Le dégazage sous vide ! - Réseau des technologies du vide - CNRS

Formation Permanente1 ére rencontre nationale du réseau des technologies du videDu 28 septembre au 01 octobre 2010 à l’IEMNcampus universitaire Lille1Le dégazage sous vide !Bruno MercierGroupe vide du LALDégazage sous videSeptembre 20101

Formation PermanenteIntroductionLe dégazageDéfinition: Extraction des gaz dissous dans un liquide ouabsorbés par un solide ou adsorbés par une surface.Dégazage = désorptionDégazage sous videSeptembre 20103

Formation PermanenteIntroductionL’Importance du flux dégazéÀ l’équilibre thermodynamique, la pression dans votre système s’exprime par:∑ QP = +SP 0P 0pression limite du système de pompageS vitesse de pompage effectifDiminution de la pression de travail Paugmentation de la vitesse de pompageDiminution du fluxEnviron 2 à 3 ordres de grandeur avec un coût élevéet une efficacité limitée par les conductancesEnviron 10 ordres de grandeur suivant le choixet traitements des matériauxAttention aux surfaces minoritairesAvant tout un problème de taux de dégazageDégazage sous videSeptembre 20105

Formation PermanenteIntroductionDescente en vide typique – (enceinte métallique)~100 joursDégazage sous videSeptembre 20106

Formation PermanenteLe dégazage thermiqueTaux de dégazage des métaux non étuvésL’adsorption des molécules sur la surfacephysisorptionchimisorptionForces de Van Der WallsLiaison faible < 10 kcal/molLiaison + forte > 12 kcal/molDésorption dominée par la vapeur d’eau4,18 kJ/mol =1 kcal/mol = 0.043 ev/atFort moment dipolaireEnergie d’ adsorption importanteLe temps de séjour15 à 25 kcal/mol (métaux)15 ms < τ < 5 jours à 20 °CAugmentation du temps de pompageE< 20 kcal/mol pompage facileDylla [REF. 1]Joly et al. [REF. 2]Chun et al. [REF. 3]E> 26 kcal/mol (τ=28 jours) reste sur la surfaceDégazage sous videSeptembre 20107

Formation PermanenteLe dégazage thermiqueTaux de dégazage des métaux non étuvésD. Edwards Jr. (REF. 4)q(10h)=2.8x10 -10 Torr l s -1 cm -2 2Eq. N 2 , TaValeur expérimentale validepour la plupart des métaux :A=2067 cm 2S=19.6 l/sSt. steelq ( t)≅2⋅10t[h]−9Torrls cmLe taux de dégazage d'un matériau non étuvédépend du temps de pompage, il n'est pas unevaleur intrinsèque !Dégazage sous videSeptembre 20108

Formation PermanenteLe dégazage thermiqueTaux de dégazage des métaux non étuvésLe dégazage des systèmes non étuvés est dominé par lavapeur d'eau. Les espèces restantes pour les systèmespropres sont H2, CH4, CO, et CO2La nature du matériau et son traitement aseulement une légère influence sur l'évolutiondu taux de dégazageRef.[ 5] M. Li and H. F. Dyllaα=1.17Pression de va peur d’eau à laP atmà 20°C et à 50% HRLe dégazage fonction des conditions initiales(durée et pression d’exposition à la vapeurd’eau)α=0.72Les plus grands efforts pour atteindre l'UHV sontconsacrés à la réduction du dégazage de la vapeur d'eauDégazage sous videTaux de dégazage de l’inox en fonction du temps t 0(min) etde la pression P 0(Torr) d’exposition à la vapeur d’eauSeptembre 20109

Formation PermanenteLe dégazage thermiqueTaux de dégazage des métaux non étuvésComment désorber efficacement la vapeur d’eau:L’étuvage in situ des installationsL’enceinte sous vide est portée à une température de 100°c à 350 °cLe choix de la températurelimité principalement par la nature des matériauxEn prenant E= 25 kcal/mol , pour T=150°C te mps de séjour= 0,8 spour T=100°C temps de séjour= 44 sUne température de 100°C peut suffire, mais plus la températureest importante, plus le temps d’étuvage peut être raccourci etson efficacité amélioréIl est plus judicieux d’indiquer la température d’étuvage et la pression minimum obtenu àcette températureDégazage sous videSeptembre 201011

Le dégazage thermiqueFormation PermanenteTaux de dégazage des métaux étuvésLa désorption de l’hydrogènePourquoi l’hydrogène ?Seul les atome H ont assez de mobilité dans lesmétaux pour atteindre la surface pour former du H2Dans l’UHV, la diffusion de cet hydrogène est la seulesource de gazUne quantité importante est dissoute dans les matériauxlors de leur élaborationConcentration comprise pour l’inox80< C 0 < 300 mbar.m 3 (gaz)/m 3 (matière)Deux mécanismes:DiffusionRecombinaisonNous considérons les métaux endothermiques (Fe,Cu, Mo, Inox) où la cinétique est commandée par ladiffusion.Dégazage sous videSeptembre 201013

Formation PermanenteLe dégazage thermiqueTaux de dégazage des métaux étuvésmodèle de diffusion H 2Application de la 1 ère loi de FickTT e - t e∂c(x,t)q(t) = −D(T)∂xx=SURF.tT aTaux de dégazage obtenu à la Température T aaprès unétuvage à la température T eet un temps d ’étuvage t ePour des molécules diatomiques et pourD(T).t / L 2 > 0.05q(t) =4 ⋅ (C0− CLw) ⋅ D(Ta)⋅ eπ−2⋅D(Te ) ⋅teL2Nombre de Fourier F 0 ~ D(T e ).t e / L 2Ref.[10] Y. Ishikawa, V. NemanicF oenregistre l'histoire thermique du matériel et détermine quelle quantité de gaz dans le matériaux estévacuée. Quand avec le traitement thermique le F o>= 3 est atteint, le solide est vidé réellement ouplutôt à l'équilibre avec la phase gazeuse environnante.Dégazage sous videSeptembre 201015

Formation PermanenteLe dégazage thermiqueTaux de dégazage des métaux étuvésRéduction de la diffusion H 2Principalement deux manières d’y remédierCréer une barrière de diffusionDiminution la quantité dissoute dans lematériauDépôt d’un matériau de faibleperméation à l’hydrogèneTraitement haute températurePiégeage de l’hydrogèneDégazage sous videSeptembre 201016

Formation PermanenteLe dégazage thermiqueTaux de dégazage des métaux étuvésRéduction de la diffusion H 2 par un traitement haute températureUn étuvage in situ pour éliminer l’hydrogène du matériaux est peuefficace, même à des températures de 400°C pour l’in ox.Par un étuvage haute température sous four sous videEn général, traitement Inox à 950°C pendant 2H à P=10 -5 mbar+ étuvage in situq(H 2)~10 -14 à 10 -15 mbar.l.s -1 .cm -2A la remise à la pression atmosphérique, le matériau conserve la« mémoire » de ce traitement haute température car le coefficientde diffusion de l’hydrogène est faible à la T°ambian te.pour le cuivre OFE, un étuvage in situ à 200-300°C ( 20 h) suffit pourdiminuer H 2Car la Concentration C 0et la température de déoxydation sont faiblesTaux de dégazage H 2q s~ 10 -14 à 10 -15 mbar.l/s/cm 2Dégazage sous videSeptembre 201017

Le dégazage thermiqueFormation PermanenteRéduction de la diffusion H 2- Barrière de diffusionÉtuvage à l’airPour l’inox un étuvage à l’air à environ 450°c pendan t 48h /100hC’est bien une barrière à la diffusionAugmentation de l’épaisseur de l’oxyde~X 10Ref[9]. P. ChiggiattoEnergie de diffusion plus importanteTaux de dégazage mesuré (identique à l’étuvage au four sous vide)q(H 2 )~10 -14 à 10 -15 mbar.l.s -1 .cm -2Exemple de Virgo:Chambre de L=8m Ф=1,2 mÉtuvage à l’air 450°c pendant 32h suivied’un étuvage in situ à 150°C de 7 joursq(H 2)~10 -14 mbar.l.s -1 .cm -2Ref[ 11] Marin et allRef[ 12] V. Brisson et allDégazage sous videSeptembre 201018

Le dégazage thermiqueFormation PermanenteRéduction de la diffusion H 2- Barrière de diffusionDépôt d’un matériau de faible perméation à l’hydrogèneRef[13] Saito et al.Dépôt de TiN, ZrO 2,…Exemple du dépôt de TIN > 1 µmEnergie de diffusion plus importanteCependant, généralement,les résultats expérimentauxdonnent des taux de dégazage plus important que prévu.1 Pa.m.s -1 = 10 -3 mbar.l.s -1 .cm -2Hypothèse avancée :Défaut dans le dépôt(dépôt non continu due aux poussières)Ref[9]. P. ChiggiattoDégazage sous videSeptembre 201019

Le dégazage thermiqueFormation PermanenteRéduction de la diffusion H 2- Barrière activele dépôt NEG (getter non évaporable) Ti-Zr-VUne barrière activeDiffusion activéeAction de pompageTempérature d’activation faible Ta=180°CLes parois des chambres deviennent des pompes !!!!!!!Dégazage sous videSeptembre 201020

Le dégazage thermiqueFormation PermanenteTaux de dégazage des polymèresPlus de gaz inclus dans les matériaux avec une mobilité plus importanteDépends de sa structure : amorphe, semi crystalline,…La plus part des gaz peuvent êtredissous à l’intérieur du matériauxUne pente d’environ -1/2 estobservée diffusion principalementde la vapeur d’eauTaux de dégazage desmétaux non étuvésDégazage sous videSeptembre 201021

Le dégazage thermiqueFormation PermanenteTaux de dégazage des céramiquesUtilisation des céramiques sous vide comme isolant électrique et thermiqueDiminution de la taille et du nombre de poresHautedensitéFaible diamètredu grainAttention aux additifsHaute PuretéUtilisation de l’alumine AL 2O 3Pureté ∼99% densité ∼ 3,9 f ∼10 mmTaux de dégazage voisin de l’inoxUtilisation d’une vitrocéramique MacorFacilement usinabledensité ∼ 2,6Taux de dégazage Macor TM 200°C@26H 4.10 -8 Pa.m/sRef (14). L. WesterbergDégazage sous videSeptembre 201022

Le dégazage thermiqueFormation PermanenteTaux de dégazage des collesQuelques exemples10 -4 0.1 1 10 100Outgassing [Torr l/s cm 2 ]10 -510 -6Dow CorningPolyurethaneAraldite 103Araldite 10610 -7Time [h]Ref(9). P. ChiggiatoRef(14). L. WesterbergDégazage sous videSeptembre 201023

Le dégazage thermiqueFormation PermanenteTaux de dégazageLa nature du dégazageD o w C o r n i n gA r a ld i t e 1 0 61 0 - 1 0 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0Pollution des enceintesIon Current (A)1 0 - 1 11 0 - 1 2M a s s ( a . m . u )Taux de dégazage d’autres matériauxPour les taux de dégazage plus important. Mesure par la méthode par perte depoids TML (Total Mass Loss) et CVCM (Collected Volatile CondensableMaterial)Data base http://outgassing.nasa.govDégazage sous videSeptembre 201024

Formation PermanenteLe dégazage induitLa désorption par bombardement électronique,photonique et ioniqueAugmentation possible du flux dégazé de plusieurs ordres de grandeurRendement η =molécules désorbéesparticules incidentesType de matériaux, état de surface,énergie et type de la particule, angled’incidence, dose de particuleDéterminer expérimentalementLa désorption parbombardement photonique3,75 KevRef. (15) O. Gröbner et al.Cu baked at 150°CDégazage sous videSeptembre 201025

Formation PermanenteLe dégazage induitLa désorption par bombardement électronique,photonique et ioniqueConditionnement des surfaces en fonction de la dose reçueApplication sur les accélérateurs, les synchrotronsRef[16] N. HilleretRef[17] V. BaglinDésorption par bombardement électroniqueDésorption par bombardement ionique300 evAr 5 kevRéduction de ce dégazage induitréduction possible par dépôt de couche minceTiN, NEG, C,….. ???Dégazage sous videSeptembre 201026

Formation PermanenteRéférencesRef.1 F. Dylla « Water outgassing » Cern Accelerator School CAS2006Ref.2 J. P. Joly and all « Temperature programmed desorption (TDS) of water from iron, chronium,nickel and 304L stainless steel », Vacuum 59 854 (2000)Ref.3 J. R. Chen and all« Water adsorption-desorption on aluminum surface », AppliedSurface Science 169-170 (2001)Ref.4 D. Edwards Jr. Journal of Vacuum Science and Tech.,14(1977)606 and 14(1977)1030Ref.5 Minxu Li and H. F. Dylla, JVSTA 12(4) 1994Ref.6 P. A. Redhead, J. Vac. Sci. Technol. A13(2), 467 (1995)Ref.7 R. J. Elsey, Vacuum. Vol.25 number 7Ref.8 K. Kanazawa, J. Vac. Sci. Technol. A7(6), 3361 (1989)Ref.9 P. Chiggiato. “Outgassing and its reduction”., L’ultravide des grands innstruments. CNRS 2009« Thermal outgassing » Cern Accelerator School CAS2006Ref.10 Y. Ishikawa, V. Nemanic, vacuum 69 (2003)Ref.11 P. Marin and all« Outgassing performance of an industrial prototype tube for the Virgoantenna » Vacuum 49 309 (1998)Dégazage sous videSeptembre 201027

Formation PermanenteRef.12 « Ultra-high vacuum qualification of the prototype module for the 2x3 Km arms of the Virgointerferometer » V. Brisson and all, Vacuum 60, 9 (2001)Ref.13 K. Saito and all, J. Vac. Sci. Technol. 13(3), 3361 (1995)Ref.14 L. Westerberg, outgassing studies stainless steel and matérials for a detector system in theCesius storage ring, Uppsala SwedenRef. 15 O. Gröbner et al. J.Vac.Sci. 12(3), May/Jun 1994, 846-853Ref.16 N. Hileret «Non- Thermal outgassing » Cern Accelerator School CAS2006Ref.17 V. Baglin. “vide dynamique…”., L’ultravide des grands innstruments. CNRS 2009Dégazage sous videSeptembre 201028

Le dégazage thermiqueFormation PermanenteLa permèation des élastomèresPassage du gaz extérieur à travers le matériauLoi des écoulementsQ = KA∆x(Pn− 1Pn2)En générale, n=1pour les élastomèresAugmente trèsrapidement avec latempératureViton 20°c à 150°c K*250Dégazage sous videSeptembre 201029

Formation PermanenteSaitoPa.m/sDégazage sous videSeptembre 201030