Гелий используют для создания инертной и защитной атмосферы при плавке металлов, сварке и резке, при перекачивании ракетного топлива, для заполнения дирижаблей и аэростатов, как компонент среды гелиевых лазеров. Жидкий гелий, самая холодная жидкость на Земле,- уникальный хладагент в экспериментальной физике, позволяющий использовать сверхнизкие температуры в научных исследованиях (например, при изучении электрической сверхпроводимости). Благодаря тому, что гелий очень плохо растворим в крови, его используют как составную часть искусственного воздуха, подаваемого для дыхания водолазам. Замена азота на гелий предотвращает кессонную болезнь (при вдыхании обычного воздуха азот под повышенным давлением растворяется в крови, а затем выделяется из нее в виде пузырьков, закупоривающих мелкие сосуды).

Азот

Большая часть от добываемого свободного азота, в виде газообразном виде, применяется для промышленного производства аммиака, который после в значительных количествах перерабатывают в азотную кислоту, взрывчатые вещества, удобрения и пр. Кроме прямого синтеза аммиака из элементов, серьезное промышленное значение для связывания азота воздуха имеет разработанный в 1905 году цианамидный метод, который основан на том, что при 10000С карбид кальция (получаемый накаливанием смеси известии угля в электрической печи) взаимодействует со свободным азотом. Получаемый свободный азот, газ в баллонах применяют во различных отраслях промышленности: как среду инертную при разнообразных металлургических и химических процессах, в ртутных термометрах для заполнения свободного пространства, при перекачке разных горючих жидкостей и т.п. Жидкий азот, также транспортируемый в баллонах используется в разных холодильных установках, в целях медицинских, для лечения азотом. Хранят и транспортируют азот в стальных сосудах Дьюара, а азот газообразный в сжатом виде - в баллонах. Также широко применяют различные соединения азота. Производство связанного азота стало семимильными шагами развиваться после первой мировой войны и сегодня достигло глобальных масштабов.

Аргон

Все больше сфер применения появляется у дуговой электросварки при помощи аргона. Аргонная струя позволяет сваривать тонкостенные изделия, а также металлы, которые до этого считались трудносвариваемыми. Электрическая дуга в аргонной атмосфере стала неким переворотом в технике резки металлов. Теперь процесс намного ускорился и появилась возможность разрезать толстые листы наиболее тугоплавких металлов. Аргон, продуваемый вдоль столба дуги (применяется смесь с водородом) оберегает кромки разреза, а также вольфрамовый электрод от образования нитридных, окисных и иных пленок. Вместе с тем он сжимает и концентрирует дугу на небольшой поверхности, это влияет на то, что температура в зоне резки доходит 4000-6000° по Цельсию. И эта же газовая струя способна выдувать продукты резки. При сварке с использованием аргонной струи отсутствует надобность во флюсах и электродных покрытиях, а значит, и в зачистке швов от шлака и остатков флюса. Аргон транспортируют и хранят в баллонах по 40 л, баллоны окрашены в серый цвет, маркированы зеленой полосой и имеют зеленую надпись. Давление 150 атм. Наиболее экономична перевозка аргона сжиженного, для этих целей используют сосуды Дюара, а также специальные цистерны. Аргон применяется как радиоактивный индикатор: первый – в сфере медицины и фармакологии, второй – во время исследования газовых потоков, эффективности спетом вентиляции и в различных научных исследованиях. Естественно, это не все зоны применения аргона.

Пропан

Пропан (C3H8) - бесцветный газ без запаха, очень мало растворим в воде. Относится к классу алканов. Используется пропан в качестве топлива и как сырье для производства полипропилена и растворителей. Пропан на ряду с метаном, этаном и бутаном содержится в природном газе. Искусственный способ производства пропана называться Крекинг (англ. cracking, расщепление), когда из длинной молекулы нефти путем высокотемпературной обработки получают вещества разных фракций (летучести), в том числе и пропан. Так как этот газ не имеет ни запаха ни цвета и в тоже время является токсичным, то для бытового использования в него добавляются одоранты - вещества, обладающие сильным неприятным запахом.

Углекислота

УГЛЕКИСЛОТА - неправильное название углерода диоксида. Ангидрид угольной кислоты (Аcidum cаrbonicum аnhydricum ; Саrbonei dioxydum): СО 2 . В 1,5 раза тяжелее воздуха. Бесцветный газ без запаха. При комнатной температуре, воздействием давления в 60 атм происходит пре5вращение газа в жидкоость. Жидкий угольный ангидрид (углекислота) доступен покупателям в стальных баллонах различной емкости. Прцесс образования углекислоты в организме в процессе обмена веществ и играет важную роль в регуляции дыхания и кровообращения. Она оказывает влияние на дыхательный центр и является его специфическим возбудителем. При попадании в легкие небольших концентраций углекислоты (от 3 до 7,5 к учащению дыхания а также происходит сужение кровеносных сосудов и повышается артериальное давление. Однако высокие концентрации СО2 могут вызвать ацидоз, судороги, одышку и паралич дыхательного центра. Углекислоту применяют с кислородом при отравлениях летучими веществами, применяемых для наркоза, сероводородом, окисью углерода, при асфиксии новорожденных и т. п. Углекислоту применяли в хирургической практике во время общей анестезии и после операции для искусственного улучшения дыхания, для предупреждения пневмоний. Жидкая углекислота, выпускаемая из баллона, помещенного вниз вентилем быстро испаряется, при этом поглощается так много тепла, что она превращается в твердую белую снегообразную массу. Это свойство углекислоты применяется во множестве сфер деятельности. При смешивании твердого угольного ангидрида с эфиром происходит падение температуры до - 80 "С. Криотерапия (лечение холодом) нашла сове применение при лечении различных кожных заболеваний (красная волчанка, лепрозные узлы, бородавки и т. п.). для этого полученное охлажденное вещество (углекислый снег) собирают в специальную тару и прикладывают к пораженному участку, в следствие чего происходит омертвение пораженной ткани, а так же вирусов и бактерий вызвавших болезнь. Газированные напитки (напитки, содержащие растворенную углекислоту), вызывают переполнение кровью слизистой оболочки и усиливают секреторную, всасывательную и двигательную активность желудочно-кишечного тракта. Углекислота, содержащаяся в естественных минеральных водах, используемых для лечебных ванн, оказывает сложное положительное влияние на организм, однако любые лечебные процедуры должны производится под присмотром врача. Углекислота так даже вызывает активизацию роста у растений, в связи с чем она часто используется в тепличных хозяйствах. PS не следует путать Двуокись углерода, углекислый газ – СО2 (газ без запаха и цвета, содержится также в подкормках для растений) Угольная кислота – Н2СО3 (растворенная в воде двуокись углерода; слабая кислота).

Кислород

В промышленности кислород получают путем разделения воздуха при достаточно низких температурах. Воздух сначала сжимают компрессором, воздух при этом разогревается. Далее сжатому газу позволяют охладиться до необходимой комнатной температуры, а после обеспечивают свободное расширение газа. Во время расширения температура обрабатываемого газа резко понижается. Теперь охлажденный воздух, у которого температура на несколько десятков градусов ниже, чем температуры окружающей среды, можно снова подвергать сжатию до 10-15 МПа. После этой процедуры выделившуюся теплоту снова отбирают. После нескольких циклов «расширения - сжатия» температура опускается ниже, чем температура кипения азота и кислорода. Таким образом получают жидкий воздух, который после подвергается перегонке (иначе - дистилляции). Области применения кислорода довольно разнообразны. Основную массу получаемого кислорода из воздуха применяют в металлургии. Именно кислородное дутье, а не воздушное позволяет в домнах значительно ускорять доменные процессы и экономить кокс, получать чугун отличного качества. Кислородное дутье применяется в кислородных конвертерах во время передела чугуна в сталь. Воздух, обогащенный кислородом, или чистый кислород незаменим для получения многих других видов металлов, например, меди, свинца, никеля и пр. Кислород также используют при сварке металлов и резке.

Ацетилен

В качестве горючего газа для газовой сварки получил распространение ацетилен соединение кислорода с водородом. При нормальной to и давлением ацетилен находится в газообразном состоянии. Ацетилен бесцветный газ. В нем присутствуют примеси сероводорода и аммиак. Ацетилен есть взрывоопасный газ. Чистый ацетилен способен взрываться при избыточном давлении свыше 1.5 кгс/см2, при быстром нагревании до 450-500С. Смесь ацетилена с воздухом взрываться при атмосферном давлении, если в смеси содержится от 2.2 до 93% ацетилена по объему. Ацетилен для промышленных целей получают разложением жидких горючих действием электродугового разряда, а так же разложением карбида кальция водой.

В нанотехнологиях активно используются сверхчистые азот, гелий, водород, криптон, аммиак, ксенон и некоторые иные газы и разные газовые смеси, произведенные на их основе.

Для производства и исследования многих видов нанообъектов нужны сверхнизкие температуры, получить которые невозможно без использования жидкого гелия.

Металлургия и технические газы

Металлургическая отрасль - основной потребитель технических газов. Большие объемы аргона, кислорода и азоты применяются в черной и цветной металлургии. Кислород используется для разогрева, а также усиления реакций процессов сжигания производства стали и чугуна, применяется он и для снижения выбросов в отводных газов загрязняющих веществ. Аргон необходим для очистки, дегазации и гомогенизации в производстве стали. Азот и аргон находят широкое применение в качестве газов инертных в цветной металлургии.

Технические газы для медицины

Технические газы незаменимы в некоторых областях медицины и здравоохранения. Жидкий азот используется в медицине для хранения разнообразных биологических материалов в низких температурах, а также в криохирургии. Азот газообразный особой чистоты либо азот ПНГ (поверочный нулевой газ) применяется как газ-носитель газа для аналитического оборудования. Гелий жидкий гелий является основным хладагентом для медицинских томографов.

По сравнению с природным газом технологические газы имеют меньшую теплотворность, более низкие температуры пламени и колебания состава. Часто они загрязнены сопутствующими веществами, которые могут вызывать эмиссию вредных веществ или нарушения технологического процесса.

Исходя из этого, на практике выделяющиеся технологические газы часто используются с низким коэффициентом полезного действия или просто сжигаются в факеле. Совершенствование использования технологических газов было целью научно-исследовательских работ, которые проводились в последние годы при поддержке федерального Министерства экономики.

Ниже представлены близкие к практике работы, проведенные в производственном научно-исследовательском институте (ПНИИ) - Институте прикладных исследований Общества немецких металлургов ГмбХ в Дюссельдорфе.

Быстрая регулировка технологических газов

Горючие газы с колеблющейся теплотворной способностью можно будет применять для многих топочных процессов, если удастся непрерывно и быстро регулировать количество газа, а также соотношение газа и воздуха. Новые способы регулировки с непрерывным и динамическим измерением центральных параметров горючих газов обеспечивают очень быстрое сглаживание этих колебаний.

Благодаря этому регулируемые промышленные горелки можно точнее, чем до сих пор, настраивать в зависимости от колебаний в составе газов.

Применение такой системы является актуальным в воздухонагревательной установке доменной печи в сочетании с оптимизированными регулирующими устройствами и датчиками. За счет осуществления комплекса мероприятий расход природного газа в установке значительно сокращается. Дальнейшее применение в нефтехимии, стальной индустрии и при калибрационном учете биохимических газов подтверждает практическую пригодность.

Очистка технологических газов

К проблемным загрязнениям технологических газов относятся, в частности, высококипящие углеводороды, серные и азотные соединения. Чтобы иметь возможность применять такие газы в производстве безопасно и с низкими ремонтными затратами, был разработан первичный способ максимального удаления таких сопутствующих веществ.

При этом технологический газ проходит через один или несколько реакторов, наполненных активированным углем или активированным коксом (реакторы с неподвижным или подвижным слоем), и очищается за счет осаждения примесей на пористых твердых веществах.

Благодаря низкой селективности способа в отношении очень разных элементов газа большая часть мешающих веществ отделяется от потока газа.

Децентрализованно применяемый способ отличается долгим сроком службы при низких производственных затратах. На одном прокатном стане запланирована экспериментальная установка, с помощью которой из частично очищенного коксового газа будут удаляться полицикличные углеводороды.

Снижение NOx в топочных установках

С помощью известных способов очистки от азота, а также селективной каталитической редукции (метод SNCR) можно добиться уменьшения NOx в объеме до 95%. На крупных установках - например электростанциях - эти способы можно экономически выгодно применять, несмотря на высокие инвестиции и производственные затраты. На более мелкие производственные установки это не распространяется.

Новый метод высокотемпературной редукции (HTR) основан на сжигании со ступенчатой регулировкой воздуха и использует механизмы снижения содержания азота за счет таких добавок, как аммиачная вода или мочевина. От метода SNCR он отличается диапазоном температур и местом ввода в диапазоне сжигания ниже стехиометрического уровня. Этот метод позволяет добиться снижения NOx свыше 90% при низких производственных затратах и низкой эмиссии аммиака. Внедрение метода связано с незначительными строительными затратами, и его можно применять в сочетании с другими мероприятиями по удалению азота.

Оптимизация горелок в методических печах

Сжигание технологических газов с колеблющейся теплотворной способностью требует применения специальных горелок. В сотрудничестве с предприятиями среднего бизнеса - изготовителями горелок были разработаны прототипы регулируемых горелок, которые при помощи простых механизмов регулировки можно приспосабливать к таким параметрам газов, как теплотворная способность и потребность в воздухе. Разработанные в ходе этих работ методы и элементы применимы также для оптимизации печей, оборудованных традиционными горелками.

Несмотря на огромную экономию, в частности в энергоемкой промышленности, еще и сегодня можно использовать экономически выгодный потенциал энергосбережения. В многочисленных тепловых установках за счет оптимизации управления можно добиться экономии энергии в объеме до 10%. Только организационно-технические мероприятия на уровне предприятия позволяют снизить расход энергии на 4 - 6%.

Наряду с такими мероприятиями, как совершенствование управления технологическим процессом, применение более эффективных горелок и котельных установок, улучшение изоляции паропроводов, печей и сушек, возврат конденсата, а также использование отходящего тепла, форсированное использование технологических газов заключает в себе большой потенциал экономии.

Перспективное развитие крупнейших отраслей промышленности невозможно без ценнейшего сырья и энергоносителя высокого качества - природного газа. Его использование не только автоматизирует многие технологические процессы, но и значительно улучшает бытовые условия населения.

Что такое природный газ?

Не существует единой химической формулы природного газа - в каждом месторождении он имеет состав с различным соотношением входящих в него компонентов.

Природный газ - это смесь углеводородов, большую часть которых составляет метан. Остальными компонентами являются: бутан, пропан, этан, водород, сероводород, гелий, азот, диоксид углерода.

Природный газ не имеет цвета и запаха, его наличие в воздухе невозможно определить без помощи специальных приборов. Знакомый каждому человеку запах придаётся газу искусственным путём (одоризацией). Благодаря этому процессу имеется возможность ощущать присутствие газа в воздухе и предотвращать опасные для жизни ситуации.

Происхождение

Относительно происхождения газа не существует единой теории, учёные придерживаются двух версий:

• Когда-то на месте материков был океан. Погибая, живые организмы скапливались в пространстве, в котором не было воздуха и бактерий, запускающих процесс разложения. Благодаря геологическим движениям накопленные массы погружались всё глубже в недра Земли, где под воздействием высокого давления и температуры вступали в химические реакции с водородом, образовывая углеводороды.
• Динамика Земли способствует поднятию углеводородов, находящихся на огромной глубине, там, где меньший уровень давления. В результате этого образуются газовые или нефтяные месторождения.

Добыча

Вопреки распространённому мнению, природный газ может находиться под землёй не только в пустотах, извлечение из которых не требует значительных материальных и энергозатрат. Зачастую он концентрируется внутри горных пород с настолько мелкой пористой структурой, что человеческим глазом её не увидеть. Глубина залежей может быть небольшой, но иногда достигает нескольких километров.

Процесс включает в себя несколько стадий:

• в результате проведения которых точно определяются места залежей.
• Бурение добывающих скважин. Осуществляется на всей территории месторождения, что важно для равномерного уменьшения давления газа в пласте. Максимальная глубина скважин составляет 12 км.
• Добыча. Процесс осуществляется благодаря разному уровню давления в газоносном пласте и земной поверхности. По скважинам газ стремится наружу - туда, где давление меньше, сразу попадая в систему сбора. Кроме того, осуществляется добыча попутного газа, являющегося сопутствующим продуктом при добыче нефти. Он также представляет ценность для многих отраслей промышленности.
• Подготовка к транспортировке. Добытый газ содержит многочисленные примеси. Если их количество несущественно, газ транспортируется с помощью танкеров или трубопровода на завод для последующей переработки. От значительного количества примесей природный газ очищается на установках комплексной подготовки, которые строятся рядом с месторождением.

Зачем нужна переработка природного газа

Образование природного газа приходится на период формирования слоёв пористых пород, содержащих нефть, и угольных пластов. Помимо компонентов, важных для нужд промышленности, он содержит примеси, затрудняющие процесс транспортировки и использования конечными потребителями.

Сразу после добычи газ на установках комплексной подготовки осушается, в ходе чего из него извлекаются пары воды и серы. Дальнейшая переработка природного и попутного газа осуществляется на химических и газоперерабатывающих заводах.

Основной принцип работы заводов по переработке

Главная задача предприятия, занимающегося переработкой природного газа, - максимально возможное извлечение всех компонентов ископаемого и доведение их до товарного состояния. При этом не должен наноситься вред окружающей среде и земным недрам, а финансовые затраты необходимо сводить к минимуму.

Благодаря выполнению всех аспектов этого правила, продукты переработки природного газа считаются высококачественными и экономичными.

Способы переработки

Существуют следующие способы переработки газа:

• физико-энергетические;
• химико-каталитические;
• термохимические.

Физико-энергетические методы применяются для сжатия газа и разделения его на составляющие с помощью охлаждающих или нагревательных установок. Данная технология переработки природного газа чаще всего используется непосредственно на месторождениях.

Изначально процесс сжатия и разделения осуществлялся при помощи компрессоров. На сегодняшний день успешно применяется менее затратное в финансовом плане оборудование - эжекторы и нефтяные насосы.

Химико-каталитический способ переработки природного газа подразумевает превращение метана в синтез-газ для его последующей переработки. Это возможно сделать тремя способами: паровой или углекислотной конверсией, парциальным окислением.

Зачастую используется метод парциального окисления метана. Это обусловлено удобством проведения процесса в автотермическом режиме (когда при неполном окислении углеводородов сырьё нагревается благодаря тепловыделению), скоростью реакции и отсутствием необходимости использования катализатора (как при паровой и углекислотной конверсии).

Полученный синтез-газ в дальнейшем не подвергается процессу разделения на составляющие.

Термохимические способы подразумевают термическое воздействие на природный газ, в результате чего образуются непредельные углеводороды (например, этилен, пропилен). Осуществление процесса возможно только при очень высоких температурах (около 11 тыс. градусов Цельсия) и давлении в несколько атмосфер.

Продукты переработки

У многих людей слово «газ» ассоциируется с топливом и газовой плитой. На самом же деле применение его составляющих более обширно:

• гелий - ценное сырьё, используемое в высоких технологиях, например при изготовлении медицинского оборудования и магнитных подушек для длительных поездок в общественном транспорте, при конструировании ядерных реакторов и космических спутников;
• формальдегид, один из производных метана, - сырьё, играющее большую роль в производстве фенопластов (тормозные накладки, бильярдные шары) и смол, являющихся важным компонентом строительных конструкционных материалов (фанера, ДВП), лакокрасочных и теплоизоляционных изделий;
• аммиак - используется в фармацевтической (водный раствор), сельскохозяйственной (удобрения) и пищевой (усилитель вкусовых свойств) отраслях промышленности;
• этан - сырьё, из которого производят полиэтилен;
• уксусная кислота - широко применяется в текстильной промышленности;
• метанол - топливо для автотранспорта.

Добыча и переработка природного газа - процессы, благодаря которым эффективно развиваются важнейшие отрасли промышленности. Конечному потребителю газ поступает после тщательной обработки, его применение значительно улучшает условия быта.

Термин «газ» впервые употребился в XVII столетии. В обиход его ввел Ван-Гельмонт - известный ученый-голландец. С этих пор газами принято называть особые вещества, которые, находясь в стандартных условиях, способны заполнять все существующее пространство без кардинального изменения своих признаков. В этом определении и заключается основное отличие газообразных веществ от твердых и жидких.

Современные ученые определяют газ как вещество, которое характеризуется полным отсутствием связей между молекулами, а также высокой деформируемостью и текучестью. Основным достоинством газоподобных веществ является то, что они способны достаточно быстро уменьшить свой объем до минимальных размеров, что способствует удобству в транспортировке и применении.

Все газы подразделяются на технические и чистые (природные). Техническими принято называть химические вещества газообразного характера, которые человек добывает искусственным путем с целью эксплуатации для собственных нужд. Соответственно, чистыми газами считаются вещества, которые образовались естественным путем и находятся в воздухе, земле и воде. Безусловно, количество природных газов значительно превышает запасы технических, созданных химическим способом.

Основные промышленные газы

Водород - это газ, основными свойствами которого являются относительная легкость, высокая теплопроводность, отсутствие токсичности, запаха и цвета. Как чистый, так и технический водород активно используется учеными в процессе проведения различных опытов; значительное распространение он также получил в таких отраслях промышленности, как химическая и металлургическая; популярен он и в сфере электроники и медицины.

Кислород , также как и водород, не имеет цвета, вкуса и запаха. Этот газ является источником жизни на Земле, поскольку принимает активное участие в процессах горения, дыхания и гниения. Он практически не растворяется в воде и спиртовом растворе. При максимальном охлаждении вещество изначально приобретает насыщенный голубой цвет и становится подвижным, а затем полностью замерзает. Кислород популярен в пищевой, химической и металлургической промышленности, а также в медицине и сельском хозяйстве. Незаменим он будет и при производстве горючих веществ для заправки ракет.

Углекислота - это вещество газообразного характера, не имеющее цвета и запаха, превращающееся в жидкость при высоком давлении и способное в больших количествах вызвать удушение. Наибольшую популярность углекислота приобрела в пищевой промышленности, также активно употребляется в металлургической, строительной, экологической и горнодобывающей отраслях народного хозяйства.

Азот - бесцветное, негорючее и нетоксичное вещество, которое легче воздуха. Чистый азот получают с помощью максимального охлаждения воздуха, а технический - в результате перегонки жидкого воздуха. Этот газ применяется практически во всех отраслях промышленности (горная, нефтедобывающая, машиностроительная, пищевая), поскольку совершенно безопасен в эксплуатации.

Гелий - одноатомный газ, не вступающий в реакции с остальными химическими элементами. Это наиболее легкий и наиболее инертный газ. Свое применение гелий нашел в изготовлении наружной рекламы, приборостроении, газовой хроматографии и ядерной энергетике.

Ацетилен - достаточно опасный в использовании газ, имеющий особый, только ему свойственный запах. Эксплуатируется гелий в газовой сварке, в процессе изготовления различных лекарственных средств, а также при выпуске ПВХ (поливинилхлорида). Применяется этот газ с максимальным соблюдением правил техники безопасности, поскольку при неосторожном обращении способен спровоцировать пожар.

Криптон - достаточно плотное газообразное вещество с низкой теплопроводностью, получаемое в процессе разделения воздуха. Этот газ активно применяется в медицине и ядерной промышленности. Пользуется популярностью криптон и в роли заполнителя стеклопакетов при производстве металлопластиковых окон.

Ксенон - благородный газ, который возникает при разделении воздуха на углекислый газ и кислород. Необходим этот газ при изготовлении лазеров, горючего для ракет, а также средств для обезболивания и наркоза.

• магистральный азот (чистота 5,0)
• 15 специальных особо чистых газов (чистота до 6,0)
• очистка от H2O и O2 до 100 ppb
• автоматические газовые шкафы
• автоматическая система газоанализа
• система оборотного водоохлаждения
• системы обеспечения сжатым воздухом

Стабильность и надежность любого производства, в особенности высокотехнологического, обеспечивается его инфраструктурой. На первый взгляд незаметные и располагающиеся, как правило, в подвальных помещениях или технических этажах, данные подсистемы выполняют крайне важную и ответственную задачу 24 часа в сутки 7 дней в неделю. В НОЦ ФМН к таким системам относятся система воздухоподготовки, системы обеспечения сжатым воздухом и техническим азотом высокой чистоты, система оборотного водоохлаждения, система газоанализа и пожаротушения , а также одна из наиболее сложных и опасных - система обеспечения особочистыми специальными газами .

К специальным газам относят газы или смеси газов, которые имеют узкоспециализированное назначение и удовлетворяют особым требованиям к их чистоте, а также содержанию примесей. В НОЦ «Функциональные микро/наносистемы» используются газы чистотой от класса 4,0 (содержание основного компонента 99,99%) до класса 6,0 (99,9999%) . Для транспортировки и хранения газов такой чистоты в НОЦ ФМН используются специализированные баллоны объемом 10, 40 или 50 литров, к которым также предъявляются особые требования, в первую очередь по безопасности. Каждый баллон проходит обязательную процедуру сертификации перед тем, как его доставят и подключат в систему. Проводятся испытания на прочность, на течи, в том числе на гелиевые, тесты на влажность и на частицы. Так, например, для большинства специальных газов, используемых в НОЦ ФМН, недопустимо наличие более одной частицы размером 0,1 мкм на кубический фут (0.028 кубического метра). При изготовлении структур нанометровых размеров попадание частиц в 10-100 раз крупнее самих функциональных элементов может привести к полному уничтожению устройства. Так как данные устройства кропотливо изготавливаются в течение продолжительного времени, от нескольких дней до нескольких недель и более, обнаружение неработоспособного устройства на финальной стадии его производства приводит к колоссальным потерям как времени и человеческих ресурсов, так и материалов.

При проектировании Технологического центра ФМН учитывался опыт крупных микроэлектронных предприятий , был проведен анализ ведущих мировых центров и их инфраструктурных подсистем, проведен сравнительный анализ поставщиков оборудования для специальных газов, поставщиков самих газов, а также тщательный анализ компаний, занимающихся внедрением данных решений. В результате был образован высоконадежный конгломерат из ведущих американских и немецких производителей, который совместными усилиями реализовал в НОЦ ФМН систему обеспечения специальными газами на самом высоком уровне.

В НОЦ «Функциональные микро/наносистемы» используется 15 специальных особо чистых газов чистотой до класса 6,0 (99,9999%) , среди которых азот, кислород, аргон, гелий, водород, тетрафторметан (CF 4), закись азота (N 2 O), трифторметан (CHF 3), октафторциклобутан (C 4 F 8), гексафлорид серы (SF 6), аммиак (NH 3), трихлорид бора (BCl 3), бромоводород (HBr), хлор (Cl 2) и моносилан (SiH 4). Именно поэтому, в НОЦ ФМН удаляется особое внимание безопасности сотрудников, окружающей среды и оборудования. Так, особо опасные токсичные и взрывоопасные газы и газовые смеси располагаются в отдельном помещении на улице, в котором реализована система бесперебойного электроснабжения, отдельная вытяжная и приточная вентиляция, система нейтрализации газов (скрубберы), а также система подачи сжатого воздуха для пневматических клапанов. Помимо этого, все особоопасные газы располагаются в специализированных бронированных пожароустойчивых газовых шкафах ведущего американского производителя. Данные шкафы являются полностью автоматическими, благодаря чему для использования газа или смены баллона газа не требуется ничего кроме стандартной процедуры отсоединения и установки на место нового баллона. Все необходимые действия для подачи газа в линию, а также контроля за давлением баллона (в случае газообразных реагентов) или его весом (в случае жидких реагентов) осуществляет автоматика. Соответственно, сигнал о необходимости смены баллона также выдается автоматически при опустошении баллона до определенного уровня.

В НОЦ ФМН реализована четырехуровневая система мониторинга, оповещение и предупреждения нештатных ситуаций . Сюда относится, в первую очередь, контроль за малейшими утечками газа . Магистрали всех особоопасных газов выполнены в виде коаксиальных труб, внешняя оболочка которых заполнена инертным газом. В случае любой разгерметизации или повреждения трубопровода, давление инертного газа падает, системы включает тревогу и мгновенно останавливает подачу газа. Помимо этого, в газовых шкафах, а также у каждой технологической установки, использующей газ, установлены высокочувствительные газоанализаторы ведущего немецкого производителя, которые включают сигнализацию в случае обнаружения содержания опасных газов в несколько раз ниже допустимого уровня, еще безопасного для человека. На втором уровне безопасности осуществляется непрерывный контроль потока вытяжной вентиляции (100-200 м 3 /ч). В случае его незначительного уменьшения выдается предупреждение, а в случае резкого падения - сигнализация и полное отключение газоснабжения. Данная вытяжная вентиляция предназначена исключительно для удаления скоплений газов, которое может происходить только в результате аварии или повреждения трубопровода. Т.е. в исправно работающей системе скопления газов не происходит; тем не менее, вытяжная вентиляция работает в режиме 24/7. Третий уровень безопасности - это система автоматического пожаротушения , а четвертый уровень - высоконадежная система предупреждения нештатных ситуаций . Так, например, в случае возникновения малейшей угрозы утечки газа в помещении на улице, весь персонал чистого помещение внутри здания будет уведомлен и эвакуирован. Это реализовано с одной лишь целью - безопасность и здоровье сотрудников центра.

Для проведения научных исследований и получения результатов, соответствующих и превышающих мировой уровень, в НОЦ ФМН уделяют особое внимание чистоте материалов , из которых и с помощью которых изготавливаются высокотехнологичные устройства. Помимо предъявления жестких требований к чистоте и качеству подложек, металлов для осаждения и других исходных материалов, также тщательно контролируется качество и чистота химических реагентов, воды и, в особенности, специальных газов . Как указано выше, в НОЦ ФМН используется 15 специальных особо чистых газов чистотой до класса 6,0 (99,9999%). В процессе аттестации с приемо-сдаточных испытаний газовых магистралей проводилась их продувка в течение нескольких суток, что позволило добиться уровня содержания влаги и кислорода до 100 ppb (частей на миллиард). На все газовые магистрали установлены дополнительные очистители, расположенные в непосредственной близости к технологическому оборудованию и увеличивающие класс чистоты отдельных газов до 8 (99,999999%), а сами магистрали выполнены из высококачественной немецкой стали с шероховатостью Ra менее 250 нм.

Помимо аттестации и приемо-сдаточных испытаний систем газоснабжения, в Центре внедрен опыт ведущих мировых микроэлектронных предприятий, благодаря которому разработана специальная методика работы со специальными газами . В дополнение к использованию газораспределительных панелей ведущего немецкого производителя, внедрена в практику процедура смены использованных баллонов, включающая в себя множество стадий продувки участка магистрали инертным газом, а также полное вакуумирование линии в течение суток. Это позволяет с уверенностью получать идентичные и повторяемые результаты в течение длительного периода времени, будь то плазмохимическое травление кремния и его окисла или осаждение тонких пленок благородных металлов.

Тег video не поддерживается вашим браузером.

Другой немаловажной инфраструктурной подсистемой является система обеспечения магистральным техническим азотом чистотой класса 5,0 . Источником азота является резервуар с жидким азотом объемом 6 м 3 и весом более 5 тонн от ведущего немецкого производителя. Разработка системы проводилась согласно множеству регламентов и плавил, а сам резервуар находится на учете в Ростехнадзоре. Благодаря специальному газификатору жидкий азот, поступающий в магистраль, испаряется и поступает в технологический Центр уже в газообразном виде. В непосредственной близости от оборудования установлены очистителя газа, повышающие класс чистоты технического азота до 6,0. Чистота технического азота крайне важна поскольку он используется во всех процессах вакуумных установок, а также в системах жидкостной химии, в том числе для продувки и сушки пластин и образцов.

Практически все оборудование Технологического центра, от установки проявления фоторезистов до мини-завода по производству ультрачистой воды, использует сжатый воздух для обеспечения работы пневматических клапанов . Не важно, используется ли воздух для открытия/закрытия линий подачи проявителей или же для постоянной обдувки оптики с целью предотвращения попадания на нее частиц пыли, требования к сжатому воздуху предъявляются очень серьезные. Для их обеспечения в НОЦ ФМН используется высокопроизводительная компрессорная установка от ведущего Шведского производителя, оборудованная системой осушения воздуха, позволяющая достичь содержания влаги до 100 ppb (частей на миллиард). Магистраль сжатого воздуха спроектирована с учетом возможности расширения и добавления новых потребителей практически на любом участке центра. Это позволяет вводить в строй новое оборудование в кратчайшие сроки.

Для работы высоковакуумного оборудования, а также для поддержания работы систем обеспечения чистым воздухом требуется водяное охлаждение . В большинстве случаев это реализуется подключением к обычному городскому водопроводу со всеми вытекающими последствиями: образованию кальциевых отложений в трубах и росту микроорганизмов. Это, в свою очередь, может привести к выходу из строя дорогостоящих вакуумных насосов, не говоря уже о невозможности выполнения технологических операций. В НОЦ ФМН для водяного охлаждения используется не обычая водопроводная вода, а пермеат из системы водоподготовки. Пермеат представляет собой предварительно очищенную воду с низкой концентрацией солей, которая образуется на выходе установки обратного осмоса. Пермеат постоянно циркулирует в замкнутом контуре, что предотвращает образование микроорганизмов и других нежелательных образований.