Лабораторная работа Разработка методики измерения собственного газовыделения в вакууме

Цель работы: ознакомиться с причинами собственного газовыделения материалов в вакууме, изучить методы измерения собственного газовыделения материалов в вакууме, практически определить величину собственного газовыделения вакуумной резины.

Оборудование: вакуумная установка нанесения упрочняющих покрытий УВНИПА-1-001, образец вакуумной резины марки 7889.

Теоретические сведения

1. Влияние собственного газовыделения материалов на получение вакуума и его оценка

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.

Классификация источников газовыделения:

1. Диффузионное газовыделение

Каждый металл и неметалл содержит определенное количество газа. Газ может содержаться в виде растворенных примесей, либо в виде легирующего элемента, участвующего в формировании структуры металла (или неметалла).

Например:

1) легированная сталь 18ХГН содержит примесей S и P < 0.025%/.

2) стали – это сплавы железа с углеродом, в которых содержание углерода изменяется от 0.02% до 2.13%.

3) стекла – это сплавы оксидов металлов.

Кроме этого, когда концентрация газа внутри материала меньше, чем снаружи, то частицы газа, абсорбированные на поверхности этого материала могут диффундировать внутрь этого материала.

Если деталь, изготовленная из такого материала, помещается в вакуумную камеру, то растворенный в ней газ будет диффундировать к поверхности этой детали, откуда десорбируется и попадает в саму вакуумную камеру.

2. Испарение материалов с поверхностей детали вакуумной системы.

Испаряемость материалов в вакууме характеризуется упругостью пара (или – плотностью пара) материала. Под этими терминами понимается давление, при котором материал испаряется при данной температуре.

С ростом температуры упругость пара материалов растет, т.е. при более высокой температуре материал начинает испаряться при более высоком давлении. Так, давление пара (или упругость пара, или плотность пара) воды при 20°С - ~2.3*103 Па (-17.5 Тор), при 50°С - ~1.3*104 (~100 Тор), а при 100°С – 105 Па (760 Тор) – имена такова температура кипения воды при атмосферном давлении.

Упругость паров металлов колеблется в довольно широких пределах. Так, если для меди при 580°С она составляет ~1.3*10-9 Па (1*10-11 Тор), а при 720°С - ~1.3*10-6 Па (1*10-8 Тор), то для цинка упругость пара при 150°С равна ~ 1.3*10-5 Па (1*10-7 Тор), а при 300°С - уже 1.3*10-1 Па, т.е. 1*10-3 Тор.

Упругость пара материалов деталей существенно сказывается на состоянии вакуумной системы. Так, если упругость пара материалов учтена недостаточно тщательно, то при повышении температуры в системе может начаться интенсивное испарение металла, его пленки будут осаждаться на других деталях, в том числе – на изоляционных, что сделает их электропроводящими. А при значительных количествах веществ с высокой упругостью пара при рабочей температуре устройства может стать серьезной проблемой само достижение требуемого вакуума в системе.

Из всего сказанного следует, что применение в вакуумных системах материалов с высоким давлением паров при рабочей температуре крайне нежелательно. А применяемые в установке материалы должны иметь давление паров на 2…3 порядка ниже требуемого вакуума даже при комнатной температуре предполагаемого прогрева.

3. Газопроницаемость.

Конструкционного материала, полностью непроницаемого для газов не существует. Все материалы в той или иной степени попускают газы. Более того, существуют материал, избирательно пропускающие те или иные газы. Так, например, серебро лучше других газов пропускает кислород, а палладий и никель – водород. И обладающие этим свойством металлы широко используются для создания специальных фильтров, через которые предварительно откачанные системы могут наполняться спектрально чистыми газами.

Механизм газопроницаемости, по современным представлениям, состоит в растворении газа в металле со стороны высокого давления, диффундировании растворенного газа сквозь металл в направлении стороны с низким давлением и в последующем выделении газов внутрь вакуумного объема.