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Lucas Tarasconi, 22/07/2013 00:30


Espectrômetro de Massa


Proposta de projeto

Matheus Müller, Lucas Tarasconi

Resumo

O espectrômetro de massa é um instrumento utilizado para determinação de massas atômicas presentes em um determinado volume. Existem vários tipos de espectrômetro, capazes de medir massas tanto em estado sólido, líquido ou gasoso. O objeto de estudo deste projeto se trata de um espectrômetro capaz de medir as massas atômicas de um gás residual (RGA). Este espectrômetro foi projetado para funcionar a pressão de 10-5 torr (baixo-alto vácuo). Ele consiste em uma câmara, onde nesta pressão acelera por diferença de potencial as moléculas de gás residual ionizadas por termo emissão e as desvia-os em trajetória curva em um campo magnético controlável (via corrente elétrica em espiras), separando as moléculas aceleradas pela relação carga sobre massa (dependendo também da energia cinética) e as conduzindo para um detector, onde um circuito amplificador de correntes intensifica o sinal. A determinação das massas é dada pela variação do campo magnético.

Estado atual

O instrumento, atualmente presente no laboratório de ensino avançado da UFRGS (Centro de Tecnologia acadêmica) foi projetado e construído por Paulo(inho), técnico da oficina mecânica da UFRGS, porém seu desenvolvimento foi abandonado por complicações. O equipamento contém quase todas as peças mecânicas necessárias para seu funcionamento, faltando apenas uma adaptação da conexão de vácuo para uso na máquina de vácuo do laboratório.

Objetivo

O objetivo deste trabalho é tornar funcional, a nível básico, o espectrômetro de massa, ou seja, tornar o equipamento capaz de ionizar o gás, acelerar os íons, e detectar a chegada destes no detector, sem se preocupar com o processamento automático do sinal, com ajuste manual do campo magnético.

Dentro dos objetivos, temos:
1.Implementação do sistema a vácuo: O objetivo é atingir o valor mínimo de 10-5 torr, que fornece um livre caminho médio para as moléculas ionizadas de 5m. Para isto, é necessário a formação de uma peça que acople um sistema de vácuo de Edwards (RU-12/NEXT300) no espectrômetro e no detector. Atribuído a Lucas e Matheus
2.Restauração da eletrônica: O instrumento necessita de uma configuração eletrônica que seja de acordo com os materiais disponíveis - fontes de tensão e corrente. As conexões elétricas devem ser refeitas. Atribuído a Lucas
3.Restauração mecânica: São necessários alguns ajustes mecânicos, como alinhar o caminho dos íons, corrigir eventuais vazamentos que possam comprometer o vácuo, a isolação elétrica de espiras expostas para fins de segurança, corrigir a espessura dos filamentos, remontar as peças e a limpeza interna do espectrômetro. Atribuído a Matheus

Cronograma

1.Encaminhar a peça para o sistema de vácuo. Início: 24/6/2013 Fim: 28/6/2013
2.Montagem eletrônica e restauração do equipamento. Início: 1/7/2013 Fim: 5/7/2013
3.Prazo para recebimento da peça de vácuo e testar o equipamento. Início: 8/7/2013 Fim: 19/7/2013

Orçamento

Pretende-se utilizar os recursos disponíveis na UFRGS para a restauração do equipamento, não tendo repasse de custos para esta parte. Contudo, a conexão de vácuo, que será o único custo considerável do projeto, será produzida pela oficina mecânica do laboratório de implantação iônica da UFRGS, pelo técnico Paulo Kovalick, e os custos serão repassados para o órgão responsável pela educação. (MEC?)


Atividades realizadas

Uma flange para conectar o espectrômetro e o ion gauge simultaneamente foi solicitada e fabricada pelo técnico Paulinho da Oficina Mecânica.

O espectrômetro foi inicialmente desmontado para verificar as condições mecânicas e das instalações elétricas de cada parte. Foi estudado a função de cada parte e a partir disso foram realizados os seguintes reparos:

Amplificador de correntes

Foram detectadas soldas soltas em duas partes: Nas resistências ligadas ao potenciômetro e na saída do detector. ambas foram resoldadas para o melhor funcionamento da peça.

Isolamento elétrico

As bobinas e outras partes elétricas do equipamento encontravam-se expostas. Para evitar o risco de curto circuitos ou eventuais choques essas partes foram isoladas com fita isolante.

Limpeza

Para remover a sujeira contida tanto na peça do filamento, quanto no detector e da flange construída para o sistema de vácuo, as peças foram levadas para a sala limpa do laboratório de microeletrônica, onde foram limpas com acetona. Os anéis de borracha e o anel de cobre do sistema de vácuo foram limpos com álcool isopropílico.

Conectores

A tomada do detector foi substituída por uma tomada nova, para poder ligar o terra tanto do circuito amplificador de corrente, quanto o terra da carcaça do filamento, além de eliminar a dependência de adaptadores.

Após estes reparos o espectrômetro foi remontado e instalado na máquina de vácuo. Neste momento foi constatado que era possível chegar a 5x10^-3 mb após aproximadamente 1h30min, suficiente para o funcionamento do espectrômetro.

Para a parte eletrônica do espectrômetro inicialmente foi elaborado a seguinte montagem:

Uma fonte de tensão alimenta um divisor de tensão, que utilizando capacitores, dividia em 3 partes: -120V para extrator, -80V para o Anode Grid, -40V para o Repeller e 0V para o Focus plate.
h3. Duas fontes de corrente foram ligadas em série para fornecer tensão e corrente suficientes (até 10V e 6A) para o filamento ionizar o gás residual.
h3. Uma fonte de corrente para a bobina gerar um campo magnético, onde é possível gerar de 0 a 1,35A.

Com essa montagem foi medido corrente de 2-8μA no Anodo, sinal que o filamento estava ionizando o gás, pois o circuito é aberto (corrente = 0μA em condições normais) e o que estava sendo medido eram os íons que acabavam sendo atraídos pelo potencial da placa. Porém, independente da corrente aplicada na bobina, não se media nada na saída do detector.

Tendo em vista o resultado, foi sugerido uma outra montagem:

Uma fonte de tensão alimenta um divisor de tensão, que utilizando capacitores, dividia em 2 partes: -120V para extrator, -60V para o Repeller e 0V para o Focus plate.
h3. Uma fonte de corrente isolada fornecer tensão e corrente (até 5V e 4A) para o filamento ionizar o gás residual.
h3. Uma fonte de corrente para a bobina gerar um campo magnético, onde é possível gerar de 0 a 1,35A.
h3. Uma fonte de tensão para fornecer 80V para o Anode Grid.

Infelizmente a fonte responsável por alimentar o A.G., que aparentemente estava funcionando, quando ligada novamente parou de gerar tensão, antes que algum teste pudesse ser feito no espectrômetro. Com o prazo se esgotando, os cabos e fontes foram identificados com fita para futuro manuseio e o trabalho encerrado nesta parte.


Documentação

Emissão termoiônica

Pela lei de Richardson temos: A densidade de corrente de emissão J = AT²exp(w²/kT), onde A é a área do filamento, T é temperatura e w(tungstênio) = 4,55eV. supondo T = 2000K e A = 1cm² temos J = ???.

Resistividade do filamento

P = 48(1+4,287x10-³ T + 1,663x10^-6 T²)x10^-9 Ω/cm

Potência em cima do filamento

Relação de Corpo Negro: P = Et.σ.A.T^4 , seja Et = 0,04 à 0,032 e supondo T = 2000K , A = 1cm², P = 36288 W/m², e em cima do filamento: P = 3,6288W
Sendo P = V²/R e supondo R("W") = 5,6 x10^-5 Ω , temos V = 0,012V

Tensão em função da indução magnética

Ec(íon) = eV = mv²/2, onde v = (2.q.V/m)-½ . Seja Fm = qvB e Fc = mv²/R, igualando as forças temos: qvB = mv²/R, ou seja, B = (2.m.V/q)½/R . Usando as aproximações m = 10^-27kg e R = 0,03m, temos:
B = 0,00372.(V)½ , logo para desviar uma massa de 100u.a. para o detector é necessário uma tensão de 0,1V na fonte para acelerar os íons.

Material

Uma pasta com diversas informações referentes ao espectrômetro de massa encontra-se no laboratório de ensino avançado (CTA).

Referências

Como fazer filamentos emissores de elétrons

Revestindo filamentos com óxido (para triodo) - ~ 23 min

9.pdf (2.1 MB) Matheus Müller, 27/06/2013 14:32

10.pdf (1.7 MB) Matheus Müller, 27/06/2013 14:32

11.pdf (1.8 MB) Matheus Müller, 27/06/2013 14:32

12.pdf (3.5 MB) Matheus Müller, 27/06/2013 14:32

13.pdf (1.8 MB) Matheus Müller, 27/06/2013 14:32

fotos_espectrometro_-_tela.zip (712.8 kB) Lucas Tarasconi, 18/07/2013 10:11

MEDCOR5.pdf (12.4 kB) Lucas Tarasconi, 18/07/2013 10:11

Espectrômetro-parte_1.JPG (435.7 kB) Lucas Tarasconi, 21/07/2013 22:36

Espectrômetro_-_parte_2.JPG (419.8 kB) Lucas Tarasconi, 21/07/2013 22:36

Acelerador_de_Ions.JPG (17.9 kB) Lucas Tarasconi, 21/07/2013 22:37

Copo_de_Faraday.JPG (8.3 kB) Lucas Tarasconi, 21/07/2013 22:37