Fluor en andere gevaarlijke gassen

hoe werk je er veilig mee?

Onlangs kregen we een interessante vraag van onze dealer Smink Group BV. Zij ontwierpen voor DIFFER (Dutch Institute for Fundamental Energy Research) een gasinstallatie voor het werken met fluor.

Fluor is een gas met unieke en zeer uitdagende eigenschappen. Toch is het met de juiste keuzes mogelijk om een veilig, betrouwbaar en duurzaam gassysteem te realiseren.

Wat doet Differ met fluor?

Differ maakt gebruik van een UV-laser die werkt o.b.v. een fluormengsel. De laser maakt korte (nanoseconden) pulsen UV licht.
De lichtpulsen worden via spiegels naar het “target” geleid dat zich in een vacuümkamer bevindt. De energie in de puls verdampt het target materiaal en er ontstaat een pluim van deeltjes welke neerslaan op een sample (bijvoorbeeld een wafer). Het target kan uit vele verschillende materialen bestaan waardoor we lagen kunnen maken van zeer diverse samenstelling. De dunne lagen hebben vele toepassingen binnen het energieonderzoek van DIFFER maar ook in de halfgeleider industrie. De techniek heet PLD (pulsed laser deposition, wiki).

De uitdagingen van het werken met fluor

Het werken met fluor brengt drie grote uitdagingen met zich mee:

Extreme toxiciteit
Fluor is zeer giftig. De toegestane maximale concentratie (MAK-waarde) bedraagt slechts 0,16 mg/m³ (EU ILV-8h = 0,1 ppm).
Sterke corrosiviteit
Zelfs een minieme hoeveelheid zuurstof of vocht kan hoogwaardig roestvaststaal aantasten.
Hoge reactiviteit
Fluor reageert vrijwel direct met veel materialen. Een zorgvuldig en langdurig passiveringsproces is daarom essentieel om schade te voorkomen bij ingebruikname.

Onze oplossingen

Om veilig met fluor te kunnen werken, moet een installatie aan drie eisen voldoen:

1. 100% lekdicht en fluor-compatibel

2. Veilig cilinders kunnen wisselen

3. Gecontroleerd en veilig kunnen opstarten

Voor het DIFFER-project kozen wij de volgende oplossingen:

Lekdichtheid en materiaalkeuze

Voor de gasdistributie is gekozen voor een SpectroPur SP6-paneel van Spectron, ontwikkeld voor Ultra High Purity-gassen en geproduceerd in een ISO-klasse 5 cleanroom. Dit systeem heeft een aantal essentiële kenmerken.

Vervaardigd van hoogwaardig RVS, met orbitaal gelaste verbindingen of hoogwaardige VCR-koppelingen.
Volledige lekdichtheidstest met de Helium-vacuümmethode
(lekdichtheid naar buiten ≤ 10-9 mbar l/s He).

Extreem laag lekdebiet – essentieel bij toxische en corrosieve gassen.

Gecontroleerd passiveren en opstarten

Omdat fluor extreem reactief is, moet het systeem vóór ingebruikname worden gepassiveerd. Tijdens dit proces ontstaat een dunne, corrosiebestendige laag aan de binnenzijde van alle componenten. Het fluorgehalte wordt hierbij stap voor stap verhoogd; dit proces duurt enkele dagen. Na voltooiing is het systeem stabiel en bestand tegen verdere corrosie — een eenmalige behandeling die de volledige levensduur meegaat.

Veilig wisselen van cilinders

Om het risico tijdens het verwisselen van cilinders te minimaliseren, is een SBE3-spoelblok toegepast, gecombineerd met een vacuümpomp en Helium als spoelgas.

Deze oplossing heeft een aantal grote voordelen:

Volledige verwijdering van restanten fluor uit de aansluiting, die vervolgens met droge Helium wordt gevuld.

Noodstopvoorziening mogelijk: bij calamiteit sluit een pneumatische afsluiter automatisch de gastoevoer.

Optioneel mogelijk:

Een volautomatisch spoelproces, met sensoren die alle stappen van het proces controleren.

Een bijpassende besturing biedt drie spoelprogramma’s:

1. Cylinder purge – spoelt de aansluiting voor- en na de cilinderwissel.

2. Panel purge – spoelt het paneel voor onderhoud of langdurige stilstand.

3. Line purge – spoelt paneel én het achterliggende leidingnet.

Verdere customizing bij Differ.

Voor extra veiligheid is het leidingwerk tussen het gaspaneel en de gebruikersopstelling voorzien van een COAX-leiding met bewaking. Bij een COAX-leiding wordt er een extra buis om de procesgasleiding aangebracht. Bij een eventuele lek in de procesgasleiding wordt vrijkomend gas afgevangen en gedetecteerd waarop een automatische stop van de gaslevering volgt.
In de afgasleiding van het paneel waardoor het fluorgas afgevoerd wordt is een absorptie-patroon geïnstalleerd. De flour die met het spoelproces vrij zou komen wordt zo afgevangen en opgevangen waardoor deze niet vrij komt in de atmosfeer of in het vacuümkanaal .
Gewoonlijk worden spoelingen uitgevoerd met stikstof. In deze specifieke situatie is voor helium gekozen in plaats van stikstof. In de spoelgas leiding is ook een purifier ingebouwd om vocht, zuurstof en deeltjes te verwijderen om te voorkomen dat deze elementen bij het spoelen in het fluor systeem terecht komen.
Met de aanwezige helium kan bij elke cilinderwissel de lekdichtheid opnieuw getest worden door middel van een heliumlektest, waarmee lekkage op de cilinderaansluiting gedurende het proces uitgesloten is.