8-812-740-66-02
8
-812-989-04-49
info@vactron.org

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ГАЗОВЫДЕЛЕНИЯ ИЗ МАТЕРИАЛОВ

Исследование процессов газовыделения из материалов

Одним из условий сохранения высокого вакуума в изолированных от насосов системах и электровакуумных приборах является отсутствие газовыделений с поверхностей и из масс, граничащих с вакуумом. В обычных условиях все материалы содержат связанные газы: удерживаются на поверхности за счет сил физической адсорбции (адсорбированы); растворены в объеме материала (абсорбированы); содержатся в виде химических соединений (хемосорбированы); имеются в виде объемных включений в порах, трещинах (окклюдированы).
Связанные газы при определенных условиях могут переходить в свободное состояние (десорбироваться) и повышать давление в замкнутом объеме.
Обычно в ходе откачки высоковакуумные системы и электровакуумные приборы подвергаются обезгаживанию. В каждом конкретном случае следует рассматривать пару "материал - газ" и намечать соответствующие пути освобождения материала от газа.

В зависимости от способа получения, хранения и обработки материалы могут одержать и выделять самые разнообразные газы: СО, СО2, Н2О, О2, N2, H2 и др. Идентификацию газов, выделяющихся из материалы, осуществляют обычно с помощью масс-спектрометров.
Технологов интересует, кроме того, и количество газов, которое может выделиться из материалов в ходе их вакуумной обработки. В связи с тем, что газовыделение зависит от очень многих факторов и не всегда строго известна "история" материала, то нельзя полностью доверяться справочным сведениям по газовыделению, поэтому часто приходится оценивать газовыделение экспериментально.
Наиболее эффективным способом очистки материалов считают высокотемпературный отжиг в вакууме или водороде. При этом решается также проблема снятия внутренних напряжений, появившихся в ходе предварительных механических и других обработок материалов.
Газы и металлы образуют растворы различных типов. Сравнительно небольшие по размерам атомы газов (водорода, азота) могут занимать устойчивое положение между большими атомами металла, образуя так называемые растворы внедрения. При этом кристаллическая решетка металла несколько растягивается вследствие колебаний атомов относительно центров равновесия. Если размеры атомов растворяющихся газов соизмеримы с размерами атомов металла, то образуются так называемые растворы замещения: в узлах кристаллической решетки атомы газа замещают атомы металла, при этом решетка деформируется (Рис. 1).


Перемещение растворенных атомов газов в объеме металла или к его поверхности происходит за счет диффузии; диффузия возможна тогда, когда колеблющиеся атомы газов приобретают энергию, достаточную для "расталкивания" соседних атомов решетки металла. Диффузия газов в растворах внедрения идет легче, чем в растворах замещения.
Коэффициент диффузии газа в металле, а, следовательно, и скорость диффузии зависит от многих факторов. Выражение для коэффициента диффузии газа через металлическую пластину толщиной δ, по одну сторону которой имеется вакуум, а по другую - газ с давлением Р, экспоненциально зависит от температуры Т:


 

где к - постоянная, зависящая от природы системы "газ - металл"; Ео - энергия активации процесса диффузии.

При повышении температуры возрастает интенсивность колебаний частиц твердого тела, и осевшие на поверхности молекулы газа могут выделиться в свободное пространство. Освободившиеся участки поверхности твердого тела могут быть снова заняты газом, диффундирующим из объема твердого тела. Ясно, что обезгаживание следует вести при повышенных температурах, чтобы ускорить процессы десорбции и диффузии. Однако в некоторых случаях при повышенных температурах процессы могут осложняться за счет химического взаимодействия газов с твердым телом.

На практике бывает довольно трудно различить, за счет какого процесса поглощается или выделяется газ. Более легко различима физическая адсорбция (десорбция), при которой газ поглощается или выделяется практически мгновенно. В общем случае для распознавания природы поглощения газа основываются на форме кривых зависимости количества выделившегося газа от времени при изотермическом обезгаживании. Если газовыделение обусловлено в основном диффузией газа из объема твердого материала, то скорость выделения газа приблизительно пропорциональна 1/sqrt(τ), (где τ - время обезгаживания). Скорость выделения хемосорбированного газа пропорциональна 1/τ, а образующегося при поверхностной термической диссоциации 1/τ2.

Количество физически адсорбированного газа считают эквивалентным мономолекулярному слою: 0,3-0,5 л мм рт. ст./см . Этот газ удаляется за 2-3 минуты при нагреве до 200-300 °С. Величина истинной поверхности, участвующей в физической адсорбции, может в сотни раз превышать геометрическую поверхность твердого тела.

Повышение температуры отжига всегда ускоряет обезгаживание металлов и улучшает очистку поверхности. Однако при выборе температуры обезгаживания следует учитывать и возможность нежелательных структурных изменений металлов, приводящих к рекристаллизации и к снижению прочности, нарушению формоустойчивости деталей. Температура обезгаживания должна быть, по возможности, более высокой, по крайней мере, выше рабочей температуры деталей в приборах. Эта температура ограничивается иногда испарением материала (испарение считается заметным, если давление паров над металлом превышает 10-2 мм рт. ст.). Максимальные температуры обезгаживания для наиболее распространенных металов следующие: для вольфрама - 1800 °С, для молибдена - 950 °С, для меди - 500 °С, для никеля - 750-950 °С, для железа - 1000 °С.

Известны следующие способы нагрева материалов при обезгаживании:

  1. в электрических и газовых печах;
  2. за счет непосредственного пропускания электрического тока через деталь;
  3. токами высокой частоты;
  4. путем бомбардировки деталей положительными ионами или электронами в вакууме (в последнем случае возможно разрушение химических соединений, находящихся на поверхности).

Методом прогрева в печи возможно обезгаживание всего прибора целиком. При этом происходит обезгаживание вспомогательных металлических деталей, которые в готовом приборе при его работе не нагреваются до высокой температуры.
Прогрев или прокаливание непосредственным пропусканием электрического тока удобно применять к деталям, которые используются как нагревательные элементы в готовом изделии (например, катоды, нити накаливания и т.п.). В частности, режим прокаливания катода для его обезгаживания всегда должен удовлетворять также и требованиям его температурной обработки для получения надлежащих эмиссионных свойств. Во всяком случае в процессе откачки катод должен хотя бы некоторое время выдерживаться при температуре более высокой по сравнению с его рабочей температурой.

Прокаливанию токами высокой частоты в процессе откачки подвергаются наиболее ответственные металлические детали электровакуумного прибора. При этом катушка (индуктор), по которой течет ток высокой частоты, располагается снаружи (в воздушной атмосфере), а нагреваемая металлическая деталь - внутри вакуумной системы (обычно стеклянной). В детали, расположенной внутри катушки, наводятся токи Фуко, за счет их протекания происходит разогревание.
При прокаливании электронной бомбардировкой используется кинетическая энергия электронов, эмитируемых накаленным катодом и устремляющихся под действием электрического поля к положительно заряженному (по отношению к катоду) электроду.

При достижении электронами поверхности положительного электрода их кинетическая энергия превращается в теплоту, которая и повышает температуру электрода. Очевидно, температура прокаливания, достигаемая методом электронной бомбардировки, тем выше, чем выше положительный потенциал прокаливаемого электрода и чем больше электронный ток катода. Электронная бомбардировка является единственным эффективным методом обезгаживания внутренних электродов (например, сеток).

При пользовании методом электронной бомбардировки необходимо соблюдать такой режим, чтобы насос успевал откачивать выделяющиеся газы, иначе давление в приборе может возрасти до величины, достаточной для образования дугового разряда через газы (между катодом и прокаливаемым электродом); даже, если нет опасности возникновения дуги, то все же нельзя допускать такого повышения давления, при котором может происходить заметная ионная бомбардировка катода, приводящая к его распылению или к снижению эмиссии.

При использовании данных методов обезгаживания необходимо придерживаться следующих общих правил:

  1. температуру прокаливаемой детали повышать постепенно;
  2. максимальную температуру прокаливания устанавливать, по возможности, более высокой, учитывая свойства данного металла в отношении скорости испарения и точки плавления, а также близость к стеклу;
  3. при прокаливании делать кратковременные перерывы для удаления выделяющихся газов, которые не только опасны с точки зрения возникновения дугового разряда в откачиваемом приборе, но и сильно снижают скорость обезгаживания.

При обезгаживании методом ионной бомбардировки в откачанный до высокого вакуума прибор впускается некоторое количество газа, не действующего химически на накаленный катод и являющегося для ионной бомбардировки достаточно удовлетворительным; например, можно пользоваться смесью водорода с аргоном при давлении 10-20 мм рт. ст. В атмосфере впущенного в откачанный прибор газа возбуждается разряд, и образующимися при этом ионами газа, ударяющимися под действием электрического поля об электроды прибора, последние доводятся до высокой температуры. Получающийся при соприкосновении с накаленным катодом активный (одноатомный) водород является весьма эффективным восстановителем и, воздействуя на нагретые ионной бомбардировкой электроды, очищает их поверхность от окислов. Ударами ионов выбиваются также молекулы других газов, адсорбированные на поверхности бомбардируемых электродов и со стенок стекла.

Использованные для ионной бомбардировки газы удаляются насосом: при этом необходимо иметь в виду, что если для ионной бомбардировки были использованы только инертные газы, то они почти не адсорбируются электродами при ионной бомбардировке; водород же может оказаться сам поглощенным в некотором количестве; поэтому при откачке прибора после ионной бомбардировки необходимо подвергать электроды некоторому дополнительному прокаливанию, но уже в вакууме.

Способ обезгаживания ионной бомбардировкой применяется при откачке больших электровакуумных приборов (мощных генераторных ламп, рентгеновских трубок и т.п.), в которых для электронной бомбардировки необходимо прикладывать к электродам весьма высокие напряжения; ионная же бомбардировка требует сравнительно низких напряжений.

Способы определения количества газа, выделяемого материалом
Существуют несколько способов определения количества газов выделяемого материалом. Одними из наиболее простых являются: метод известной проводимости трубопроводов и метод изотермического расширения.

Метод известной проводимости трубопроводов.

В этом методе используются непрерывная откачка объема, в которой происходит газовыделение. Для откачки используется трубопровод известной проводимости. При наличии заметного газовыделения из образца в системе будет повышаться давление даже при непрерывной откачке, т.к. количество выделившихся в единицу времени газов будет превышать, количество газов, удаляемых насосом через трубопровод, на концах которого устанавливается разность давлений P1 - P2 (где P1 - давление на конце трубопровода обращенном к сосуду, а Р2 - на конце трубопровода, обращенном к насосу).

Поток газа через трубопровод определяется выражением:

а количество газа, прошедшее за время Δτ, будет:

Метод изотермического расширения.

О количестве выделившихся газов (G) можно судить по увеличению давления в известном по величине объеме, изолированном от насосов (в данной работе это объем V2):


где Ркон - давление, которое установилось в системе при подключении объема, Рнач - начальное давление, которое было в объеме до соединения его с системой, в которой происходит газовыделение.

Следует отметить, что газ попадает в систему не только в результате газовыделения из образца, но и десорбируется с поверхности самой установки, а также проникает за счет натекания. Поэтому реально количество газа при данном способе измерений будет несколько ниже.
Поток газа (Q), десорбирующегося с поверхности образца определяется выражением:


где ΔG - количество газа десорбированного с поверхности образца за время Δt.
Цель данной работы - исследование процессов обезгаживания титанового образца методом изометрического расширения.

Порядок выполнения работы
Установка состоит из двух объемов (V1, V2), откачиваемых с помощью диффузионного 4 и форвакуумного 1 насосов (рис. 2). Исследуемый образец, представляющий собой титановый цилиндр, который находится в объеме V1. Нагрев образца осуществляется с помощью вольфрамового нагревателя, помещенного внутри цилиндра, температура поверхности которого контролируется с 
помощью медь-константановой термопары, ЭДС (ε) которой переводится в значения температуры согласно уравнению:


Перед началом работы
  1. Краны 2, 6 открыты;
  2. Краны 3, 5 открыты в положение "байпас".

{jllikelock}

Включение установки

  1. Открыть кран охлаждения диффузионного насоса (попросить преподавателя или заведующего лабораторией).
  2. Закрыть кран 2.
  3. Включить механический насос и откачать объемы V1 и V2 до предельного давления, создаваемого форвакуумным насосом.
  4. Открыть кран 3 в положение "форвакуум".
  5. Открыть кран 5 в положение "высокий вакуум".
  6. Включить нагреватель диффузионного насоса. Откачать объемы до давления соответствующего 100 делениям по шкале термопарного вакуумметра.
  7. С помощью ионизационного датчика, подключенного к объему V1 измерить предельное давление Рпред в системе.

Установка готова к проведению измерений.
Процесс измерений

  1. Выключить ионизационную часть вакууметра.
  2. Закрыть кран 6.
  3. Снять кривую натекания в объеме V1 (измерения проводить не более 5-10 минут).

Внимание: запрещается увеличение давления в объем V1 до значений, превышающих давление запуска пароструйного насоса (менее 12 делений).

  1. Открыть кран 6.
  2. Откачать объемы до давления соответствующего 100 делениям по шкале термопарного вакуумметра.
  3. Включить нагреватель образца.
  4. Включить секундомер (секундомер не выключать, отсчет времени ведется постоянно в течение эксперимента, через каждую минуту записывать значение температуры образца в лабораторный журнал).
  5. Закрыть кран 6.
  6. Далее через каждую минуту записывать значение давления в объеме V1 .
  7. По истечении 3-5 минут (или раньше, если показания термопарного вакуумметра, подключенного к объему V1 уменьшились до значений менее 40 делений термопарного вакуумметра) закрыть кран 5.

Внимание: запрещается увеличение давления в объем V1 до значений, превышающих давление запуска пароструйного насоса (менее 12 делений)

  1. Открыть кран 6.
  2. Через несколько секунд после выравнивания давлений в объемах V1 и V2 повторить п. 15-16 и отметить показания секундомера в момент закрытия крана 6 (После пятого измерения выключить нагреватель образца).
  3. Снять показания вакуумметра, подключенного к объему V2. Рассчитать количество выделившегося газа по формуле (4).
  4. Открыть кран 5 в положение "высокий вакуум". Дальнейшее выполнение работы продолжить, следуя пунктам с 17 по 21. Таким образом, необходимо получить не менее 5 значений давления при включенном нагревателе и 1-2 значения после его выключения.
  5.  Открыть кран 6. Выключить секундомер. Рассчитать величину потока десорбировавшегося газа по формуле (5).
  6. Откачать объемы до давления соответствующего 100 делениям по шкале термопарного вакуумметра.
  7. Повторить пункты 8-12.

Выключение установки

  1. Открыть кран 5 в положение "байпас".
  2. Выключить нагрев диффузионного насоса.
  3. Через 30 минут открыть кран 3 в положение "байпас".
  4. Выключить механический насос.
  5. Открыть кран 2.
  6. Закрыть кран охлаждения диффузионного насоса.

По итогам измерений построить семейство кривых натекания в объеме V1, графики зависимости количества выделившегося газа (G), величины потока (Q) и температуры образца (t) от времени.

{/jllikelock}

Контрольные вопросы:

  1. За счет каких явлений удерживаются газы и пары в твердых материалах?
  2. Способы вакуумного обезгаживания материалов.
  3. От чего зависят скорость газовыделения и общее газовыделение?

 

Дополнительная профессиональная образовательная программа «Основы течеискания и вакуумной техники» 26 – 28 марта 2019

Основы течеискания и вакуумной техники»Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» имени В. И. Ульянова и ООО «ВАКТРОН» приглашают сотрудников предприятий принять участие в курсе повышения квалификации «Основы течеискания и вакуумной техники» 26 – 28 марта 2019 года.

Базовые темы обучения:

  • Контроль герметичности в авиационной и космической отрасли
  • Обслуживание и ремонт течеискателей ULVAC HELIOT и ТИ1-50, ТИ1-30, ТИ1-22
  • Аттестация сотрудников и лаборатории неразрушающего контроля
  • Герметичность объектов военного назначения
  • Сервис пластинчато-роторных, бустерных, спиральных, золотниковых и плунжерных насосов. Выбор вакуумного масла
  • Выбор вакуумных насосов и течеискателей для металлургии, научных исследований и коммерческих задач
  • Контроль герметичности компрессорного и холодильного оборудования, приборов СВЧ, микроэлектронных изделий
  • Стенды для проверки топливных шлангов, колесных дисков, топливных баков, компрессоров
  • Поверка и калибровка в сфере контроля герметичности
  • Локализация утечек теплообменников, водонагревателей, реле и литиевых батарей

После прохождения итогового тестирования специалист получает методические материалы, видеозапись занятий и удостоверение о повышении квалификации государственного образца по университетской программе дополнительного профессионального образования. Занятия будут проходить в Санкт-Петербурге в аудиториях университета СПбГЭТУ «ЛЭТИ». Для направления на обучение необходима предварительная регистрация. Регистрация участников: 8 (812) 740-66-02, Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Скачать приглашение и новую программу курса (DOC)
Политика конфиденциальности


8-812-740-66-02
8-812-989-04-49
Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.