どのようにローターゲージをスピニングするための真空春輸送パッケージをビルドするには

要約

Here we describe how to build a robust spring-transport mechanism for a spinning rotor gauge. This device securely immobilizes the rotor and keeps it under vacuum during transportation. We also describe packaging that minimizes the risk of damage during transport. Tests show our design works for typical shocks during transport.

要約

スピニングロータゲージ（SRG）は、多くの場合、1.0 Paと1.0×10 ^-4 Paの範囲内の真空圧のための二次または転写標準として使用される高真空計である。本出願において、SRGSはしばしばため研究所に輸送されます較正。イベントは、このように較正係数を変化させる、ロータ表面状態を変更輸送中に発生することができます。キャリブレーションの安定性を確保するために、ばね搬送機構は、多くの場合、ローターを固定し、輸送中、真空下でそれを維持するために使用されます。輸送中の損傷のリスクを最小限に抑えるように設計されたパッケージを使用してばねの搬送機構を搬送することも重要です。本稿では、詳細な説明は、堅牢なスプリングの搬送機構と、輸送用コンテナの構築方法を与えられています。これらを合わせて、春輸送パッケージを形成します。バネ輸送パッケージデザインは、ドロップ試験を用いて試験し、性能が優れていることが分かりました。現在のスプリングTRANSP輸送用コンテナは、機構が共通の間、約100グラムよりも大きなショックを経験しないことを保証しながら、ORTの機構設計は、数百グラムのショックを経験（ グラム = 9.8メートル/秒^2をし、重力加速度である）ときに固定化されたローターを保ちます海運事故（業界標準で定義されているように）。

概要

スピニングロータゲージ（SRG）1.0×10 ^-4 Paの範囲1.0 Paまで真空圧力を決定するために使用される高真空計である。これは、基本的に2つの永久磁石との間に懸架され、回転鋼球です。電磁石は、いくつかの周波数（典型的には410ヘルツ）に、ボールを回転させるために使用される、または「スピンアップ」されます。ボールは、その後自由に回転させているが、回転速度が原因ボール表面を有する真空システム中のガス分子の衝突の時間をかけて減少します。真空圧力は、鋼球又はロータの減速度にこのように関連している。図1は、SRGの本質的な要素を示しています。ローター、接続ケーブルとシンブル、ヘッド、および電子制御装置を。ローター、またはボールが、運転中にシンブル内に含まれ、通常で処理されないもSRGのユーザーに表示されます。シンブルは、真空システムに接続されています。 SRGを動作させるために、ヘッドがシンブル上に滑り込まされます。ザヘッドは、垂直および水平の安定化のために使用される2つの永久磁石とワイヤコイルのいくつかのセットを含むローターを駆動し、回転を検知します。電子制御装置は、圧力測定を行うことができるように、感知コイルからの信号を解釈します。理想的な表面状態を有するロータは、減速率は、基本物理によって真空圧に関連しています。 SRGを使用して、絶対圧測定を行うために、効果的な適応係数として知られているキャリブレーション係数は、決定されなければなりません。効果的な適応係数は、このような粗さ、吸着ガスや傷などのロータの実際の表面状態に依存します。これらの要因は、その使用の過程で安定である傾向があります。 SRGSのさらなる詳細は、他の文献に見出すことができる^{1 - 。3}

SRGは絶対真空の測定が要求される用途で使用されています。多くの場合、例えば、校正試験所絶対真空標準としてSRGSを使用します。この場合には、高真空計は、SRGのものへの読みを比較することによって較正されます。ターンでは、SRGの標準は、定期的にその適応係数の再決定を持つように、一次校正機関にSRGを出荷することによって較正されなければなりません。一次校正ラボは、通常、米国国立標準技術研究所（NIST）などの国家計量研究所です。主要な研究室では、一次真空規格にその読みを比較することにより、SRGの適応係数を決定し、「二次」の校正ラボにSRGを返します。 SRGはまた、校正機関や国家計量機関の間の規格の比較のための転送の標準として使用されています。このアプリケーションでは、SRGは、様々な研究室との間で、国内または国際的に輸送される^{4 - 8を}出荷時には、イベントはその変化に適応係数を発生することがあります。 SHの前にipmentは、ロータが解除中断されなければならないとヘッドが削除されます。ロータはその後、シンブルの内側壁にかかっています。輸送中に、ロータ表面が原因振動や衝撃にロータとシンブルとの間の機械的作用から変更されることがあり、または表面が原因で大気中のガスや湿度に対するロータの暴露に変更されることがあります。これらの変更は、宿泊係数の長期安定性に影響を与えます。理想的には、ロータは、真空中に残っているし、輸送中に固定化する必要があります。

歴史的に、SRGSはSRGSが国際種々の機関の間で何回も搬送される^。9初期のキーの比較時に国家計量標準機関のうち真空標準のキーの比較での転送標準として使用されていることがわかったの長期安定性SRGの適応係数は、両ロータを固定化し、真空dの下でそれを維持し、バネ輸送メカニズムを利用することによって改善することができますuring輸送。以来^1,10は 、ばね搬送機構は、国際主要な比較で何度も使用されてきました。履歴データの最近の研究は、これらの比較の90％が0.75％よりも良好な安定性を有し、かつ70％が0.5％の安定性を有することを示した^。9ため、バネ輸送機構を使用して、ほとんどの場合において、安定性をもたらしますほとんどのアプリケーションで十分以上。

今までは、春輸送メカニズムを構築する方法についての文献にはほとんど指導がありました。これらのデバイスの初期のバージョンは、完全に起因する不十分な堅牢性のために設計されているとの組み合わせに、回転子を固定化するために失敗することが知られており、輸送中に誤って処理されています。これらの初期の教訓は、それが両方の堅牢な春輸送メカニズムを構築し、かつ適切に輸送中の衝撃を最小限に抑える方法でそれをパッケージ化することが重要であることを示しています。この後者の点は重要ではなく、多くの場合、無視されます。ここでは、describます適切に構成されたトランスポート・パッケージに加えて、ロバストなバネ搬送機構の構成を電子。私たちのデザインは、輸送中の故障の可能性を最小限に抑え、耐久性春輸送パッケージの構築を可能にするいくつかの簡単な、テストされ、エンジニアリングの原則に基づいています。また、当社は、設計の堅牢性の我々のテストを記述します。試験方法のさらなる詳細はFedchak らに見出すことができます。 ^{（2015）。11}

プロトコル

春の輸送機構のための1.調達非カスタムパーツ

1. スプリング、ネジ棒、スタンドオフ、ナット、ワッシャーを調達。これらの項目は、特定の材料/機器のリストに記載されています。ボールホルダーを製造する前に、バネと支柱を購入します。すべての材料のために（303を除く）18-8ステンレス鋼、または好ましくは316ステンレス鋼を使用します。
2. ローターを調達。ロータは、440Cステンレス鋼またはE52100合金鋼製の直径のボールベアリング4.5 mmです。
3. 具体的な材料/機器のリストに記載されている直角バルブを調達。

シッピング・コンテナ2.調達材料

1. 輸送用コンテナを調達。これらが正常にテストされた例タイプだったので、保護された凹部を有する回転成形、ポリエチレンハードシェルケースを使用してください。具体的な材料/機器のリストの場合は、最小の内部空間の要件を満たしています。
2. PROCUREの発泡スチロール。
   1. 2＃（32キロ/ m ^3）でポリウレタン（エステル）泡を調達。輸送用コンテナの上部と底部を満たすのに十分なエステルのフォームを購入します。 5センチメートル卵カートンエステルフォームの作品を購入します。
   2. 7.6センチメートルの厚さであり、輸送用コンテナの幅と深さをカバーするのに十分大きな面積を有している2＃（PE）ポリエチレンフォームを調達。

春の輸送メカニズム3.調達・カスタムパーツの製作

注：このセクションで説明するカスタムパーツの例を図面を図2-4に示されています。

1. プロデュースとスピニングローターゲージ（SRG）シンブル/フランジを製造するためのカスタム・ベンダーや社内店に図面を提出します。限界寸法は、図2に示されている。カスタムメーカーは、超高真空（UHV）製造技術に精通している必要があります。シンブルは、製造が比較的簡単ですNDは、多くの真空部品会社の能力の範囲内です。
2. （ 図1を参照）フランジにSRGヘッドを保持タインを取得します。これらは、SRGの電子制御装置に付属商業SRGシンブル/フランジ組立体から取り外すことができます。各歯は、ロックワッシャを備えた単一のボルト（通常はメトリック六角）によって適所に保持され、（例えば、メトリック六角キーのような）適切なレンチを用いunboltingによって除去することができます。
   1. 代わりに、前のステップとシンブル/フランジを提供する同じベンダーによってこれらを製造するが、超高真空の製造技術が続いする必要はありません。商業SRG歯の正確なコピーを作成してください。
3. プロデュースと8-32すべてのスレッドスタッド（アメリカの標準ハードウェア）に直角バルブにM6スタッドを接続するための簡単​​なアダプタの図面を提出します。 図3を参照してください。
4. プロデュースとボールホルダーの製造のための図面を提出します。 CriticaL寸法は、図4に示されている。UHV製造技術に従って316Lステンレス鋼のボールホルダを製作します。タックは、バネの一方の端部にボールホルダを溶接します。タックは、スタンドオフに春のもう一方の端を溶接しました。セクション5で指定された洗浄手順に従ったすべての部品を清掃してください。
5. セクション5で説明したように18ミリメートルの長さに8-32すべてのスレッドスタッドをカットし、きれい。

カスタムフォームカットアウトの4製作

1. PE発泡春輸送機構のカットアウトを行います。できるだけ密接にバルブアセンブリの輪郭に従ってください。鋭いユーティリティナイフを用いて手でこれを行います。あるいは、輪郭はプロ包装サプライヤーによって切断することができます。
2. バルブメーカー及び図2に示すシンブル/フランジ寸法によって与えられたバルブの寸法を使用してください。タイン（1.5センチのx 3.8センチメートル）を収容するのに十分なシンブル大型のためのスペースを切り取ります。

真空部品の5.洗浄

1. 組み立て前に超高真空（UHV）用のすべての真空コンポーネントを清掃してください。当社の推奨クリーニング手順は以下の通りです。
   1. ニトリル、ラテックス、またはビニール手袋を使用して真空部品を取り扱ってください。素手で触らないでください。
   2. 中性洗剤を使用してクリーン部品（そのような材料/機器リストに表示されているもの）に溶解し、蒸留水または脱イオン水と柔らかい布。
   3. 20分間超音波洗浄器中で蒸留水または脱イオン水と場所に溶解した中性洗剤の浴中に置き部品。
   4. 蒸留水または脱イオン水で徹底的に部品を洗浄します。
   5. 20分間の超音波洗浄器中でアセトンと場所との部分をカバー。
   6. アセトンから部品を取り外します。 20分間の超音波洗浄器中でエタノールと場所との部分をカバー。
   7. エタノールから部品を取り外します。蒸留水または脱イオン水で十分に洗い流してください。
   8. 部品を吹きます乾燥窒素や清浄な乾燥空気で乾燥しました。
   9. 24時間クリーンルーム品質の糸くずの出ない布上の部品の空気乾燥をしてみましょう。

6.春の輸送メカニズムを組み立て

1. 組み立て時には、ニトリル、ビニール、またはラテックスの手袋を着用してください。素手で真空部品に触れないでください。
2. 8-32ナット、アダプター、定規またはキャリパー用レンチのためのラジオペンチ、ソケットヘッドドライバ：必要なツールを収集します。エタノールできれいな定規/マイクロメーターを拭きます。ステップ5の手順を使用して、他のすべてのツールをきれいに。
3. バルブ、シンブル、ボールベアリング、ボールホルダー/スプリングアセンブリ（ステップ3.5を参照）、18ミリメートル長い8-32スタッド、ネジアダプター、ナット、ロック・ワッシャー、3ミリメートル六角レンチとマスキング：必要な部品を収集テープ。 図5を参照してください。
4. 春搬送機構アセンブリ：
   1. 完全に止まるまで時計回りに回して右アングルバルブを閉じてください。
   2. バルブポートを介して見ると、M6スタッドcentereを識別バルブシート上のD。
   3. M6スタッドの上にぴったりとアダプターをねじ込みます。できるだけぴったりのようにアダプタを取得するために、ポートを介してUHVクリーンレンチやペンチを挿入します。
   4. アダプタのもう一方の端に8-32スタッドを挿入します。ぴったりできるだけ締めます。 8-32スタッドは、アダプタを通って延び、M6スタッドに対してプッシュします。
   5. その後、8-32スタッドとナットのロックワッシャーを置きます。きれいなソケットドライバまたはペンチを使用してナットを締めます。バルブは、簡単に締めにするために、このステップの間に閉じることができます。
   6. 8-32スタッドのナットを置きます。ほぼもう一方の端にナットに触れるまでそれを回します。 8-32スタッドのロックワッシャーを置きます。
   7. スタンドオフによって8-32スタッドに、スプリング/ボールホルダーを取り付けます。それはロックワッシャーをタッチするまで、スタンドオフを回します。
      注意：次の手順は、 図6を参照して 、ばねアセンブリの長さ調整を確認する方法について説明します。
   8. 交流から（カスタムシンブルにローターを配置し、磁石で固定しますシンブルの端にそれを置き、マスキングテープで固定することでommercial SRG）。ロータは、シンブルの終わりになりました。
   9. 春/ボールホルダーの上にシンブルスライドさせ、ボールホルダーがボールに触れたときに停止します。 図6のように、バルブのフランジとシンブルフランジとの間のギャップを測定します。
      1. ギャップが6mmに2mmの範囲内にある場合は、6.4.10.2に進み）。 3ミリメートルの公称ギャップが理想的ですが、範囲内のギャップは、2〜6mmのに十分です。 2ミリメートル未満のギャップが許容されません。
      2. シンブル/フランジアセンブリを取り外し、脇に置きます。ギャップが2mmよりも小さかった場合には、ギャップを大きくするために反時計回りにスタンドオフを回転させます。ギャップが6mmよりも大きかった場合には、ギャップを小さくするスタンドオフを時計回りに回転させます。 6.4.10ステップに戻ります。
   10. シンブル/フランジアセンブリを取り外し、脇に置きます。ギャップが2mmよりも小さかった場合には、ギャップを大きくするために反時計回りにスタンドオフを回転させます。ギャップが6mmよりも大きかった場合は、目を回転させますandoff時計回りには、ギャップを小さくします。 6.4.10ステップに戻ります。
   11. スタンドオフに対してナットを締めます。
   12. 反時計回りに回して、バルブを開きます。
5. フランジを組み立て：
   1. マスキングテープと磁石を除去し、慎重にロータがシンブルの外にロールすることを可能にすることによって、ロータを削除します。
   2. カスタムフランジ/シンブルの背面側を通って挿入ロックワッシャーとボルトを使用してフランジに2歯を取り付けます。ロックワッシャーとボルトが商業SRGによって提供されています。ロックワッシャーとボルトは、超高真空のために洗浄する必要はありません。
   3. 彼らはお互いの正方形になるように、図1と図9のように、歯を回転させます。
   4. シンブルの上SRGヘッドを滑ることにより、真直ための歯をチェックしてください。ヘッドは自由にスライドするはずです。
   5. 2本のボルトを本締めを付けて、ステップ6.5.3のように位置合わせのために再確認してください。
   6. 、シンブルに戻って、ロータを配置磁石とマスキングテープで固定dが。
6. 春のトランスポートアセンブリを完了します。
   1. バルブポートに銅や銀メッキ銅ガスケットを配置します。
   2. （ステップ6.5.6からない場合は、既にシンブル中）シンブルにローターを配置します。
   3. 春/ボールホルダーの上フランジ/シンブルアセンブリをスライドさせます。オリエントバルブをチャンバに装着されたときに歯で止めねじが下向きされるように、フランジ。
   4. 1/4 28ボルトとナットを使用して、バルブにフランジを固定します。
   5. バルブを閉じます。
   6. ボールを保持している磁石とテープを取り外します。

7.出荷コンテナを組み立てます

1. 輸送用コンテナのサイズにエステル泡をカット。発泡体の厚さは、容器の高さに依存するであろう。底に泡の7.6センチメートルの最小厚さを置きます。 図7は、発泡アセンブリを示しています。
2. トンの上にPEの泡切り欠き部を配置彼は泡をエステル。
3. 蓋にエステル泡の層を配置します。最小厚さ7.6 cmでなければならない。 図8は、バネ輸送機構の最終的な配置を示しています。出荷時のバルブポートの開放端を保護するために、きれいなアルミ箔と（バルブに付属）プラスチック製のエンドキャップを使用してください。

8.春トランスポート機構を使用して、

1. マウントとローターを一時停止します：
   注： 図9は、添付のヘッドを搭載春輸送メカニズムを示しています。最初のステップは、輸送用コンテナから春輸送メカニズムを削除しています。以下では、読者がスピニングロータゲージの操作に精通していると仮定する。コントローラを操作の詳細は、コントローラのユーザマニュアルに記載されています。また、読者は、高真空技術に精通していると仮定されます。
   1. 春の輸送機構のオープンポートからエンドキャップ及びホイルを外します。アタッチ新しい銅や銀メッキ銅ガスケットと1/4 28ボルトのセットを使用して、真空チャンバにDN 40（CF 2.75 "）ポートを開いているポート。バルブの向きは歯の向きに依存します。適切な向きは、図9に示されている。セットスクリューポイントと歯を下向き。シンブルの上に頭をスリップ、シンブルの向きは2°以内に垂直でなければならない。レベルの向きを確認してください。
   2. 未満10 ^-3 Paまで真空チャンバーを退避します。ゆっくりと春輸送機構のバルブを開きます。
   3. コントローラにヘッドを取り付けます。コントローラの電源を入れて、ボールを一時停止します。
2. 春のトランスポートメカニズムをデ取り付け
   1. 電子制御装置を使用してローターをデ中断。コントローラの電源を切ります。
   2. 春輸送機構のバルブを閉じます。
   3. ヘッドを取り外します。
   4. 真空チャンバを通気。
   5. バルブをアンボルト締め春輸送メカニズムを削除します真空チャンバからポート。
   6. クリーン箔と春輸送機構のオープンポートを介してプラスチック製エンドキャップを置きます。輸送用コンテナ内のカットアウトにバネ輸送機構を配置します。

結果

商業SRGのすべてのコンポーネントは、 図1に示されている。これは、懸濁液およびピックアップに用いられる永久磁石とワイヤコイルを含むローター、シンブル、ヘッド、及び電子制御装置を含みます。小さ ​​なばね示す（ 図1c）はシンブルでボールを保持するために使用されます。この保持ばねは、ばね輸送機構に使用されません。商業...

ディスカッション

目的は、ロータが輸送中に固定化されたままになるように、十分な保持力を有するばね輸送機構を設計することでした。堅牢なスプリングトランスポート機構を設計することは、たとえば、ハード面に背の高い高さからメカニズムをドロップすると、巨大な衝撃を生成することができ、ため、ロータが固定化されたままになります保証するのに十分ではありません。ロータ上の力が大きく、?...

資料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Spring, 3 N/m	Lee Spring (www.leespring.com)	LC 042C 18 S316	Outside diameter 0.240 in, Wire Diameter 0.042 in, Rate 17.1 lb⁠/⁠in, Free Length 2.25 in, Number of Coils 29.3
8-32 threaded rod, 316 stainless steel	McMaster-Carr (www.mcmaster.com)	90575A260	Type 316 Stainless Steel Fully Threaded Stud 8-32 Thread, 3" Length.  Cut to length specified in protocol
standoffs, 8-32 Screw Size	McMaster-Carr (www.mcmaster.com)	91125A140	18-8 Stainless Steel Female Threaded Round Standoff, 1/4" OD, 1/4" Length, 8-32 Screw Size
nuts, 8-32	McMaster-Carr (www.mcmaster.com)	90205A309	316 SS Undersized Machine Screw Hex Nut 8-32 Thread Size, 1/4" Width, 3/32" Height
Split Lock-Washers, 316 Stainless Steel	McMaster-Carr (www.mcmaster.com)	92147A425	Type 316 Stainless Steel Split Lock Washer NO. 8 Screw Size, .3" OD, .04" min Thick
Steel Rotor	McMaster-Carr (www.mcmaster.com)	9292K38	Bearing-Quality E52100 Alloy Steel, Hardened Ball, 4.5 mm Diameter
Right-Angle Valve	VAT Valve (www.vatvalve.com)	54132-GE02-0001	Easy-close all-metal angle valve, DN 40 (1.5")
Shipping Container	Allcases, Reekstin & Associates (www.allcases.com)	REAL1616-1205	Zinc Hardware w/Zinc Handles, Rotationally Molded, light-weight, high-impact, Polyethylene Case with protected recessed hardware.  15.75" x 15.88" x 16.45"
Ester Foam	Carry Cases Plus (www.carrycasesplus.com)	ES-PAD 3" Thick	3" Thick, 2 lb Charcoal Ester Foam Pad, 24" x 27".
Ester Foam	Carry Cases Plus (www.carrycasesplus.com)	ES-PAD 1" Thick	1" Thick, 2 lb Charcoal Ester Foam Pad, 24" x 27".
Egg-carton ester foam	Carry Cases Plus (www.carrycasesplus.com)	ES-CONV	ES-CONV, 2 lb, 24" x 27" x 1 1/2".  "egg-crate" ester foam.
Foam Cutout, PE foam	Willard Packaging Co. (www.willardpackaging.com)		Custom Foam Cutout.
Spinning Rotor Gauge	MKS Instruments (www.mks.com)	SRG-3	Controller, head, and thimble.  Custom thimble must be used for the spring-transport mechanism
Custom thimble	MDC vacuum Inc. (www.mdcvacuum.com)		drawing must be submitted for custom part
Detergent	Fisher Scientific Co (www.fischersci.com)	04-320-4	Sparkleen 1 Detergent
Acetone	Fisher Scientific Co (www.fischersci.com)	A18-S4	Acetone (Certified ACS)
Ethanol	Warner-Graham Company (www.warnergraham.com)	190 proof USP	190 Proof USP ethyl alcohol
Bolt set for valve	Kurt J. Lesker (www.lesker.com)	TBS25028125P	B,N&W set, 12 point, (25)1/4-28 x 1.25", for 2.75" thru, silver plat
Silver-plated copper gaskets	Kurt J. Lesker (www.lesker.com)	GA-0275LBNSP
Spring Assembly (welding)	Omley Industries, Inc. (www.omley.com)	N/A	The machine work and welding were done in NIST's shop. However, Omley industries was used as an alternative for welding the spring assembly.