В целом о вакууме и вакуумных системах

Свойства вакуума
Особенности вакуумных систем

Вакуумные материалы и уплотнители

Вакуумные материалы
Уплотнители и и смазки

На заметку

Применение металлов для вакуумных систем
Применение металлов для вакуумных систем - Обезгаживание металлов
Вакуумные материалы и уплотнители - Вакуумные материалы
Оглавление
Применение металлов для вакуумных систем
Давление паров металлов
Обезгаживание металлов
Газопроницаемость металлов
Требования к физическим и химическим свойствам металлов, используемых для изготовления установок сверхвысокого вакуума
Все страницы

Приведенное в этом разделе подробное обсуждение металлов с точки зрения их способности к обезгаживанию вызвано необходимостью использования различных процессов обработки металлов для уменьшения скорости газовыделения до приемлемого уровня.

Как и в случае стекла, газы способны адсорбироваться поверхностью металла, а также растворяться в нем, главным образом, в процессе производства и обработки металла. Сорбция газов протекает по физическому или химическому механизму. В вакууме эти газы выделяются из металла со скоростью, зависящей от общего объема сорбированного газа, природы сорбционного процесса и температуры.

Важную при этом роль играет энергия активации сорбционного процесса. Для необработанных металлов, особенно если их поверхность загрязнена тонким слоем окисла, начальная скорость выделения газа при комнатной температуре составляет около 10-4Па*м3c-1* м-2, т. е. на порядок величины превосходит скорость выделения газа необработанным стеклом. На рис. 2.7 представлены значения скоростей газовыделения для некоторых необработанных металлов.

Не происходит выделения газа из металлов в случае хемосорбции газа с высокой энергией активации, при сильных связях металлов с активными газами, а также при использовании металлов, выплавленных или предварительно обезгаженных в условиях вакуума (если такая обработка была осуществлена незадолго до использования). Такие металлы могут применяться в вакуумных системах для откачки в качестве сорбционных насосов

 Для сравнения там же приведены данные, для неопрена и аральдита. Скорость газовыделения уменьшается со временем и, согласно Дейтону, может быть выражена уравнением (приблизительно для первых 10 ч экспозиции)

(2.4)

где qt — скорость выделения газа в момент времени t (время в ч),  10-4 Па*м3c-1* м-2, n— параметр, величина которого изменяется от 0,7 до 2, но, как правило, близка к 1.

Как и в случае стекла, такая большая скорость выделения газа (в основном паров воды) происходит за счет газа, адсорбированного поверхностью металла. Однако, исходя из количества выделяемого газа, можно заключить, что в этом процессе участвуют несколько монослоев адсорбированного газа (100 и более монослоев, как показано в некоторых экспериментах). В случае металлов, поверхность которых покрыта пористым слоем окисла, газ, по-видимому, вначале диффундирует сквозь этот слой, а затем адсорбируется поверхностью.

В этом случае следует ожидать, что скорость выделения газа будет определяться скоростью диффузии газа через поры или по границам зерен окисното слоя. Подтверждением этого служит тот факт, что время, требуемое для удаления газа с металлической стенки, покрытой окисным слоем, больше, чем для стекла, и больше времени, предсказываемого теорией. Кроме того, можно ожидать, что на скорость газовыделения с поверхности будет влиять также ее состояние. Так, в работе было обнаружено значительное расхождение с коростей-газовыделения для механически полированного или шлифованного путем пескоструйной обработки сплава инконель.

Пескоструйная обработка увеличивает площадь поверхности, но, с другой стороны, разрушает поверхностный слой оксида. В результате этого возрастает скорость выделения адсорбированных и образующихся на поверхности металла CO2 и СО (см. ниже) и уменьшается скорость выделения таких газов, как водород, которые не способны к диффузии сквозь оксидную пленку.

После первых 10—100 ч экспозиции, когда выделился весь поверхностно адсорбированный газ, скорость газовыделения уменьшается по экспоненциальному закону до очень низких значений. При этом скорость газовыделения лимитируется скоростью диффузии таза, растворенного в объеме, и становится обратно тфопордиональной корню квадратному из времени.

В объеме растворяются обычно H2, N2, O2, СО и CO2, но не пары воды. Эти газы поглощаются главным образом на стадии плавки и(или) разливки металла и образуются из доменного и (или) атмосферного газа. Некоторые из указанных газов при растворении образуют с металлом различные соединения, тогда как другие растворяются по физическому механизму. В каждом конкретном случае механизм растворения зависит от пары металл — газ.

При затвердевании расплава происходит лишь частичное газовыделение, а основная часть газа остается в металле. Обычно содержание газа в металле составляет от 10 до 100 об. % от его значения при нормальных условиях, т. е. того же порядка, что и содержание паров воды в стекле.

Наличие газа в металлах не всегда связано с процессами плавления, поскольку газы могут диффундировать и во многие-металлы, находящиеся в твердом состоянии. Процесс диффузии при комнатной температуре происходит сравнительно медленно,, поэтому обезгаженные металлы могут храниться в течение-нескольких суток без существенного увеличения содержания газов. Однако с повышением температуры скорость диффузии-возрастает по экспоненциальному закону.

Инертные газы являются исключением и не растворяются даже в расплавленных металлах. Тем не менее растворы инертных газов в металлах могут образовываться в результате ионизации и последующего-внедрения ускоренных ионов или при бомбардировке металла высокоэнергетическими нейтральными частицами.

Более подробная информация о растворимости газов в металлах (главным образом в твердой фазе) приведена в обзорной работе Дэшмана [2]. Ниже рассматриваются основные закономерности, характеризующие растворимость газов в металлах, которыми следует пользоваться на практике.

Водород. По отношению к растворимости водорода металлы могут быть отнесены к двум группам: образующие а) истинные растворы и б) гидриды и псевдогидриды. Для металлов первой группы растворимость пропорциональна корню квадратному из парциального давления водорода и возрастает с температурой. К этой группе относятся металлы (в порядке увеличения растворимости): Al, Cu, Pt, Ag, Mo, W, Cr, Со, Fe, Ni.

К металлам второй группы, образующим истинные гидриды, относятся щелочные и щелочноземельные металлы (Na, Ca и др.), а также металлы групп IV, V и VI (В, С, S, Si, As и др.). Псевдогидриды, также относящиеся ко второй группе, имеют состав МНт, где M — металлы (Mn, Та, V, Nb, Ce, La, Zr, Ti), а т — дробное число. Растворимость водорода в этих металлах на порядок величины выше, чем в металлах первой группы. С повышением температуры растворимость водорода в металлах второй группы уменьшается. Эти металлы представляют интерес с точки зрения их использования в качестве геттеров.

Кислород. Кислород растворим в большинстве металлов, но во всех случаях (за исключением благородных металлов) после перехода за предел растворимости в твердом состоянии появляется оксидная фаза. Поэтому трудно отличить растворение собственно кислорода от растворения оксидов, которые образуются в больших количествах в процессе плавки металла. Вследствие этого количество кислорода, способное выделиться в вакуумную систему, может значительно превышать количество кислорода, которое может быть растворено в твердом металле.

Азот. Азот растворяется только в тех металлах, которые при более высоких температурах образуют нитриды, например Zn, Та, Mn, Mo и Fe. Установлено, что в обычных условиях азот нерастворим (в пределах экспериментальной ошибки) в Со, Cu, Ag и Au. Растворимость в металлах типа Mo и Fe мала и составляет ~1°/о(по массе). В этих металлах в твердой фазе нитриды не образуются. С другой стороны, в Zn при повышенных температурах растворяются большие количества азота с образованием нитрида.

Окись и двуокись углерода. Окись углерода ведет себя аналогично азоту. Она поглощается только металлами типа Ni и Fe, каждый из которых может образовывать карбонил. Окись углерода не растворяется в меди. Наблюдаемое при нагревании некоторых металлов в вакууме выделение окиси и двуокиси углерода объясняется взаимодействием углерода, диффундирующего в металл, с различными окислами, а не прямым растворением СО или CO2.

Как и стекло, металлы можно обезгаживать нагреванием в условиях вакуума непосредственно в самой установке. Однако ввиду того что скорость диффузии растворенного газа экспоненциально зависит от температуры, предпочтительнее проводить обезгаживание при максимально возможных температурах (не превышающих температуру размягчения металла), что не всегда представляется возможным для всей вакуумной системы. Поэтому часто проводят обезгаживание отдельных частей установки перед ее сборкой, поскольку, как уже отмечалось, повторное поглощение новых порций газа при комнатной температуре происходит относительно медленно.

Для обезгаживания металла используются по отдельности или в комбинации следующие способы: 1) плавка в вакууме; 2) предварительное (до сборки) прокаливание готовых деталей в условиях вакуума; 3) прогрев частей вакуумной установки в собранном виде при одновременном откачивании.

В настоящее время вакуумная плавка металлов осуществляется в промышленных масштабах, что позволяет широко применять многие металлы, обезгаженные этим способом. Вопросы технологии вакуумной плавки и соответствующей аппаратуры подробно освещены в работе. Следует, однако, отметить, что металлы, полученные методом вакуумной плавки, имеют относительно высокую стоимость, поэтому их применение все же ограниченно.

Обычно такие металлы применяются в тех случаях, когда требуется полное отсутствие кислорода или его соединений, например в катодах, изготовленных из никеля, или в сплавах, используемых при изготовлении переходов металл— стекло. Однако на практике трудно ожидать преимуществ от использования металла, полученного методом вакуумной плавки, поскольку в процессе изготовления деталей вакуумной установки практически невозможно избежать загрязнения поверхности маслами или образования окислов, особенно при пользовании такими методами обработки, как горячая ковка, прессование или сварка.

Поэтому предварительное обезгаживание готовых деталей вакуумной установки перед ее сборкой применяется, пожалуй, чаще всего. Вначале деталь подвергается очистке химическими методами для удаления поверхностной окисной пленки или других загрязняющих веществ, например следов масел, используемых при механической обработке. Затем деталь прокаливают либо в условиях вакуума (10-2 Па) при температуре около 1000°С, либо в потоке горячего сухого чистого газа, который плохо адсорбируется металлом или же легко удаляется.

Например, для осушки деталей электровакуумных приборов используется водород, который восстанавливает имеющиеся окислы и, вследствие своей высокой скорости диффузии, достаточно легко удаляется в процессе дальнейшей обработки. Этот метод наиболее экономичен, поскольку не требует использования вакуумной установки и позволяет проводить непрерывную загрузку деталей в горячую печь с помощью конвейера. Однако удаление остаточного водорода для получения сверхвысокого вакуума представляет собой значительную проблему, поэтому не рекомендуется использовать прокаливание в атмосфере водорода даже при последующем прокаливании в условиях вакуума.

Рабочая температура печи и время прокаливания определяются несколькими факторами. Очевидно, температура не должна быть настолько высокой, чтобы происходило заметное испарение металла, или, другими словами, она не должна приближаться к температуре плавления металла. На практике используются более низкие температуры, определяемые возможной деформацией деталей (пределом ползучести) или, в некоторых случаях, конструкцией печи. Вообще говоря, температура должна быть близкой к точке отжига, поскольку при такой температуре происходит релаксация внутренних напряжений, что, в свою очередь, может приводить к возникновению небольших деформаций, которые снимаются последующей доводкой. В случае же напряженных деталей, таких, как пружины или опорные кронштейны, температура выдержки должна выбираться более низкой.
Для большинства металлов оптимальный диапазон температур прокаливания составляет 900—1000 °С. Такие температуры могут быть созданы в электрических печах с нагревательными элементами, изготовленными из нихрома или кантала. Для вольфрама и молибдена необходимы более высокие-температуры и, следовательно, более сложные по конструкции печи.

Азот, составляющий более половины всего газа, адсорбированного в молибдене, не выделяется вплоть до 1200 0C. Титан и медь должны прокаливаться при более низких температурах (500—7000C), причем в условиях высокого вакуума может использоваться только бескислородная медь. Алюминий, вследствие низкой температуры плавления, нельзя нагревать значительно выше температур, обычно используемых при прогреве вакуумной системы в собранном виде, поэтому предварительное обезгаживание алюминия малоэффективно.

Продувка водородом с целью восстановления оксидов металлов не является необходимой, поскольку большинство оксидов при прокаливании распадается с выделением кислорода, за исключением тугоплавких типа Ai2o3, MgO и ThO2.

Время прокаливания должно быть по возможности большим. Все же, поскольку большинство газов удаляется в первые несколько часов, обычно достаточно прокаливать в течение 8 ч при постоянной температуре. С учетом времени, необходимого для нагрева и охлаждения, весь процесс обезгаживания достаточно проводить в течение полусуток.

Описанными методами скорость газовыделения в вакуумной установке может быть снижена на несколько порядков. Так, для установки из нержавеющей стали количество десорбированного газа уменьшалось на 88—97% после прокаливания при 800 0C в течение 1 ч и последующего 1-часового выдерживания на воздухе.

При сборке вакуумной установки следует с особой осторожностью обращаться с прокаленными деталями, поскольку любое прикосновение к поверхности может приводить к значительному увеличению скорости последующего газовыделения, причем это увеличение происходит отчасти за счет газа, вновь адсорбированного в объеме.

Даже при очень аккуратном обращении с деталями, прошедшими прокаливание, их поверхность может загрязняться, что приводит к повторной адсорбции газа. Поэтому детали систем сверхвысокого вакуума должны проходить обезгаживание и после их установки по месту. Кроме того, в вакуумной системе небольшие детали, такие, как нити накала или сеточные электроды, могут быть нагреты до более высоких температур по сравнению с вакуумной печью.

Поэтому нагрев металлических деталей в вакуумной системе с целью обезгаживания можно осуществлять следующими методами: 1) внешней печью; 2) непосредственным пропусканием тока через деталь (омический нагрев); 3) токами высокой частоты; 4) электронной или ионной бомбардировкой.

Первый метод обычно позволяет достигать температур не выше 500 0C, а остальные—значительно более высоких. Нагрев токами высокой частоты возможен лишь для деталей, смонтированных в стекле или других изоляционных материалах. Тем не менее этот метод весьма эффективен для обезгаживания при высоких температурах плоских электродов электровакуумных устройств [12]. Омический нагрев может быть использован для деталей с достаточно высоким электрическим сопротивлением, например сеточных электродов, причем такой нагрев должен осуществляться до более высоких по сравнению с рабочими температур. По-видимому, нагрев путем бомбардировки электронами является наиболее универсальным методом нагрева до

температур, превышающих 500 °С, ввиду его нечувствительности по отношению к материалу мишени и ее форме, а также возможности его автоматизации. Можно воспользоваться, кроме того, ионной бомбардировкой, которая приводит не только к нагреву мишени, но и к частичному распылению ее поверхностного слоя. Этот метод успешно применяется в тех случаях, когда необходимы сверхчистые поверхности, хотя, как правило, источники ионов удовлетворительно работают при давлениях выше 10-2 Па.

Поверхностное распыление в условиях тлеющего разряда в инертном газе может применяться для обработки металлических оболочек, особенно оболочек, используемых в ускорителях частиц. Хотя сначала были получены довольно противоречивые результаты, позже было установлено, что такая обработка оболочки при температуре —300 0C позволяет уменьшить газовыделение примерно в 15 раз. В настоящее время этот метод довольно широко используется при обработке крупных корпусов ускорителей.

Следует, однако, отметить, что использование методов 2, 3 и 4 ограничено, поскольку они применимы для деталей с относительно небольшими размерами. Что касается крупных деталей, особенно металлических частей вакуумных установок, то их отжиг с помощью внешней печи является наиболее удобным способом термического обезгаживания собранной вакуумной установки.

Поскольку большую часть поверхностно-адсорбированного газа составляют пары воды, отжиг в течение длительного времени при температурах 200—2500C заметно снижает последующую скорость газовыделения, и поэтому некоторые исследователи считают достаточным проводить обезгаживание при таких температурах. Однако наилучшее обезгаживание получается в случае отжига при температурах 400—4500C в течение по крайней мере 16 ч, что весьма важно для достижения сверхвысокого вакуума. Имеются многочисленные результаты измерений скоростей газовыделения из металлов (в основном для нержавеющей стали) при комнатной температуре после предварительного отжига.

Эти данные находятся в диапазоне 10-10-10-12 Па*м3c-1* м-2, и, по-видимому, можно достичь нижнего предела этого диапазона в металлических вакуумных системах при условии соблюдения всех требований, рассмотренных выше. Однако необходимо помнить, что при впуске в систему атмосферного воздуха (особенно неосушенного) требуется повторный отжиг с одновременным откачиванием системы для удаления адсорбированного газа.



 

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

   

 

Сейчас на сайте

Сейчас на сайте находятся:
 80 гостей на сайте

Нов боков адс адаптивный

=
Рейтинг@Mail.ru