorver e adsorver gases provenientes do ambiente, seja devido a reações físicas, seja químicas. Em processos que exigem pressões abaixo de 10-4mbar, a desgaseificação não pode ser desconsiderada, já que limita a menor pressão atingida pelo sistema. Esta fonte gasosa é intrínseca a natureza e não temos como eliminá-la. Dessa forma, para sermos capazes de prever as limitações de um sistema de vácuo e escolher os melhores materiais para sua montagem, o estudo de taxa de desgaseificação, bem como um bom entendimento sobre as bases teóricas e fundamentos físicos que permeiam tal fenômeno, é necessário. [10]
O objetivo principal deste trabalho é a montagem e a caracterização de um arranjo experimental para a determinação da taxa de desgaseificação específica de materiais expostos a condições de alto vácuo. A princípio, determinaremos a pressão final do sistema de vácuo e, em seguida, colocaremos na câmara o material a ser determinada a taxa de desgaseificação. A evolução dos gases e vapores no interior da câmara será descrita através dos dados obtidos de um analisador de gases residuais, a ser instalado no sistema. Através da modelagem matemática e análise gráfica dos resultados, podemos aprofundar os conhecimentos do fenômeno da desgaseificação. [10]
Abstract
The extent of vacuum technology contribution in scientific research progress, as far as manufacturing of industrial products, has increased markedly in latest years. Thus, it is necessary doing the study and the analysis of the phenomena found at low pressures, in other words, those that occur at lower pressures than the atmospheric pressure, once that one of the main purposes of vacuum technology is to present solutions to improve the performance of a vacuum system, since the optimization of the removal process of gases and vapors present in a container, until the improvement of sealing system (to reduce possible leaks at the system).
In processes that use systems at high vacuum and ultra high vacuum, a particular phenomenon could be observed, in which occurs the gases and vapors release from the system walls. To this phenomenon, we call degassing. Every material exposed to atmospheric pressure is susceptible for absorb and adsorb gas from environment, due to physical reactions or chemical ones. At processes that require pressures below than 10-4 mbar, the degassing cannot be disregarded, as long as it limits the lowest pressure reached by the system. This gas source is intrinsic to the nature and we cannot eliminate it. Therefore, to be able to predict the limits of a vacuum system and to choose the best materials for its assembly, the study of degassing rate, as well as a good understanding about the theoretical basis and physical foundations that permeate such phenomenon, is necessary. [10]
The main purpose of this work is the assembly and the characterization of an experimental arrangement for the determination of the specific degassing rate of materials exposed to high vacuum conditions. At first, we will determinate the final pressure of the vacuum system and then, we will put the material to be determinate the degassing rate into the chamber. The evolution of the gas and vapors inside the chamber will be described by the data obtained by a residual gas analyzer, to be installed in the system. By the mathematical modeling and graphic analysis of the results, we could deepen the knowledge of degassing phenomenon. [10]
Sumário Agradecimentos...i Resumo...ii Abstract...iii Lista de Figuras...vi Lista de Tabelas...ix Lista de Equações...x 1. Objetivo...1 2. Introdução...2 3. Fundamentos Teóricos...4
3.1 Teoria Cinética dos Gases...4
3.2 Livre Caminho Médio (λ)...6
3.3 Regimes de Escoamento...7
3.4 Número de Knudsen (Kn)...8
3.5 Número de Reynolds (Rn)...8
3.6 Throughput (Q)...9
3.7 Fontes de Gases e Vapores em um Sistema de Vácuo...10
3.8 Processos Presentes na Desgaseificação...17
3.9 Espectrômetro de Massa...19
3.10 Analisador de Gases Residuais (RGA)...22
4. Materiais e Métodos...23
4.1 Materiais Utilizados...23
4.1.1 Aparato Experimental...23
4.1.2 Amostras...24
4.1.3 Limpeza dos Componentes do Aparato Experimental...24
4.1.4 Limpeza das Amostras...24
4.2 Montagem do Arranjo Experimental...24
4.3.1 Queda de Pressão...27
4.3.2 Elevação da Pressão...28
4.3.3 Analisador de Gases Residuais...29
4.4 Procedimento Experimental...30
5. Aquisição dos Dados Experimentais...33
6. Memorial de Cálculos...33 7. Resultados e Discussão...36 8. Conclusão...39 9. Perspectivas...39 10. Referências...40 11. Apêndices...42
Apêndice A. Bomba Mecânica...42
Apêndice B. Bomba Turbomolecular...44
Apêndice C. Medidor Pirani...45
Apêndice D. Medidor Penning...47
ApêndiceE. PTFE (Teflon®)...48
Apêndice F. Desenhos dos Componentes do Aparato Experimental...50
Apêndice G. Tabelas dos Gráficos...53
Lista de Figuras Figura 1...11 Figura 2...19 Figura 3...20 Figura 4...21 Figura 5...21 Figura 6...25 Figura 7...26 Figura 8...26 Figura 9...29 Figura 10...32 Figura 11...32 Figura 12...32 Figura 13...36 Figura 14...37 Figura 15...37 Figura 16...38 Figura 17...42 Figura 18...43 Figura 19...43 Figura 20...45 Figura 21...45 Figura 22...46 Figura 23...47 Figura 24...48 Figura 25...49 Figura 26...50 Figura 27...51 Figura 28...52 Figura 29...63 Figura 30...63 Figura 31...64 Figura 32...65
Figura 33...65 Figura 34...65 Figura 35...66 Figura 36...66 Figura 37...66 Figura 38...67 Figura 39...67 Figura 40...67 Figura 41...68 Figura 42...68 Figura 43...69 Figura 44...69 Figura 45...70 Figura 46...70 Figura 47...71 Figura 48...71 Figura 49...71 Figura 50...72 Figura 51...72 Figura 52...73 Figura 53...73 Figura 54...74 Figura 55...74 Figura 56...75 Figura 57...75 Figura 58...75 Figura 59...76 Figura 60...76 Figura 61...76 Figura 62...77 Figura 63...77 Figura 64...77 Figura 65...78 Figura 66...78
Figura 67...79 Figura 68...79 Figura 69...80 Figura 70...80 Figura 71...81 Figura 72...81 Figura 73...81 Figura 74...82 Figura 75...82 Figura 76...83 Figura 77...83 Figura 78...84 Figura 79...84 Figura 80...85 Figura 81...85 Figura 82...86 Figura 83...86 Figura 84...87 Figura 85...87
Lista de Tabelas Tabela 1...3 Tabela 2...8 Tabela 3...9 Tabela 4...22 Tabela 5...53 Tabela 6...53 Tabela 7...53 Tabela 8...54 Tabela 9...54 Tabela 10...54 Tabela 11...55 Tabela 12...56 Tabela 13...57 Tabela 14...57 Tabela 15...57 Tabela 16...58 Tabela 17...58 Tabela 18...58 Tabela 19...59 Tabela 20...60 Tabela 21...61 Tabela 22...61 Tabela 23...61 Tabela 24...61 Tabela 25...61 Tabela 26...62 Tabela 27...62 Tabela 28...62 Tabela 29...62
Lista de Equações Equação 1. ...5 Equação 2...5 Equação 3...6 Equação 4...6 Equação 5...6 Equação 6...6 Equação 7...6 Equação 8...8 Equação 9...9 Equação 10...9 Equação 11...10 Equação 12...10 Equação 13...11 Equação 14...12 Equação 15...14 Equação 16...14 Equação 17...15 Equação 18...15 Equação 19...15 Equação 20...15 Equação 21...27 Equação 22...28 Equação 23...28 Equação 24...34 Equação 25...34 Equação 26...35 Equação 27...35
1. Objetivo
O objetivo deste trabalho é a montagem e a caracterização de um arranjo experimental para a determinação da taxa de desgaseificação específica de materiais, quando submetidos a condições de alto vácuo.
O trabalho será desenvolvido no Laboratório de Tecnologia do Vácuo (LTV), da Faculdade de Tecnologia de São Paulo (FATEC-SP).
2. Introdução
Desgaseificação é um fenômeno inerente a todo material exposto à pressão atmosférica e consiste no desprendimento (desorpção) de gases e vapores da superfície do material quando submetido a baixas pressões, ou seja, em vácuo.[4] Tal fenômeno é contrário à adsorção, que nada mais é do que a retenção de gases e vapores na superfície de um material.
Em sistemas de vácuo, se todo o gás a ser removido de uma câmara estivesse localizado no centro, seria facilmente removido por uma bomba, em um curto intervalo de tempo. Entretanto, devido à presença de gases e vapores encontrados na superfície da câmara e de qualquer outro componente que se encontre dentro dela, a menor pressão atingida e o tempo necessário para se bombear todo o gás do sistema são limitados. À pressão atmosférica, nota-se um constante desprendimento de ganota-ses das superfícies dos materiais, assim como sua anexação ou reação com estas. Existem diversas fontes de gases de vapores que podem interferir nos sistemas de vácuo, porém em processos que trabalham com pressões abaixo de 10-4mbar (alto vácuo, ultra-alto vácuo), a desgaseificação é a fonte gasosa mais comum. Dessa forma, o conhecimento dessas fontes gasosas e um estudo aprofundado de tais fenômenos se fazem necessários e de extrema importância para a modelagem de sistemas de vácuo.[10] Para compreendermos tal fenômeno, primeiramente devemos introduzir conceitos básicos do comportamento de gases a baixas pressões, bem como discutirmos a natureza do vácuo.
O vácuo é vulgarmente definido como o vazio; no dicionário Aurélio, pode-se encontrar a seguinte definição: “espaço ocupado por coisa alguma”. [18,19]
Cientificamente, o vácuo é definido como sendo um espaço do qual ar ou quaisquer outros gases são removidos. Para a tecnologia do vácuo, especificamente, considera-se vácuo o espaço onde a pressão encontrada está abaixo da pressão atmosférica.[2] Neste ponto, é importante se destacar que todo gás presente não pode ser removido; o vácuo perfeito, a ausência total de substâncias não pode ser alcançada, devido a uma impossibilidade física.
O padrão métrico de unidade de pressão no Sistema Internacional (S.I.) é o Newton por metro quadrado(N/m2), que também é conhecido como Pascal (Pa). Embora o milibar (mbar)
não seja a notação padrão, convencionou-se seu uso na indústria de vácuo como a unidade mais aceita.[2, 20]
1mbar = 100Pa = 0,75torr
Por conveniência, a escala de pressões na tecnologia do vácuo é dividida em algumas classes (intervalos), como pode ser visto a seguir:
Tabela 1: Classificação do vácuo de acordo com o intervalo de pressão.[1] CLASSES DE VÁCUO
Grau de Vácuo Intervalo de Pressão
(Pa) Baixo 105 > P > 3.3x103 Médio 3.3x103 ≥ P > 10-1 Alto 10-1 ≥ P > 10-4 Muito Alto 10-4 ≥ P > 10-7 Ultra-Alto 10-7 ≥ P > 10-10 Extremo Ultra-Alto 10-10 > P
O nível de vácuo requerido é determinado levando-se em conta a aplicação desejada. Sputtering, gravura de plasma e deposição são processos realizados na faixa de baixo vácuo, enquanto a manufatura de dispositivos micro-eletrônicos e vidros automotivos se dá em condições de alto vácuo.[2]
Para produzirmos o vácuo em um dado volume, faz-se necessário o entendimento de conceitos físicos e um bom conhecimento dos equipamentos utilizados, para que a remoção de gases e vapores contidos em um dado recipiente seja realizada de maneira eficiente. De modo geral, a produção do vácuo está sujeita à variação de quatro grandezas: densidade molecular, livre caminho médio, incidência molecular e tempo de formação de monocamada.[1]
D
L
Liivvrree ccaammiinnhhoo mmééddiioo – Distância média percorrida por átomos e moléculas entre duas colisões sucessivas.
I
Inncciiddêênncciiaa mmoolleeccuullaar – Número de colisões de átomos e moléculas em uma superfície, por r unidade de área e de tempo.
T
Teemmppooddeeffoorrmmaaççããooddeemmoonnooccaammaadda – Tempo necessário para a saturação de uma superfície a com uma camada de moléculas de uma dada substância.
A variação das grandezas apresentadas acima é de extrema importância na tecnologia do vácuo, por estar intimamente ligada a sua aplicação, seja no ramo da indústria ou de pesquisa e desenvolvimento.
Este trabalho tem como objetivo a montagem e a caracterização de um arranjo experimental para a determinação da taxa de desgaseificação específica de materiais, quando submetidos a condições de alto vácuo. Para tanto, mediremos a pressão final do sistema de vácuo e, em seguida, colocaremos o material escolhido para a determinação da taxa de desgaseificação.[10] A análise da evolução dos gases e vapores provenientes do sistema será feita através de um analisador de gases residuais, a ser instalado na câmara. Assim, através dos resultados obtidos, poderemos plotar os pontos em um gráfico e ajustá-los de forma que nos forneçam as curvas das taxas de desgaseificação do material.
3. Fundamentos Teóricos
Para compreendermos o fenômeno da desgaseificação, a apresentação de conceitos teóricos é de extrema importância, uma vez que este assunto exige conhecimentos físicos e termodinâmicos.
3.1 Teoria Cinética dos Gases
Gás é um dos estados da matéria; a fase gasosa é caracterizada pela grande distância entre as moléculas – a força das interações intermoleculares é insignificante – e pelo
movimento aleatório das moléculas (movimento Browniano). Para se definir o estado de um gás são levadas em conta três grandezas fundamentais: pressão, volume e temperatura.[18]
A teoria cinética dos gases é a base para o estudo de sistemas de vácuo; seus fundamentos foram estabelecidos experimentalmente por diversos cientistas, tais como Boyle, Mariotte, Amontons, Dalton, Maxwell, Charles, Avogadro, entre outros.
Uma das equações mais utilizadas e conhecidas é a chamada equação de estado dos gases perfeitos ou ideais, também conhecida como equação de Clapeyron-Mendeleev, que é uma sistematização das leis de Boyle e Mariotte, de Charles, de Avogadro e de Gay-Lussac:
(1)
As grandezas presentes na equação são: a pressão (P), o volume (V), o número de mols (n), a temperatura na escala absoluta (T) e a constante universal dos gases (R), cujo valor é 8,3145J/mol.K ou 0,0825 atm.L/mol.K.
Outra forma de representação da equação é:
(2)
Nessa equação, P é a pressão, V é o volume, N é o número total de moléculas contido no recipiente, T é a temperatura em Kelvin e k é a constante de Boltzmann, cujo valor é 1,381x10-3 J/K. Por convenção, na tecnologia do vácuo, é preferível a utilização da constante dada expressa nas seguintes unidades: k = 1,03x10-12 mbar.L/K.
Para a maioria dos problemas tratados na tecnologia do vácuo, as equações acima são suficientes para tratar do comportamento dos gases em muitos casos.
A pressão absoluta em uma superfície é definida como sendo a taxa em que o momento mv é transmitido para uma superfície unitária. Através de alguns cálculos, encontramos que a pressão pode ser encontrada através da seguinte fórmula:
(3)
Entretanto, a energia total de uma molécula é proporcional à temperatura:
(4)
Combinando-se as equações (3) e (4) dadas acima, encontramos a equação:
(5)
Onde: P é a pressão, n é a densidade molar, k é uma constante expressa em J/K e T é a temperatura na escala absoluta.
3.2 Livre Caminho Médio (λ)
Livre caminho médio é a distância média percorrida por átomos e moléculas entre duas colisões sucessivas e é dado pela seguinte expressão:
(6)
Onde: dm2 é o diâmetro da molécula e é a densidade molecular.
Em função da pressão e da temperatura, podemos rearranjar a expressão acima, obtendo-se a equação a seguir:
(7)
Através das expressões acima, conseguimos determinar o livre caminho médio λ, que determina, direta ou indiretamente, uma série de propriedades relacionadas aos fenômenos de transporte de gases e vapores. Tal grandeza é de fundamental importância para a caracterização e desenvolvimento de sistemas de vácuo.
Vale lembrar que, por mais eficiente que seja o sistema, sempre restam moléculas do gás contido originalmente no recipiente. A densidade molecular do gás residual pode ser utilizada para caracterizar o nível de vácuo no sistema, já que a pressão do gás está relacionada com os choques por unidade de tempo que essas moléculas têm com as paredes do recipiente. À medida que o vácuo se torna mais perto da idealidade, há um número cada vez menor de moléculas por unidade de volume e, portanto, as colisões se tornam cada vez menos freqüentes.
3.3 Regimes de Escoamento
Os regimes de escoamento de gases são caracterizados através da natureza do gás e pela quantidade relativa do gás em uma tubulação. Parâmetros como pressão e velocidade de bombeamento são fatores que influenciam o tipo de fluxo apresentado. À baixas pressões encontramos quatro formas de escoamento em gases e vapores, com características bem distintas entre si.[1,10] Assim, os regimes de escoamento são classificados em:
F
FlluuxxooVViissccoossooTTuurrbbuulleenntto – Se caracteriza por um movimento caótico; as linhas de fluxo não o apresentam regularidade, não são retas. Nota-se a formação de redemoinhos que aparecem e desaparecem. Ocorre quando o sistema começa a ser bombeado a partir da atmosfera; a pressão e a velocidade dos gases são muito elevadas.
F
FlluuxxooVViissccoossoo LLaammiinnaar – Ocorre quando a velocidade das partículas e as irregularidades da r superfície do sistema são suficientemente pequenas para que o gás escoe de maneira suave através das obstruções. Diminuindo-se paulatinamente a pressão de um sistema, em um dado momento, o gás começa a se deslocar em forma de finas camadas sobrepostas umas às outras, como lâminas. A velocidade das camadas situadas na parte central de uma tubulação são maiores do que às situadas perto das paredes, onde a velocidade é quase nula.
F
FlluuxxooIInntteerrmmeeddiiáárriioo – Também conhecido como fluxo de transição, como o próprio nome já diz, corresponde a um regime intermediário entre o fluxo viscoso e o molecular (apresentado a seguir). Não se encaixa no fluxo viscoso, uma vez que a velocidade do gás próxima às paredes do tubo não pode ser desconsiderada e não caracteriza ainda o fluxo molecular, já que as colisões das moléculas não se dão somente com as paredes da tubulação.
F
FlluuxxooMMoolleeccuullaar – Este regime pode ser atingido a baixas pressões, ou seja, quando o livre r caminho médio das moléculas excede o diâmetro do tubo. No caso do regime de escoamento molecular, o transporte de gases é pouco eficiente e se dá de maneira aleatória; não há uma coerência macroscópica das moléculas, no transporte. Neste regime, as colisões das moléculas se dão somente com as paredes do tubo.
3.4 Número de Knudsen (Kn)
A natureza de um gás é determinada através da análise do número de Knudsen, que é uma relação adimensional entre o livre caminho médio λ e a dimensão característica do sistema, como o diâmetro da tubulação D, em um sistema típico de vácuo, que liga a bomba à câmara de vácuo.[1]
(8)
Tal grandeza também pode ser utilizada como critério para a determinação do regime de escoamento do gás (vide tabela a seguir).
Tabela 2: Determinação da natureza do gás, o fluxo apresentado e seu regime de escoamento através do número de Knudsen.[1] Número de Knudsen (Kn) Natureza do Gás Fluxo Regime de Escoamento
Kn < 0,01 Viscoso Contínuo Turbulento
Kn < 0,01 Viscoso Contínuo Laminar
1 < Kn < 0,01 Intermediário Intermediário Transição
1 < Kn Rarefeito Molecular Molecular
3.5 Número de Reynolds (Rn)
Enquanto o número de Knudsen determina a natureza de um gás, o número de Reynolds determina o tipo de regime de escoamento que um gás apresenta. Como visto anteriormente, Kn < 0,01 caracteriza um gás viscoso e fluxo contínuo. Entretanto, temos dois tipos de regime de escoamento caracterizados pelo fluxo contínuo, o regime turbulento e o laminar.[1] Assim, o número de Reynolds pode ser encontrado pela seguinte expressão:
(9)
Na equação acima, U é a velocidade de escoamento do gás, ρ é a densidade do gás, d é o diâmetro do tubo e η é a viscosidade do gás.
O número de Reynolds pode ser definido como uma taxa da tensão de cisalhamento devido à turbulência conseqüente da viscosidade. Também traz informações a respeito da força necessária para conduzir um gás em relação às forças de dissipação, decorrentes da viscosidade.
Tabela 3: Determinação do regime de escoamento de um gás através do número de Reynolds e do número de
Knudsen. Número de Reynolds (Rn) Número de Knudsen (Kn) Regime de Escoamento Rn > 2200 Kn < 0,01 Turbulento Rn < 1200 Kn < 0,01 Laminar Rn < 1200 1 < Kn < 0,01 Transição Rn < 1200 1 < Kn Molecular 3.6 Throughput (Q)
Throughput é a quantidade de gás, a uma pressão conhecida, que passa por um plano em um dado intervalo de tempo. Em outras palavras, é a taxa de fluxo de massa de um gás que atravessa uma superfície ou uma seção de um tubo de ligação.[1, 2]
(10)
Na equação acima, P é a pressão, V é o volume e t é o tempo. No SI, a unidade para a medida do throughput é Pa.m3/s, que também pode ser dado em J/s ou W (watts). Entretanto, na área de tecnologia do vácuo, convencionou-se o uso do mbar.L/s.
Essa taxa é um parâmetro de grande importância na caracterização da velocidade com que uma bomba evacua o sistema (velocidade de bombeamento) e, assim, deve ser levada em conta na análise de um sistema de vácuo.
O throughput se caracteriza pelo somatório de diversos fluxos com origens distintas. A seguir, apresentaremos detalhadamente as fontes de gases e vapores em um sistema de vácuo.
3.7 Fontes de Gases e Vapores em um Sistema de Vácuo
Ao efetuarmos o processo de bombeamento dos gases contidos em uma câmara de vácuo, devemos considerar os gases inicialmente presentes no sistema e as fontes de gases e vapores provenientes da superfície da câmara. Todo gás contido em uma câmara pode ser bombeado em um tempo relativamente pequeno, se estiver localizado no interior do sistema. Entretanto, na prática, isso não ocorre devido ao desprendimento de gases e vapores que se encontram nas paredes da câmara, que limitam a menor pressão atingida pelo sistema.[4, 10]
A determinação da evolução temporal da pressão na câmara de vácuo é resultado da modelagem dos sistemas de vácuo, realizada através da abordagem discreta. A equação fundamental para o processo de bombeamento é mostrada a seguir:
(11)
Na expressão acima, VCV representa o volume da câmara de vácuo, PCV é a pressão na câmara em função do tempo, Sef é a velocidade efetiva de bombeamento e
(throughput) é a soma das vazões das possíveis fontes de gases e vapores do sistema de vácuo multiplicada por kT. Neste ponto, é conveniente apresentar a expressão que fornece o throughput total, relativo a todas as fontes de gases e vapores do sistema:
(12)
Em que QVR representa o throughput do vazamento real, QVV o do vazamento virtual, QPerm o da permeação, QDes o da desgaseificação, QSub o da sublimação, QFBV o throughput que advém da fonte gasosa da bomba de vácuo, QVap o resultante da vaporização, QGVP aquele provindo dos gases e vapores de processo e QIC o da injeção controlada de gases e vapores. Para a determinação do throughput total do sistema, é necessário encontrarmos cada uma das parcelas presentes na equação, sendo que cada uma possui uma modelagem (função) matemática para sua determinação. Assim, vemos que o cálculo para a soma das vazões das possíveis fontes de gases e vapores do sistema de vácuo é uma tarefa complexa. No entanto, observamos que uma particular fonte gasosa geralmente é a dominante em certas faixas de
pressão, o que pode simplificar os cálculos, uma vez que o throughput das outras fontes gasosas pode ser desprezado e, então, ser desconsiderado na expressão acima. Segue abaixo um esquema de um sistema de vácuo, apresentando as possíveis fontes de gases e vapores encontradas nas aplicações a baixas pressões.
Figura 1: Esquema ilustrativo de um sistema de vácuo a baixas pressões, explicitando todas as possíveis fontes de gases e vapores (throughputs) em uma câmara de vácuo e mostrando seus principais componentes (câmara de vácuo, linha de bombeamento e bombas de vácuo).[4]
Para melhor aprofundarmos o conhecimento do tema tratado, uma breve descrição de cada uma das parcelas presentes na expressão acima se faz necessária. Dessa forma, as possíveis fontes de gases e vapores encontradas em uma câmara de vácuo são conceituadas adiante.[4, 5, 10]
V
Vaazzaammeennttoo RReeaall ((QQVVRR)) – Esta fonte de gás é geralmente ocasionada por imperfeições no
sistema de vácuo (trinca em uma solda, riscos em uma superfície de vedação, entre outros) e é devida à passagem de gases entre o meio interno e externo.[4] Matematicamente, o throughput de vazamento real é expresso por:
(13) Na equação acima, CVR representa a condutância da passagem do vazamento real, Patm é a pressão atmosférica e PCV é a pressão na câmara de vácuo. Apesar da simplicidade da equação, na prática não conseguimos calcular o throughput de vazamento real de um sistema de vácuo, pois é praticamente impossível dimensionarmos e quantificarmos as dimensões da passagem do vazamento. Entretanto, esse fator não influi significativamente na obtenção do throughput total do sistema, pois quando ocorre a identificação de um vazamento, deve-se
eliminá-lo prontamente. Dessa forma, a parcela do vazamento real pode ser desconsiderada dos cálculos matemáticos. Caso haja interesse na determinação de QVR, podemos obtê-lo experimentalmente, dispondo do valor da pressão final do sistema e da velocidade efetiva de bombeamento e subtraindo-se as demais fontes gasosas, ou desconsiderando-as. Dessa forma, teríamos:
(14) com Sef representando a velocidade efetiva de bombeamento e Pf, a pressão final do sistema. V
Vaazzaammeennttoo VViirrttuuaall ((QQVVVV)) – O vazamento virtual é caracterizado por um pequeno volume
preso em uma câmera, que tende a se libertar a baixas pressões. Em outras palavras, essa fonte de gás decorre da liberação de gás acumulado em um volume de pequenas dimensões ligado ao sistema de vácuo por uma passagem que apresenta baixa condutância; quanto menor a condutância, mais prejudicado será o sistema, devido à dificuldade no bombeamento do gás aprisionado. Em processos que utilizam alto vácuo, essa fonte não pode ser desconsiderada, já que as fontes de gás se somam àquelas advindas da desgaseificação. O vazamento virtual é um fenômeno contrário ao vazamento real, pois enquanto o throughput do vazamento real é praticamente constante, o do vazamento virtual varia à medida que o gás vai sendo liberado através do bombeamento, ou seja, a quantidade de gás presente na câmara vai diminuindo. Uma vez que o throughput do vazamento virtual é variável, seu cálculo não pode ser resumido de forma simples, como no caso do vazamento real. A modelagem matemática para quantificação do QVV é muito complexa; para os objetivos deste trabalho não será apresentada. Embora haja pouca preocupação acerca das conseqüências decorrentes desta fonte gasosa, ela não deve ser subjugada ou negligenciada, pois afeta negativamente o desempenho de um sistema de vácuo. Dentre as formas possíveis de prevenção dos problemas decorrentes de tal fenômeno, a mais importante é evitar construções dentro do sistema de vácuo que produzam volumes com pequenas passagens de gás para o vácuo.[4, 10]
P
Peerrmmeeaaççããoo((QQPPeerrm)m) – A permeação é um conjunto de fenômenos físicos: adsorção, difusão e
desorpção. Esta fonte é caracterizada pela passagem de partículas do meio externo ao sistema de vácuo ao meio interno, através do fenômeno da difusão. Pode ser vislumbrada da seguinte forma: ocorrem colisões de átomos ou moléculas gasosas na superfície da parede externa ao vácuo; essas partículas gasosas são adsorvidas (convém frisar que as moléculas não se dissociam na adsorção); ocorre o movimento do gás, da parede externa à parede interna do
material, devido ao gradiente de concentração (difusão do gás); ocorre a transferência do gás da parede interna do material a sua superfície (superfície interna ao vácuo) e, por fim, se dá a desorpção do gás. A permeação é uma função da temperatura, do tipo de gás, da estrutura do material utilizado para a montagem do sistema (espessura da câmara, tipo de material utilizado para sua construção, dentre outros) e da pressão externa ao sistema. Para cada tipo de partícula – seja átomo ou molécula – o throughput da permeação (por unidade de área) não apresenta dificuldade de determinação, os valores são constantes e tabelados para cada substância. Isso porque os resultados são obtidos do fenômeno da difusão, que é um assunto da físico-química já estudado e aprofundado e que, através de cálculos matemáticos, estabeleceu tais valores.[4, 6, 10]
D
Deessggaasseeiiffiiccaaççããoo((QQDDeess)) – A desgaseificação é a fonte mais usual em sistemas de alto vácuo e
ultra-alto vácuo; tal fenômeno é intrínseco à natureza e não temos como eliminá-lo. Apesar de estar presente em qualquer nível de vácuo, essa fonte é predominante e mais significativa a baixas pressões. É um fenômeno físico que abrange diversos processos, que serão descritos com maior profundidade adiante, em um tópico específico que tratará do tema. A desgaseificação é basicamente um fenômeno contrário à adsorção, na qual ocorre sorção (retenção) de gases e vapores na superfície dos materiais expostos ao ambiente, por conseguinte, quanto maior a área exposta, maior é a liberação de gases e, então, maior a taxa de desgaseificação. Dadas essas informações, uma forma de diminuir essa taxa no sistema é a existência de um procedimento de limpeza e condicionamento rígido e sistemático, para que a quantidade de gases e vapores na superfície dos materiais inseridos, ou que fazem parte da montagem do sistema de vácuo, seja a menor possível. Existem diversas maneiras de acelerar esse desprendimento de gases e vapores, tais quais por aquecimento, bombardeamento de elétrons, fótons ou átomos, entre outros. Em termos físicos, as moléculas sorvidas na superfície formam com esta, ligações intermoleculares do tipo van der Waals, ou seja, não formam ligações químicas fortes com a superfície, sendo este o motivo do desprendimento dessas substâncias quando expostas ao vácuo. Já foi dito anteriormente que a limpeza e o condicionamento da superfície dos materiais são muito importantes, pois influenciam a taxa de desgaseificação dos materiais. Outro fator que influencia essa taxa é a falta de padronização nas medições, o que pode ocasionar uma oscilação nos resultados obtidos e, por vezes, acarretando em uma análise imprudente e precipitada dos dados. Dado o fato de o objetivo deste trabalho tratar da desgaseificação, especificamente, a modelagem matemática
para esse fenômeno será trabalhada à frente, em um tópico à parte, juntamente com a análise dados.[4, 10]
V
Vaappoorriizzaaççããoo ((QQVVaap)p) – A vaporização é a passagem do estado líquido para o gasoso e pode
ocorrer de duas formas distintas: por evaporação e por ebulição. Estas, diferem apenas na velocidade com que se procede a mudança de fases, sendo que na evaporação a passagem ocorre de maneira lenta e, na ebulição, o processo é mais rápido. Esta fonte de gás é devido ao fenômeno da pressão de vapor em líquidos e influi de forma negativa no desempenho dos sistemas de vácuo, por limitar a pressão final atingida no sistema. Geralmente, os líquidos apresentam altos valores de pressão de vapor, o que pode comprometer bastante a pressão final do sistema. É importante lembrar que a pressão de vapor varia exponencialmente com a temperatura. Assim, faz-se necessário o uso de produtos de limpeza com alto grau de volatilidade, para que haja o menor número de contaminantes e diminuir as possíveis fontes gasosas provindas da vaporização, uma vez que é quase impossível eliminar completamente os líquidos presentes na câmara. Para alguns componentes, é necessária a utilização de produtos com baixa volatilidade, para que não ocorra este fenômeno, como as substâncias para a vedação. A limpeza é uma etapa muito importante no que diz respeito aos sistemas de vácuo. Vale frisar a importância de tal etapa, uma vez que os sistemas devem estar livres de contaminantes e impurezas, para uma melhor qualidade de vácuo atingida pelo sistema.[4,5] Alguns líquidos comumente utilizados para a limpeza do sistema são alcoóis, acetonas, detergentes e água. Em contrapartida, ocorrem inúmeros processos em vácuo baseados na pressão de vapor dos materiais; nestes casos, essa grandeza deve ser diretamente considerada, e o throughput devido à vaporização em vácuo ser obtido através da seguinte equação:
(15)
Na expressão acima, JVap é a quantidade de moléculas por unidade de área e de tempo que evapora de uma superfície, e pode ser determinada pela expressão seguinte:
(16) onde Pvapor é a pressão de vapor do material líquido.
(17)
S
Suubblliimmaaççããoo((QQSSuubb)) – Esta fonte gasosa é originada da pressão de vapor, concomitantemente à
vaporização (evaporação). Conceitualmente, a sublimação é o fenômeno em que as partículas de uma substância passam do estado sólido para o gasoso (ou o contrário) diretamente, ou seja, sem passar pela fase líquida. Essa passagem ocorre quando as partículas da substância sólida possuem energia suficiente para se desprender sem que haja uma força de atração suficiente entre as partículas para a formação do estado líquido. O ponto em que esta transformação ocorre, denominado ponto de sublimação, é o ponto na qual a pressão de vapor de uma substância se iguala à pressão da vizinhança em que se encontra. Assim como a pressão de vapor dos líquidos, a pressão de vapor dos sólidos apresenta forte dependência com a temperatura, sendo que os sólidos apresentam valores muito menores, quando comparados aos líquidos. Para sistemas que utilizam o vácuo, é necessária uma escolha adequada para os materiais que formam o sistema, já que a sublimação pode ser um fator determinante da limitação da pressão final do sistema. Entretanto, embora tal fenômeno influa negativamente no bom desempenho de um sistema de vácuo, também pode ser utilizado em diversas áreas e aplicações, tais quais metalização e estampagem por sublimação.[4,5] O throughput advindo da sublimação é determinado de forma análoga ao da vaporização, através da seguinte expressão:
(18) Na expressão acima, JSub é a quantidade de moléculas por unidade de área e de tempo que sublima de uma superfície e pode ser obtida por:
(19) onde Pvapor é a pressão de vapor do material líquido.
O fluxo de material líquido que sublima pode ser determinado através da equação 20, análoga à equação 17.
F
FoonntteeddaaBBoommbbaaddeeVVááccuuoo((QQFFBBVV)) – Esta fonte tem origem nos gases e vapores advindos da
bomba de vácuo que se encaminham em direção à câmara, provocando um aumento da pressão no sistema. O valor do throughput dessa fonte gasosa apresenta dependência quanto ao tipo de bomba escolhida para a montagem do sistema, dos procedimentos utilizados para sua operação, da qualidade e do estado de manutenção da bomba e de seus componentes internos e do número de bombas acopladas ao sistema. Portanto, podemos encontrar uma variação significativa quanto ao throughput obtido desta fonte gasosa, já que diversos fatores podem influir no valor encontrado. Para diversos processos em vácuo, os gases e vapores provindos dos fluidos de algumas bombas de vácuo (como óleos provindos de bombas difusoras, por exemplo) podem ser prejudiciais. Para minimizar os efeitos de tal fonte, é necessário que se conheça e quantifique essa quantidade gasosa; alguns catálogos de bombas de vácuo fornecem tal informação.[4,5,10]
G
GaasseesseeVVaappoorreessddeePPrroocceessssoo((QQGGVVP)P) – Esta fonte gasosa é dependente do processo realizado
em vácuo, ou seja, depende dos gases e vapores gerados durante o processo. Para determinarmos a origem desta fonte gasosa, devemos conhecer detalhadamente o sistema em questão; porém, quando nos deparamos com um sistema mais complexo, a determinação dessa fonte não é imediata e pode não ser resolvida através da fundamentação teórica. Dessa forma, o valor do throughput deverá ser calculado através de métodos experimentais. Um exemplo interessante de determinação do throughput realizado de forma experimental é a aplicação de vácuo na indústria alimentícia, na embalagem de alimentos a vácuo.[4,5,10]
I
InnjjeeççããooCCoonnttrroollaaddaaddeeGGaasseesseeVVaappoorreess((QQIICC)) – Em certas situações e aplicações que exigem
vácuo, faz-se necessário o uso de gases e vapores que devem ser introduzidos no sistema de forma controlada, ou seja, essa injeção deve ser realizada de maneira que todo o processo seja constantemente controlado e monitorado, desde a quantidade de gases introduzidos na câmara até o tempo de injeção. O procedimento geral para tal processo é realizar a conexão da fonte à câmara de vácuo através de uma válvula com condutância e tempo de abertura/fechamento determinados anteriormente; na injeção de gases, considera-se a pressão dos gases saídos da câmara equivalentes à atmosférica e os gases entrando na câmara à pressão nula, enquanto na injeção de vapores, comumente encontramos a fonte de origem no estado líquido. Deve-se ter muita atenção no transporte dos vapores, que podem liquefazer-se a quedas de temperatura durante o processo; neste ponto, convém lembrar que, diferentemente da injeção de gases, onde a pressão dos gases que entram no sistema é considerada nula, na injeção de vapores, consideramos essa pressão como a pressão de vapor do material em seu estado líquido. O
throughput provindo desta fonte é independente da pressão encontrada na câmara de vácuo, mas sofre influência de fatores como a temperatura e a área de acesso do gás à câmara. A injeção controlada de gases e vapores apresenta uma ampla gama de utilizações e aplicações, dentre elas podemos citar os processos na área de pesquisa, envolvendo plasma e sputtering.[4,5,10]
Para finalizar este tópico, devemos lembrar que a análise e a quantificação de tais fontes gasosas em sistemas de vácuo são de suma importância para determinarmos e otimizarmos tais sistemas. Algumas destas fontes, embora não possuam uma modelagem matemática adequada para sua determinação, podem ser obtidas experimentalmente e devemos nos ater ao fato de que, em certos casos, podemos simplificar bastante a análise do sistema, já que geralmente ocorre a predominância de uma ou mais fontes gasosas, dependendo no nível de vácuo requerido e da sua aplicação.
3.8 Processos Presentes na Desgaseificação
Este tópico discute os mecanismos da evolução de gases de superfícies sólidas, ou seja, discorre sobre o fenômeno de desprendimento de gases dos sólidos, e explica o modo com o qual ele afeta a taxa de bombeamento e a pressão máxima atingida pela câmera de vácuo. O desprendimento de gases e vapores de uma superfície é resultado da vaporização, desorpção, difusão e permeação.
V
Vaappoorriizzaaççãão – Algumas moléculas possuem energia suficiente para escapar da superfície de o um sólido, ou líquido para tornarem-se parte da atmosfera. Vapor é um gás que se encontra acima da sua temperatura de condensação; vaporização é a entrada estimulada (termicamente) na fase de vapor. No equilíbrio dinâmico, a taxa com a qual as moléculas deixam a superfície de um sólido, ou líquido, equivale à taxa com a qual elas voltam para tal superfície. A evaporação desencadeada por aquecimento evita que as moléculas que deixam a superfície, retornem. No vácuo, a taxa de evaporação aumenta, já que as moléculas deixando o sistema têm chances menores de colisão com outras moléculas, então a evaporação ocorre mais rapidamente. Esse fenômeno implica que um grande cuidado deve ser tomado para evitar uma contaminação do sistema, pois fontes de vapor podem estar presentes.[1,10]
D
Deessoorrppççãão – A desorpção é principal fonte de gases e vapores em um sistema de vácuo a o baixas pressões e se caracteriza pela liberação destes pelo material. Tal fenômeno é comumente dividido em duas categorias: outgassing (não existe uma tradução para o português) e desgaseificação (degassing). A diferença básica entre as duas categorias existentes decorre da maneira pela qual a desorpção ocorre; na primeira, a desorpção acontece de forma espontânea, enquanto na segunda, ocorre de forma deliberada, forçada. O processo reverso é denominado adsorção, que nada mais é do que a retenção de gases e vapores na superfície de um material. Os gases e vapores adsorvidos em uma superfície não ficam retidos para sempre; eles tendem a se libertar sob certas condições. A adsorção pode ser devida a reações físicas ou químicas, sendo que as moléculas sorvidas quimicamente são as responsáveis pela perda da eficiência de bombeamento.[1,10]
D
Diiffuussããoo – A difusão é definida como sendo o fenômeno de transporte de material pelo movimento de átomos; é a migração paulatina dos átomos de um sítio para outro, em um material. É um processo em que as partículas se movimentam através de um sólido, líquido ou gás e ocorre muito mais lentamente do que a desorpção. A taxa de transporte dessas partículas através da superfície do material determina a taxa de liberação destas no sistema de vácuo.[1,10]
P
Peerrmmeeaaççãão – A permeação é uma função da temperatura, do tipo de gás e da estrutura do o material utilizado para a montagem do sistema, e envolve alguns passos: ocorrem colisões de átomos ou moléculas gasosas na superfície da parede externa ao vácuo; essas partículas gasosas são adsorvidas (convém frisar que as moléculas não se dissociam na adsorção); ocorre o movimento do gás, da parede externa à parede interna do material, devido ao gradiente de concentração (difusão do gás); ocorre a transferência do gás da parede interna do material a sua superfície (superfície interna ao vácuo) e, por fim, se dá a desorpção do gás. Assim como o fenômeno da desorpção, a permeação de gases através de uma parede, ou materiais selados, influi em um sistema de alto e ultra-alto vácuo.[1,10]
Figura 2: Esquema ilustrativo mostrando os processos presentes na superfície de um material submetido ao vácuo.[2]
3.9 Espectrômetro de Massa
A identificação de gases presentes em um sistema de vácuo, bem como a qualificação individual de cada gás ou vapor, pode ser realizada através de um instrumento denominado espectrômetro de massa. Um espectrômetro de massa é um aparelho utilizado para medir a relação massa-carga de fragmentos iônicos gerados a partir de um processo de ionização da amostra que se pretende analisar.[9] Os métodos de espectroscopia de massa que medem pressões parciais se tornaram indispensáveis no diagnóstico de gases que constituem a atmosfera de uma câmera de vácuo. Os espectrômetros de massa têm sido utilizados em diversos campos, dentre eles medicina, engenharia, tecnologia e pesquisa científica.
Os espectrômetros de massa consistem, basicamente, de quatro partes: fonte de íons, analisador de massa, detector e mostrador (display). Na fonte de íons, ocorre a ionização, a produção de íons; no analisador de massa, os íons são separados de acordo com a relação massa-carga; o detector é responsável pela coleta das quantidades relativas de íons como se fosse uma pequena corrente iônica e, o estágio final, consiste na amplificação e exibição da corrente iônica. Esses componentes, combinados, formam um instrumento capaz de fornecer os espectros de massa das moléculas presentes em um sistema de vácuo.[2]
Figura 3: Esquema ilustrativo mostrando o sistema de funcionamento básico de um espectrômetro de massa.[10]
Os espectrômetros de massa podem ser classificados de acordo com a sua forma de funcionamento; de modo geral, existem dois tipos principais: defletor magnético e quadrupolar.
D
DeefflleettoorrMMaaggnnééttiiccoo–– No espectrômetro de massa defletor magnético, elétrons são emitidos de um filamento aquecido e atraídos por uma carga positiva; o feixe de elétrons passa ionizando quaisquer moléculas de gás que encontra. A taxa de emissão de elétrons é mantida constante. Em seguida, os íons positivos são atraídos por uma carga negativa em direção a uma fenda de saída. Nesse ponto, é importante salientar que alguns íons irão se chocar contra a caixa e serão perdidos; aqueles que passarem através da fenda serão acelerados e emergirão como um feixe de íons misturados, viajando em uma linha reta. Então, o feixe de íons se divide, sob a influência de um campo magnético; este campo magnético conduz os íons em trajetórias circulares de diferentes ângulos, já que íons pesados tendem a ser menos defletidos do que íons mais leves. Assim, o feixe de íons é dividido em diversos feixes individuais de elétrons, que caracterizam, cada qual, uma respectiva massa e, portanto, um elemento correspondente. Através da transferência de carga dos íons para o coletor/detector, é produzida uma corrente que, por fim, é detectada e mostrada no leitor (sistema de registro dos dados).[2] Dessa forma, consegue-se detectar e analisar os componentes individuais presentes em uma amostra.
Figura 4: Esquema ilustrativo mostrando o sistema de funcionamento de um espectrômetro de massa defletor magnétco.[21, 22]
Q
Quuaaddrruuppoollaarr – No espectrômetro de massa quadrupolar, íons positivos emergindo de uma – fonte de íons são convergidos em um feixe que atravessa um conjunto de cilindros circulares. Estes são responsáveis por fornecer um campo de rádiofrequência específico dado em MHz. Os cilindros que se encontram diametralmente opostos são conectados eletricamente, criando uma diferença de potencial entre eles; a tensão aplicada consiste nessa diferença de potencial somada à rádiofrequência. Como conseqüência da oscilação do campo produzido, os íons que entram na região sofrem oscilação também e, para uma freqüência particular, apenas íons que apresentam determinadas massas atingem o detector. [2]
Figura 5: Esquema ilustrativo mostrando o sistema de funcionamento interno de um espectrômetro de massa quadrupolar.
A escolha adequada dentre os dois tipos de espectrômetros supracitados deve levar em consideração algumas diferenças, que são abordadas no quadro abaixo:
Tabela 4: Tabela comparativa mostrando as principais vantagens e desvantagens de cada espectrômetro mencionado.[2]
TIPOS DE ESPECTRÔMETRO
Defletor Magnético Quadrupolar
Volumoso. Compacto.
Menos sensível à contaminação. Sensível à contaminação. O campo magnético pode sofrer
interferência de outros equipamentos.
Não utiliza campo magnético. O magneto pode necessitar remoção para
aquecimento (para melhorar a qualidade do vácuo).
Pode ser mais barato em relação ao defletor magnético.
O imã pode necessitar de remoção para aquecimento.
Pode ser mais barato, em relação ao tipo defletor magnético.
Movimentação dos íons ocorre devido a um campo magnético.
Movimentação dos íons causada pela aplicação de uma diferença de potencial e ondas de radiofreqüência.
Geralmente, o espectrômetro quadrupolar encontra grande aceitação como um instrumento de análise de gases em sistemas de vácuo, enquanto o defletor magnético encontra maior utilização em equipamentos de detecção de vazamentos. [2]
3.10 Analisador de Gases Residuais (RGA)
Analisador de Gases Residuais ou RGA (Residual Gas Analyzer) é o termo utilizado para uma classe de espectrômetros de massa do tipo quadrupolo, utilizados para a análise de gases presentes em alto e ultra-alto vácuo. Assim, a função do RGA é analisar a composição de um sistema de vácuo para avaliar a qualidade do vácuo em uma câmera e também para a detecção de possíveis vazamentos.[9] A importância da utilização deste tipo de instrumento tem aumentado nos últimos anos; inicialmente utilizado apenas como instrumento de pesquisa, atualmente tem se mostrado muito eficaz na indústria como uma ferramenta de produção, já que pode aumentar a produtividade, aperfeiçoar a produção de produtos, reduzir custos, entre outros, a fim de aumentar a rentabilidade de uma empresa. [3]
Os RGA’s tipicamente cobrem intervalos de 1 a 100 ou 200 u.m.a. (unidades de massa atômica), o que já se mostra eficiente para os objetivos definidos para seu uso, uma vez que pouquíssimas substâncias que apresentam massas maiores que 200 u.m.a. são voláteis. [3]
O gráfico básico produzido por um RGA é chamado de espectro de massa. Um espectro de massa é um padrão de picos traçados como função da relação massa-carga do íon; cada substância química apresenta um espectro de massa único e característico, distinto de qualquer outro existente. É importante salientar que existem diversos tipos de analisadores de gases e que cada um fornece espectros ligeiramente diferentes para um mesmo tipo de substância; as características particulares de cada componente, como o ionizador, o filtro de massa e o detector, assim como a maneira de introdução da amostra de gás, são fatores que influenciam no espectro produzido pelo analisador. Raramente se obtém um espectro de massa de uma substância pura; geralmente, o espectro obtido é um composto de substâncias individuais que, juntas, formam a real amostra presente na câmera. Diversas reações podem ocorrer no ionizador do RGA, dentre elas a fragmentação de moléculas. O espectro de massa obtido quando a molécula original é quebrada através do impacto de um elétron, no ionizador, é comumente chamada de padrão fragmentado ou padrão quebrado. Normalmente, picos de espécies que apresentam cargas múltiplas são menores do que os picos dados pela correspondente espécie com carga única. A existência de picos múltiplos em um espectro de massa pode ser explicada pelo fato de alguns elementos serem formados por uma mistura de isótopos. [8]
4. Materiais e Métodos
Neste tópico estão dispostos e descritos os materiais utilizados para a realização dos experimentos, bem como a explanação dos métodos utilizados para a coleta dos dados. Serão abordados especificamente os materiais e métodos de maior interesse no tema proposto, os demais componentes estão melhor detalhados no apêndice, ao final do trabalho.
4.1 Materiais Utilizados
4.1.1 Aparato Experimental
- Bomba Turbomolecular – Modelo ATP 80 AAllccaatteel l - Bomba Mecânica – Modelo Pascal 2005SD AAllccaatteell
- Analisador de Gases Residuais – Modelo ECO TE100 LLeeyybboollddIInnffiiccoon n - Medidor Penning – Modelo AGD102IM - EEddwwaarrdds s
- Medidor Pirani – Modelo 953 Gauge Controller MMKKSSIInnssttrruummeennttss,,IInncc. . - Câmara de Vácuo
- Válvula de Esfera – Modelo AFS SSwwaaggeellook k
- Flanges (CF-40, KF-25, KF-16) - Abraçadeiras
- Anéis de Vedação (“O-Rings”) - Lubrificante de Silicone
- Gás nitrogênio (N2)
4.1.2 Amostras
- Folhas de Politetrafluoretileno (PTFE)
4.1.3 Limpeza dos Componentes do Aparato Experimental - Detergente Neutro
- n-Heptano - Água
- Luvas Descartáveis - Papel Absorvente
4.1.3 Limpeza das Amostras - Álcool Isopropílico
- Luvas Descartáveis - Papel Absorvente
4.2 Montagem do Arranjo Experimental
Como dito anteriormente, a limpeza e o condicionamento da superfície dos materiais que formam o sistema de vácuo são muito importantes, pois influenciam a taxa de desgaseificação dos materiais. Dessa forma, iniciamos a limpeza das superfícies de cada componente do sistema, realizada através do seguinte procedimento:
Com a esponja macia e o uso de detergente neutro, lavou-se cada peça delicadamente, a fim de remover as impurezas presentes nos componentes do aparato.
Secou-se bem cada um dos itens com papel absorvente e, para cavidades vazadas ou estruturas mais complexas (como aqueles que possuem formato de sifão, por exemplo), utilizou-se o secador elétrico.
Com a ajuda de uma flanela, passamos o n-heptano em todas as peças, para remover qualquer vestígio de gordura.
Obs.: Em todas as etapas do procedimento foram utilizadas luvas descartáveis para a proteção das mãos e para a não-contaminação dos componentes do sistema.
Segue abaixo um esquema básico do arranjo experimental que será utilizado para a medição das taxas de desgaseificação de materiais específicos em vácuo. Geralmente, os projetos são realizados com modelagem simplificada, de acordo com as necessidades daquilo que será analisado.
Figura 6: Configuração genérica de um sistema de vácuo.[10]
Já nas duas figuras seguintes encontra-se uma representação esquemática de um arranjo experimental apontando cada componente e uma foto mostrando o aparato experimental utilizado neste trabalho.
Figura 7: Desenho representativo mostrando um arranjo experimental montado para a medição da taxa de desgaseificação específica de materiais, elucidando cada componente.[10]
Figura 8: Foto do arranjo experimental montado para a medição da taxa de desgaseificação específica de materiais, encontrado no Laboratório de Tecnologia do Vácuo – LTV.
4.3 Métodos Utilizados
Para realizar a análise da evolução temporal da pressão na câmara de vácuo e conseguir inferir a taxa de desgaseificação dos materiais inseridos nela, há dois métodos que podem ser utilizados: método pela queda de pressão e método pela elevação de pressão.
O acompanhamento da evolução temporal da pressão na câmara de vácuo é resultado da modelagem dos sistemas de vácuo, realizada através da abordagem discreta. A equação fundamental para o processo de bombeamento é mostrada a seguir:
(11)
Onde o termo Vcv é o volume da câmara de vácuo, é a variação da pressão da câmara de vácuo pelo tempo, Sef é a velocidade de bombeamento efetiva da bomba, pcv(t) é a pressão da câmara de vácuo em função do tempo e representa a somatória de todas as possíveis fontes de gases e vapores do sistema multiplicada por kT.
4.3.1 Queda de Pressão
Como o próprio nome já diz, este método mede a taxa de desgaseificação através do monitoramento da queda de pressão na câmara em função da velocidade de bombeamento, ou seja, em função da quantidade de gás extraída.
Dada a equação 11 que descreve o processo de bombeamento na câmara e lembrando que, em certas faixas de pressão encontramos uma fonte gasosa dominante, pode-se simplificar a análise do sistema de vácuo desprezando as outras fontes gasosas. Em alto e ultra-alto vácuo, a parcela devido a desgaseificação é a fonte gasosa dominante, aquela que predomina no sistema. Dessa forma, a equação 11 pode ser reescrita da seguinte maneira:
Determinando os valores das variáveis, pode-se determinar o throughput (taxa de fluxo de massa) da desgaseificação em função do tempo.
4.3.2 Elevação de Pressão
Através deste método, o throughput do material devido à desgaseificação, pode ser calculado através do monitoramento da elevação da pressão na câmara após o fechamento da válvula de bombeamento, ou seja, faz-se o bombeamento dos gases e vapores da câmara de vácuo até que seja atingida a pressão de alto vácuo e, logo em seguida, fecha-se a válvula de bombeamento, isolando a câmara. Feito isso, a pressão na câmara subirá até atingir um equilíbrio; para pressões muito abaixo da pressão de equilíbrio, nota-se que a elevação ocorrerá de maneira aproximadamente linear. Uma vez que o processo de bombeamento será interrompido, a parcela será nula, simplificando a equação, que ficará da seguinte forma:
(22)
Através dos dois métodos apresentados anteriormente, a taxa de desgaseificação específica dos materiais pode ser obtida através da equação abaixo:
(23)
Onde é o throughput devido à desgaseificação da câmara de vácuo com a amostra dentro, é o throughput devido à desgaseificação da câmara de vácuo (“background”) e é a área da superfície da amostra, geralmente expressa em cm2.
Em alguns casos, a desgaseificação do material que compõe a câmara de vácuo pode ser o principal fator limitante. Para reduzir a sua contribuição como fonte de gás e vapor, ou seja, para evitar que esta prejudique ou altere os valores obtidos na medição, a câmara de vácuo pode ser aquecida (baking). Outra maneira é o acoplamento de uma pequena câmara independente conectada à câmara de vácuo, isolando-a através de uma válvula, de modo que
somente a superfície da câmara pequena seja exposta à atmosfera durante a manipulação da amostra. Para o trabalho aqui exposto, não nos utilizamos deste artifício, devido à complexidade de execução.
4.3.3 Analisador de Gases Residuais
Como detalhado anteriormente na teoria, o uso do analisador de gases residuais – RGA (Residual Gas Analyzer) – é bastante útil para a identificação da composição final do sistema, ou seja, dos gases e vapores presentes dentro da câmara. A análise é feita através dos resultados fornecidos pelo RGA, os espectros de massa.
Devido a diversas reações que podem ocorrer no ionizador do RGA, dificilmente se obtém um espectro de massa de uma substância pura; geralmente, o espectro obtido é um composto de substâncias individuais que, juntas, formam a real amostra presente na câmera. O espectro de massa obtido quando a molécula original é quebrada através do impacto de um elétron, no ionizador, é comumente chamada de padrão fragmentado ou padrão quebrado. Normalmente, picos de espécies que apresentam cargas múltiplas são menores do que os picos dados pela correspondente espécie com carga única. A existência de picos múltiplos em um espectro de massa pode ser explicada pelo fato de alguns elementos serem formados por uma mistura de isótopos. [8]
4.4 Procedimento Experimental
O procedimento experimental inicia-se, assim como a montagem do sistema de vácuo, com a limpeza das amostras, que foi feita de forma padronizada para que não influenciasse nos resultados obtidos. Para cada medição realizada neste trabalho foram utilizadas amostras de 2, 4 e 6 folhas de Politetrafluoretileno. As amostras foram separadas em lotes de 2 folhas, dessa forma cada lote foi analisado separadamente e, após, foram analisadas amostras com 2 e 3 lotes, respectivamente, para confrontarmos os resultados e verificarmos sua coerência. O procedimento realizado para cada medição está descrito a seguir, na forma de etapas:
S
SeemmAAmmoossttrraa
Primeiramente, fez-se a medição da evolução dos gases na câmara de vácuo sem amostras, para que seja determinado o background do sistema.
Lacra-se a câmara de vácuo.
Liga-se o sistema de bombeamento (inicialmente a bomba mecânica é acionada, seguida da bomba turbomolecular).
Abre-se a válvula angular cuidadosamente e devagar, para que o sistema não sofra variação brusca de diferença de pressão (podendo danificar o sistema). Neste ponto é importante notar que, à medida que a válvula é aberta, a condutância entre a câmara de vácuo e o sistema de bombeamento é variada.
Quando a válvula estiver totalmente aberta, espera-se até que o sistema atinja a região de alto vácuo.
Liga-se o medidor Pirani.
Quando o sistema estiver na iminência de entrar na região do alto vácuo, liga-se o medidor Penning.
Monitora-se a queda de pressão em função do tempo, no sistema. Anotou-se os valores das pressões em função do tempo decorrido. Fechou-se a válvula da bomba turbomolecular.
Acompanhou-se, então, o processo de desgaseificação através da elevação da pressão interna da câmara, novamente com o uso dos medidores.
Terminada a coleta de dados, desligou se o sistema (bombas, medidores). Injetou-se gás nitrogênio, para quebrar o vácuo no sistema.
C
CoommAAmmoossttrraa
Abriu-se, cuidadosamente, a câmara de vácuo.
Colocou-se a amostra de forma que as superfícies das folhas ficassem o mais afastadas possível, para melhores resultados (maior taxa de desgaseificação).
Fechou-se a câmara.
Acionou-se o sistema de bombeamento (inicialmente a bomba mecânica é acionada, seguida da bomba turbomolecular).
Abre-se a válvula angular cuidadosamente e devagar, para que o sistema não sofra variação brusca de diferença de pressão (podendo danificar o sistema). Neste ponto é importante notar que, à medida que a válvula é aberta, a condutância entre a câmara de vácuo e o sistema de bombeamento é variada.
Liga-se o medidor Pirani.
Quando a válvula estiver totalmente aberta, espera-se até que o sistema atinja a região de alto vácuo.
Quando o sistema estiver na iminência de entrar na região do alto vácuo, liga-se o medidor Penning.
Acompanhou-se o processo de desgaseificação através da queda da pressão interna da câmara, com o uso dos medidores.
Anotou-se os valores das pressões em função do tempo decorrido. Fechou-se a válvula da bomba turbomolecular.
Acompanhou-se, então, o processo de desgaseificação através da elevação da pressão interna da câmara, novamente com o uso dos medidores.
Terminada a coleta de dados, desligou se o sistema (bombas, medidores). Injetou-se gás nitrogênio, para quebrar o vácuo no sistema.
Abriu-se a câmara e retirou-se as amostras.
Fechou-se, por fim, a câmara para sua conservação.
Figura 10: Foto de uma folha de Teflon aberta em uma bancada, após ser submetida ao processo de limpeza.
Figura 11: Foto mostrando a colocação das amostras na câmara de vácuo.
Figura 12: Foto com a vista superior da câmara de vácuo com as amostras já inseridas e dispostas de forma a apresentarem a maior área livre possível.
