IV.2 Влияние микрогеометрии сорбентов на сорбционные характеристики крионасосов (Нестреров С.Б., Васильев Ю.К., Андросов А.В. Методы расчета вакуумных систем)
Описание файла
Файл "IV.2 Влияние микрогеометрии сорбентов на сорбционные характеристики крионасосов" внутри архива находится в папке "Нестреров С.Б., Васильев Ю.К., Андросов А.В. Методы расчета вакуумных систем". Документ из архива "Нестреров С.Б., Васильев Ю.К., Андросов А.В. Методы расчета вакуумных систем", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "вакуумная и плазменная электроника" из 3 семестр, которые можно найти в файловом архиве МГТУ им. Н.Э.Баумана. Не смотря на прямую связь этого архива с МГТУ им. Н.Э.Баумана, его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "книги и методические указания", в предмете "вакуумная и плазменная электроника (вакплазэл)" в общих файлах.
Онлайн просмотр документа "IV.2 Влияние микрогеометрии сорбентов на сорбционные характеристики крионасосов"
Текст из документа "IV.2 Влияние микрогеометрии сорбентов на сорбционные характеристики крионасосов"
IV.2. Влияние микрогеометрии сорбентов на сорбционные характеристики
крионасосов [9]
В вакуумных расчетах серьезное значение имеет фундаментальное понятие коэффициента прилипания. Под термином «коэффициент прилипания» понимается вероятность того, что частица ударившись о поверхность, останется на ней (сорбируется), или, что фактически то же самое, коэффициент прилипания это отношение количества частиц, «прилипших» к поверхности, к общему числу ударившихся о поверхность частиц.
При конструировании криосорбционных насосов, а также других вакуумных откачивающих устройств, работающих по принципам конденсации и сорбции потоков газа, решающее значение имеет выбор структуры рабочей поверхности. Под структурой в данном случае понимается как макроскопический характер поверхности (жалюзийная, шевронная структуры и др.), так и микроскопический характер, т. е. шероховатость (зернистость) поверхности.
О влиянии макрогеометрии можно судить как по различным экспериментальным данным (например, сравнение быстроты действия разных видов сорбционных насосов), так и по традиционным видам расчетов (проводимость криогенных ловушек). О влиянии же микрогеометрии на откачные характеристики известно довольно мало, поскольку экспериментальные исследования крайне затруднены из-за чрезвычайно малых размеров анализируемых структур, а также необходимости создавать и удерживать сверхнизкие давления в системе.
Задачей данной главы является нахождение зависимости интегрального коэффициента прилипания, некого «общего» для всей поверхности, которая имеет вид плоскости (на макроуровне), о значении которого можно судить из экспериментов, от локального, т. е. по сути дела «истинного» коэффициента прилипания, в том смысле, что это вероятность «прилипания» частицы в данной точке.
Расчет проводился методом пробной частицы при допущении о режиме свободномолекулярного течения газа с диффузным законом отражения.
IV.2.1. Изучение характера поверхностей разных сорбентов
Для того чтобы изучить реальную микроструктуру поверхностей сорбентов при помощи электронного микроскопа производства ЗАО «КПД» (г. Зеленоград), характеристики которого показаны в табл. IV.2.1, были сняты профили с двух образцов хорошо известных типов активированных углей Chemviron SCII и Chemviron GFF/30, а также с двух образцов не распыляемых геттеров типа 4t63 и 5t55. Результаты этого процесса показаны на рис. IV.2.1 – IV.2.6 соответственно. Кроме того, на рис. IV.2.7 и IV.2.8 показан фрагмент поверхности активированного угля Chemviron SCII, но уже с разными степенями увеличения. На рисунках наглядно показана часть поверхности (рис. IV.2.7) и увеличенный фрагмент этой части (рис. IV.2.8). Координаты выставлены так, чтобы можно было быстро выяснить, какое конкретное место на верхней структуре представляет нижняя структура. Все размеры на рис. IV.2.7 и IV.2.8 проставлены в микрометрах. Ось X находится слева, ось Y – справа, и вертикальная ось – OZ.
Легко видеть, что при большем увеличении фрагмента поверхности оказывается, что его шероховатость гораздо сильнее, чем это может показаться вначале.
Характеристики электронного туннельного микроскопа СММ-2000Т
Таблица. IV.2.1
Поле кадра | От 20 Å х 20 Å до 40 мкм х 40 мкм |
Глубина кадра | До 2 мкм |
Увеличение | От 2000 до 30000000 раз |
Разрешение | 3 Å (при дополнительной виброзащите до 1 Å) |
Время снятия кадра | 0,2 – 2 мин. для кадра с числом точек до 300х300 |
Вид кадра | Оцифрованный по трем координатам, записываемый файл, выводящийся на дисплей в двумерном или трехмерном виде, в различных редактируемых палитрах и с виртуальной подсветкой, с возможностью вывода на принтер, экспорта в редакторы под MS Windows, пересылки по e-mail, дальнейшей обработки, прецизионной метрологии по кадру и его сечениям, и т. д. |
Размеры образцов | До 50 мм × 50 мм × 25 мм |
Рис. IV.2.1. Структура поверхности активированного угля Chemviron SCII.
Фрагмент 1,5×1,5 мкм
Рис. IV.2.2. Структура поверхности активированного угля Chemviron GFF/30.
Фрагмент 2,5×2,5 мкм
Рис. IV.2.3. Структура поверхности не распыляемого геттера типа 4t63.
Фрагмент 4,5×5,5 мкм
Рис. IV.2.4. Структура поверхности не распыляемого геттера типа 5t55.
Фрагмент 4×5 мкм
Рис. IV.2.5. Структура поверхности не распыляемого геттера типа t41.
Фрагмент 1,5×1,5 мкм
Рис. IV.2.6. Структура поверхности не распыляемого геттера типа t44.
Фрагмент 1,5×1,5 мкм
Рис. IV.2.7. Вид фрагмента поверхности активированного угля Chemviron SCII с увеличением в 40000 раз
Рис. IV.2.8. Вид части фрагмента поверхности активированного угля Chemviron SCII, изображенного на рис. IV.2.7 с увеличением в 150000 раз
IV.2.2. Моделирование фрагмента поверхности
Для моделирования был выбран фрагмент с наибольшим увеличением, изображенный на рис. IV.2.2. Моделирование поверхности осуществлялось заданием совокупности плоскостей, описывающих данный фрагмент. Дело в том, что неплоские поверхности могут вносить изменения в поведение частиц, а при используемых размерах любая, даже малая погрешность, может серьезно повлиять на результат. Поэтому было решено создавать модель, состоящую из множества плоскостей. В первом приближении структура была упрощена с трехмерной до двумерной, т. е., был снят характерный разрез и продлен до определенной длины – получился некий шифер.
Далее фрагмент заданной поверхности ограничивался с четырех сторон плоскостями и с плоскости, находящейся на уровне самого высокого пика структуры производился пуск частиц. На рис. IV.2.9 показаны результаты исследования зависимости интегрального коэффициента прилипания от его локального аналога. Исследование проводилось для двух характерных размеров фрагментов – размеров зерна и размеров поверхности. Из результатов видно, что на поверхности зерна искажения не слишком сильные, поскольку отношение характерной глубины выбоин в зерне к его размерам крайне мало. Здесь намеренно не применяется термин «пора», потому, что поры располагаются между зернами и имеют гораздо размеры более крупные, чем сотые или даже десятые доли микрона. Данные о характеристиках различных типов анализируемых сорбентов представлены в табл. IV.2.2
Для фрагмента поверхности же искажения зависимости уже составляют в некоторых местах 100% и более (рис. IV.2.9). Фрагмент поверхности моделировался исходя из данных, полученных при помощи профилометра (с увеличением до 1000 раз). Структура поверхности, полученная при помощи профилометра, показана на рис. IV.2.10. Различие между графиками 1 и 2 состоит в том, что в первом случае ограничивающие поверхности имеют коэффициент прилипания, отличный от нуля, и соответственно откачивают газ, а во втором – нет.
Рис. IV.2.9. Зависимость коэффициента захвата (интегрального коэффициента прилипания) фрагмента поверхности от локального («истинного») коэффициента прилипания для фрагмента поверхности и зерна
Рис. IV.2.10. Фрагмент поверхности геттера 4t63, снятый при помощи профилометра с увеличением в 1000 раз
Характеристики поверхностей анализируемых сорбентов в соответствии с международным стандартом ISO 4287
Таблица IV.2.2
Тип сорбента | Тип геттера 4t63 | Тип геттера 5t55 | Тип геттера t41 | Тип геттера t44 | Тип геттера t46 |
Root mean square deviation of the assessed profile Rq, nm | 10,6 | 6,536 | 3,496 | 3,035 | 4,839 |
Arithmetical mean deviation of the assessed profile Ra, nm | 8,179 | 5,06 | 2,669 | 2,643 | 4,145 |
Ten point height Rz, nm | 47,43 | 26,65 | – | – | – |
Maximum profile height Rmax, nm | 59,35 | 39,1 | 15,69 | 12,59 | 18,34 |
Mean width of the profile elements Sm, nm | 555,2 | 271,8 | – | – | 698,6 |
Local width of the profile element S, nm | 93,1 | 61,22 | 36,5 | 49,01 | 60,3 |
Root mean square slope of the assessed profile Dq, deg | 5,831 | 9,905 | 4,002 | 2,626 | 4,215 |
Arithmetical mean slope of the assessed profile Da, deg | 4,064 | 6,563 | 3,18 | 2,023 | 3,337 |
Relative profile length LO | 1,005 | 1,014 | 1,002 | 1,001 | 1,003 |
Base, m | 26,2 | 8,164 | 0,697 | 1,216 | 1,362 |
Таким образом, по результатам проделанных расчетов можно сделать следующие выводы:
-
на поверхности зерна, имеющего незначительный по отношению к размерам рельеф, искажения, вносимые неровностями профиля, невелики и составляют порядка 4 – 5%;
-
при уменьшении масштаба анализа и при переходе от фрагментов зерен к фрагментам реальных поверхностей, состоящих из пор с характерными размерами, которые предоставляются «паспортными данными» соответствующего сорбента, разница между интегральным и локальным коэффициентами прилипания резко возросла, и достигает иногда 100 – 150%. Это обусловлено, прежде всего, изменившимся по отношению к фрагменту зерна соотношения размеров проходного сечения пор и их глубин. Характеристики сорбентов таковы, что значение вышеуказанного соотношения составляет около 2. А это можно сравнить с цилиндром с одним входом-выходом и откачивающими стенками.