Лабораторная работа контроль аэрозольных микрозагрязнений в. И. Калечиц, О. Ю. Маслаков Лаборатория оптических аэрозольных приборов, Институт информационных технологий рнц «Курчатовский институт»
|
Скачать 274.74 Kb.
|
|
Лабораторная работа КОНТРОЛЬ АЭРОЗОЛЬНЫХ МИКРОЗАГРЯЗНЕНИЙ В. И. Калечиц, О. Ю. Маслаков Лаборатория оптических аэрозольных приборов, Институт информационных технологий РНЦ «Курчатовский институт» Цель работы: Современный этап развития промышленных технологий характеризуется операциями с микроколичествами вещества, а вновь разрабатываемые процессы уже описываются термином «нанотехнологии». При этом для таких технологических процессов характерны, во-первых, манипуляции с микро- или нанообъектами, и, во-вторых, защита самого процесса и его продукта от микрозагрязнений, которые могут вывести изготавливаемую продукцию из строя и даже стать источником опасности для людей, вплоть до возникновения аварийных ситуаций. Это обстоятельство делает необходимым постоянный инструментальный контроль за наличием в технологической среде микрозагрязнений и динамикой их изменений. Целью работы является знакомство с понятием технологической чистоты, с современной классификацией микрозагрязнений, методами и приборами для их измерений, перспективами развития, а также с приложением методов контроля микрозагрязнений для раннего обнаружения аварийных ситуаций. Контроль аэрозольных микрозагрязнений и технологическая чистота. Основные понятия 1. Что такое чистый воздух Городской житель с лёгкостью ответит на вопрос, что же такое чистый воздух - это то, чем мы изредка дышим где-то там, за городом, на берегу реки или на лесной поляне, вдали от заводов и дорог. Разумеется, это правильно – с общечеловеческой точки зрения и критерия «много-мало». Но является ли это «эталоном» с точки зрения техники? И нужен ли ей вообще чистый воздух? Пытаясь определить понятие чистого воздуха, обратим внимание на аэрозоли - твердые или жидкие частицы с размерами примерно от 0,001 до 100 мкм, оставив пока в стороне возможные молекулярные загрязнения воздуха. В атмосферном воздухе частицы аэрозолей есть всегда, причем в немалых количествах. Так, в загрязнённом городском воздухе счётная концентрация частиц с диаметром 0.3 мкм достигает 104 част/см3 (и это далеко не предел!), а вне агрессивного урбанистического окружения (например, в сельской местности) - 10 - 100 част/см3. Так что стоит учесть, что идеал, о котором мечтает городской житель, весьма далёк от технологического совершенства. Рассмотрим подробнее природу и основные свойства аэрозольных частиц. 2. Аэрозоли - определения и основные свойства В природе, технике, в различных процессах вещества очень часто находятся в виде дисперсных систем, состоящих из множества мелких частиц (дисперсной фазы), находящихся в однородной среде (дисперсионной среде). Аэрозоль - частный случай дисперсной системы с газообразной дисперсионной средой (воздухом) и взвешенной в ней твёрдой или жидкой дисперсной фазой. Иначе говоря, аэрозоль является взвесью твёрдых или жидких частиц в воздухе. Важнейшими характеристиками отдельной аэрозольной частицы являются её размер, форма и структура, а также химический состав и агрегатное состояние вещества частицы. Поскольку аэрозоли состоят из большого числа частиц (в научной литературе употребляется термин «ансамбль частиц»), для их описания необходимо знать концентрацию частиц в единице объёма воздуха. Наконец, не следует забывать, что свойства аэрозолей определяются не только дисперсной фазой (частицами), но и свойствами дисперсионной среды, т.е. воздуха (или иного газа) - его давлением, температурой, скоростью течения, наличием турбулентностей и т.д. Тем не менее основными характеристиками аэрозолей, определяющими в основном их свойства, принято считать именно размер частиц и их концентрацию. Размеры аэрозольных частиц обычно выражаются в микрометрах (микронах), однако применяются и другие единицы измерений, например, ангстрем: 1 мкм = 104 ангстрем (Å) Размер частиц можно характеризовать диаметром или радиусом. Необходимо всегда чётко различать, о каком именно размере идет речь. В технике чистых помещений под размером частицы всюду понимается её диаметр (в том смысле, как это изложено ниже в разделе «Форма частиц и эквивалентные размеры»). Каковы размеры аэрозольных частиц? В литературе при определении понятия «аэрозольная частица» обычно называются нижняя (0,0001 - 0,005 мкм) и верхняя (около 100 мкм) границы размеров. Следует пояснить, почему обе эти величины надо считать ориентировочными. Совокупность отдельных молекул - это газ. При этом многие газы и пары веществ могут содержать группы одинаковых молекул (димеры, тримеры и т. д.), удерживаемых вместе силами молекулярного притяжения (ван-дер-ваальсовы силы). В какой момент «кончаются» молекулы и «начинаются» частицы? Этот переход определяется не линейными размерами, а физическими свойствами агломерата. Отдельные молекулы, сталкиваясь с какой-либо поверхностью, отскакивают1 от неё. Для аэрозольной частицы, даже самой мелкой, характерно противоположное поведение: она не отражается от поверхности, а практически необратимо захватывается ею. Это свойство зависит не только от количества молекул в агрегате, но и от их природы, поэтому за границу «превращения» группы молекул в аэрозольную частицу можно приблизительно принять 6-10 молекул или 0,001 мкм. Характерной особенностью аэрозолей является то, что частицы двигаются преимущественно вместе с газом. Конечно, при этом аэрозольная частица может перемещаться относительно дисперсионной среды под действием сил тяжести (этот процесс называется седиментацией), инерции, электромагнитного поля и т. д., однако эти перемещения незначительны относительно движения всего аэрозоля как целого (в отличие, например, от капли дождя, перемещающейся относительно облака). Верхнюю границу размеров аэрозольных частиц принято соотносить именно с возможностью частицы удерживаться средой достаточно длительное время. В зависимости от интенсивности турбулентности, плотности воздуха, скоростей перемещения среды эта граница лежит в диапазоне размеров 40 - 100 мкм. 3. Форма частиц и эквивалентные размеры Выше условно предполагалось, что форма рассматриваемых частиц близка к изометрической, т.е. все три её размера совпадают. Однако это условие всегда выполняется только для жидких капель, имеющих идеальную сферическую форму. Частицы, один из размеров которых в 3 - 5 и более раз меньше двух остальных, называются пластинками, а частицы , у которых один из размеров в 3 - 5 раз больше двух остальных - волокнами. Большинство же аэрозольных частиц могут иметь разнообразные промежуточные формы. Для описания свойств и поведения аэрозолей обычно стремятся привести размер частицы к эквивалентной сфере, имеющей те же свойства, что и исследуемая частица. В частности, если размер частицы измеряется с помощью какого-либо прибора или устройства, то эквивалентным диаметром частицы называется диаметр сферической частицы, оказывающей такое же воздействие на этот прибор, что и измеряемая частица. Различают:
В технологии, особенно в микроэлектронике, важен наибольший размер частицы, поэтому в промышленных стандартах специально оговорено, что при измерениях, выполняемых оптическими и электронными микроскопами, под размером частицы следует понимать её максимальный размер. Таким образом, под размером частицы при измерениях в чистом помещении следует понимать максимальный линейный размер частицы в плоскости наблюдения оптического или электронного микроскопа или - при использовании других приборов - эквивалентный диаметр частицы. В зависимости от соотношения размеров частиц дисперсной фазы принято различать следующие виды аэрозолей:
Если монодисперсные аэрозоли можно описать двумя параметрами - счётной концентрацией и размером частиц, то для того, чтобы полностью охарактеризовать полидисперсный аэрозоль, необходимо не только подсчитать количество частиц в объёме воздуха, но и определить размер каждой частицы. На практике, естественно, измеряются не все частицы, а лишь такое их количество, чтобы обеспечить статистическую достоверность измерений. Результаты таких измерений представляют различными способами - в форме таблиц или графически в виде гистограммы или функции распределения частиц по размерам. Очевидно, что свойства аэрозолей существенным образом зависят от количества взвешенных в воздухе частиц. Основной характеристикой, описывающей количество частиц, является счётная концентрация частиц - среднестатистическое количество отдельных аэрозольных частиц определенного размера, содержащихся в единице объема воздуха. В промышленной гигиене, в нормах на предельно допустимые концентрации (ПДК) веществ в аэрозольном состоянии в воздухе используется весовая концентрация аэрозолей (грамм, миллиграмм или микрограмм в единице объёма воздуха), однако при измерениях в чистых помещениях эти единицы не применяются. 4. Чистые производственные помещения Итак, человек живет в океане аэрозолей; это его естественная среда обитания, и поэтому он к ней прекрасно приспособился - чего нельзя сказать о созданных им технологиях. Первой с проблемой чистоты воздуха в промышленных масштабах столкнулась микроэлектроника. По мере повышения плотности элементов расстояние между проводниками неуклонно сокращалось, и взвешенные в воздухе частицы, оседая на подложку, могли просто замкнуть цепи, фатально выводя изделие из строя (такие частицы получили название killer particle). Именно тогда, в самом начале 60-х годов, и появилось само понятие cleanroom - чистое производственное помещение. В соответствии со стандартом ISO 14644-1 (ГОСТ ИСО 14644-1) чистое помещение – это помещение, в котором контролируется счетная концентрация аэрозольных частиц, и которое построено и используется так, чтобы свести к минимуму поступление, генерацию и накопление частиц внутри помещения, и в котором, при необходимости, контролируются другие параметры, например, температура, влажность и давление.
Содержание в воздухе частиц именно этого размерного диапазона положено в основу классификации чистых помещений по классам чистоты (см. табл.1). ТАБЛИЦА 1. Классификация чистых помещений и чистых зон по стандарту ISO 14644-1
5. О понятии технологической чистоты Из требования ограничить число частиц в воздухе почти автоматически вытекает весь набор средств и приёмов, составляющих понятие технологии чистых помещений. Так как аэрозолей должно быть меньше, чем в окружающем воздухе, значит, их надо из воздуха удалить. Каким техническим приёмом это сделать, было понятно - фильтрацией (грязный воздух на производстве чистили и до эпохи чистых помещений), но оказалось, что высокая степень очистки (в 106 - 107 раз, а сейчас и до 109 раз) требует применения специальных высокоэффективных воздушных фильтров. Надо заметить, что микроэлектроника в области высокоэффективной фильтрации воздуха воспользовалась уже готовыми разработками атомной промышленности. Там давно знали о том, что аэрозоли, захватившие вследствие диффузии радиоактивные атомы (и превратившиеся в т.н. «горячие» частицы), являются переносчиками радиоактивных загрязнений. Соответственно мерой борьбы с этим и явилась разработка высокоэффективной очистки воздуха - чтобы «горячие» частицы не затерялись в массе обычных, надо удалять из воздуха по возможности все частицы аэрозолей!  Рис. 2. Графическое представление взаимосвязи классов чистоты помещений по стандарту ISO 14644-1, концентрации аэрозольных частиц и их размеров. Далее одно следует за другим. Чтобы очищенный воздух не перемешивался с уже загрязнённым, необходима циркуляция воздуха с организацией воздушных потоков. Самому производству нужны стабильные параметры среды - температура, влажность. Следовательно, нужна система кондиционирования воздуха. Чтобы в чистое помещение не просачивался воздух снаружи, нужен положительный перепад давления. Чтобы изолировать от драгоценной продукции самый большой источник грязи в чистом помещении - человека - нужна специальная одежда, обувь, маски, шлемы и т. д. Так из отдельных звеньев (перечислены далеко не все!) образуется цепочка под названием «технология чистоты». Микроэлектроника по-прежнему остается главным потребителем чистых помещений. Но влияние новой технологии, появившейся для, казалось бы, утилитарной цели удаления из воздуха возможных контактных перемычек, на другие отрасли промышленности оказалось неожиданно значительным, причем, как правило, вносимые новации имели действительно революционный характер. |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Похожие:
 |
Дайджест прессы «Биотехнологии в России и мире» Гостем "Делового завтрака" был директор рнц "Курчатовский институт", ученый секретарь Совета при президенте РФ по науке, технологиям... |
 |
Лабораторная работа 1 4 лабораторная работа 2 13 лабораторная работа... Интернете разнообразную информацию – описательную, графическую, картографическую и пр. При разработке сайтов необходимо уметь работать... |
|
Лабораторная работа №9 59 Лабораторная работа №10 72 Лабораторная... Рабочая тетрадь для выполнения лабораторных работ по мдк. 03. 01. «Техническое обслуживание и ремонт компьютерных систем и комплексов»... |
|
Гоу впо иркутский государственный университет Байкальский институт... Средствами системы гекадем можно эффективно решить задачи управления образовательной деятельностью, разработки адаптивных учебных... |
|
Институт радиоэлектроники и информационных технологий ртф |
|
Институт радиоэлектроники и информационных технологий ртф |
|
Лабораторная работа 1-3: Адресация по протоколу ipv4 Научно-образовательный материал «Методика преподавания дополнительной образовательной программы по основам сетевых и информационных... |
|
Организационный отчет Фгну "Государственный научно-исследовательский институт информационных технологий и телекоммуникаций" (Информика) |
|
Организационный отчет Фгну "Государственный научно-исследовательский институт информационных технологий и телекоммуникаций" (Информика) |
|
Техническое задание по созданию системы мониторинга аэрозольных частиц в техническом помещении Система непрерывного мониторинга параметров чистого помещения исо 8 комплекса чистых помещений и |
|
Выпускная работа по «Основам информационных технологий» Перспективы использования информационных технологий при исследовании проблем гражданского права 14 |
|
Государственное задание на выполнение работ автономному учреждению... I. «Исследования и научно-методическое обеспечение в области геоинформатики и информационно-космических технологий рационального... |
|
Фгбоу впо «Тамбовский государственный технический университет» Институт... «Электроэнергетика и электротехника», 13. 03. 01 «Теплоэнергетика и теплотехника», 19. 03. 01 «Биотехнология» |
|
Отчет о деятельности кемеровского областного Директор Федерального государственного научного учреждения "Государственный научно-исследовательский институт информационных образовательных... |
|
Отчет о деятельности кемеровского областного Директор Федерального государственного научного учреждения «Государственный научно-исследовательский институт информационных образовательных... |
|
Методические указания для студентов по выполнению лабораторных работ... Лабораторная работа 4, 5 Исследование регистров, счетчиков и дешифраторов Лабораторная работа 6, 7 Исследование генератора псевдослучайной... |