ESA Electrostatic attraction (ESR Electrostatic repulsion) Matti Lehtimäki VTT Industrial Systems 1
Sähkökentän vaikutus Varautunut pinta tai kappale Vetovoima Varautuneet hiukkaset - Hylkivä voima Sähkökenttä 2
Polarisaatiovaikutus Varautunut kohde Epähomogeeninen sähkökenttä - - - - Polarisoitunut hiukkanen 3
ESA-ongelma Epäpuhtauspäästö Hiukkaset Staattinen sähkö Kiinnittymisprosessit Kriittinen pinta 4
Kontaminaatioon vaikuttavia tekijöitä Pinta-ala Pitoisuus Altistumisaika Kiinnittymisnopeus Kriittinen pinta 5
Kiinnittymismekanismeja Sähkökenttä Maan vetovoima Hitausvoima Diffuusio CONT_02B.DSF, 11.11.2001 6
Hiukkasten "normaali" kiinnittymisnopeus 1 Hiukkasen kiinnittymisnopeus (cm/s) 0.1 0.01 0.001 Diffuusio Laskeuma 0.0001 0.01 0.1 1 10 Hiukkaskoko (µm) 7 VELOCITY_STAHA.XLS, 05.11.2001
Hiukkaskokojakauma dcn/d(ln dp) [particles/dm³] 1.0E9 1.0E8 1.0E7 1.0E6 1.0E5 1.0E4 1.0E3 1.0E2 1.0E1 Hiukkasytimet Pienhiukkaset Suuret hiukkaset Total 1.0E0 0.01 0.1 1 10 Particle size (µm) 8 WHITBY_STAHA.XLS,
Hiukkasten sähköinen varaustila Hiukkasten muodostuminen & käsittely voimakas varautuminen esim. hankautumisen seurauksena Bipolaarinen ionipitoisuus, ts. sekä positiivisia että negatiivisia ioneja varaustila hakeutuu tasapainotilaan, keskim. varaus 0, mutta ei poista hiukkasten varausta kokonaan! Unipolaarinen ionipitoisuus, ts. vain positiivisia tai negatiivisia ioneja: vastakkaismerkkinen varaus neutraloituu nopeasti... hiukkanen saa nopeasti korkeahkon varauksen... sähkökenttä tehostaa varautumista merkittävästi... 9
0,15 Unipolaarinen vs bipolaarinen varausjakauma Varautumistodennäköisyys 0,1 0,05 Bipolaarinen varausjakauma "neutraloituminen" Unipolaarinen varausjakauma 0-20 0 20 40 60 80 100 120 Varausluku BIPOLAR_STAHA.XLS, 05.11.2001 10
0.15 Bipolaarinen varausjakauma, d p =1 µm Varautumistodennäköisyys 0.1 0.05 0-10 -8-6 -4-2 0 2 4 6 8 10 Varausluku 11 BIPOLAR_STAHA.XLS, 05.11.2001
1000 Hiukkasten varausluku Keskimääräinen varausluku 100 10 1 Bipolaarinen tasapaino Unipolar & ct=1.0e7 s/cm³ Unipolar, E= 3000 V/cm 0.1 0.01 0.1 1 10 Hiukkaskoko (µm) VELOCITY_STAHA.XLS, 05.11.2001 12
Hiukkasten kulkeutumisnopeus 1 Laskeuma & diffuusio Hiukkasen nopeus (cm/s) 0.1 0.01 0.001 Bipolaarinen tasapaino Unipolar & ct=1.0e7 s/cm³ Unipolar, E= 3000 V/cm 0.0001 0.01 0.1 1 10 Hiukkaskoko (µm) 13 VELOCITY_STAHA.XLS, 05.11.2001
Hiukkasten kulkeutumisnopeus 1 Laskeuma & diffuusio Hiukkasen nopeus (cm/s) 0.1 0.01 0.001 Bipolaarinen tasapaino Unipolar & ct=1.0e7 s/cm³ Unipolar, E= 300 V/cm 0.0001 0.01 0.1 1 10 Hiukkaskoko (µm) 14 VELOCITY_STAHA.XLS, 05.11.2001
ESA-ongelman torjunta Päästöjen vähentäminen Ilmavirtojen hallinta Ionisointi Varautumisen vähentäminen Kosteuden hallinta Materiaalivalinnat 15
Ilmanvaihtotekniset ratkaisut Suodatin p out Vuotoilma Tuloilma T, RH, C p in p in > p out Poistoilma Kohdepuhallus Suodatin Kriittinen alue Kohdepoisto LOCAL_B.DSF, 11.11.2001 16
Sähkövarausten eliminointi Materiaalien johtavuuden lisääminen Ilman sähkönjohtavuuden lisääminen Ilman kosteuden lisääminen Maadoitukset 17
Varautuneen pinnan maadoittaminen Sähkökenttä Sähkökenttä 18
Ilman ionit ja ionisointi Ilman sähkönjohtavuus normaalisti olematonta normaali ilman ionipitoisuus 500-2000 ionia/cm³ ionit eivät läpäise suodattimia ionipitoisuutta voidaan nostaa paikallisesti radioaktiivisen säteilyn avulla koronapurkauksella ionit kiinnittyvät tehokkaasti vastakkaismerkkisiin ioneihin ja hiukkasiin ionit kulkeutuvat sähkökentässä ja ilmavirtauksessa 19
Ionien ominaisuuksia neg. ioni ioni-molek. reaktioita "ilman" ionit kiinnittyminen hiukkasiin varautuneet hiukkaset säteily molekyyli elektroni rekombinaatio rekombinaatio pos. ioni ioni-molek. reaktioita kiinnittyminen hiukkasiin 20
Ionit sähkökentässä Negatiiviset ionit Positiiviset ionit Sähkökenttä E Varautunut pinta vetää puoleensa vastakkaismerkkisiä ioneja 21
Yhteenveto ESA voi merkittävästi lisätä pintojen kontaminoitumista Useita torjuntakeinoja - kokonaisuus hallintaan epäpuhtauspäästöt kuriin (koneet, laitteet, materiaalit, ) hallittu ilmanvaihto ja tehokas suodatus (puhdastilatekniikan periaatteet käyttöön ) staattisen sähkön eliminointi (valmistusmenetelmät, materiaalit, ionisointi, kostutus, ) oikeat työskentelytavat ESAlla myös hyötykäyttöä.. pintakäsittely, ilman puhdistus,. 22