Лекции1 (1055161), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Поэтому для двухатомных газовобъемная концентрация газа C пропорциональна p1/2:C=S · p1/2.В общем случае С = S · p1/j, где j - число атомов вмолекуле газа при растворении газа в металле (законФрейндлиха).Коэффициент растворимости:QSS = S0 exp(±)jRTгдеS0 - константа растворимости;j - число атомов в молекуле газа для металла j = 2, а длянеметалла j = 1;QS - энергия активации растворимости (занак “+” - длягазов, образующих с материалом химическиесоединения (H2 в Ti); знак “-” - для газов, образующихистинные растворы (H2 в Fe, Cu, Ni, газы в неметаллах).Диффузия газов в твердых телахГаз, растворенный в твердом теле, диффундирует изобласти с большей концентрацией в область с меньшейконцентрацией за счет явления диффузии.Стационарный процесс диффузии имеет место, когдаконцентрация газа С неизменна во времени в каждой точкетвердого тела (С(t) = const). Этот процесс описывается 1-мзаконом Фика.
Удельный поток газа через единичнуюплощадку:¶q¢ = - ( DC ),¶xгдеС - концентрация газа в точке на расстоянии Х отначала координат; D - коэффициент диффузии, м2/с.Если D не зависит от Х, то:¶Cq¢ = - D,¶xгде¶C¶x- градиент концентрации газа в твердом теле.На основании 1-гозакона Фика получимвыражение для удельногопотокапроницаемостичерез стенку.Распределение объемной концентрации газа в тонкой стенкеУдельный поток проницаемости через тонкую стенку:¶CCатм - Cвакq¢ = - D= -D,¶xzгде Сатм - объемная концентрация газа в материале уповерхности, соприкасающейся с атмосферой;Свак - объемная концентрация газа в материале уповерхности, соприкасающейся с вакуумом;Z - толщина стенки.Перейдя от С к коэффициенту растворимости S получим:q¢ = - DS1/ jатмp-pz1/ jвак.Если pвак << pатм , то:1/ j¢q = - DSpатм z .Коэффициент диффузии D определяется как:QDD = D0 exp(),jRTгде QD - энергия активации диффузии.Таким образом:q¢ = - Пp1/ jатмz.Здесь П - коэффициент проницаемостиQП( П = П 0 exp()),jRTП0 - константа проницаемости( П0 = D0 S'0 )QП - энергия активации проницаемости.QП = QD ± QS ,где“+” – для химического соединения газа иматериала,“-” - для истинного раствора.Нестационарный процесс диффузии наблюдается приобезгаживании материала или, напротив, при поглощении имгаза и описывается 2-м законом Фика:¶C ¶¶C= (D)¶t ¶x¶xили если D - не зависит от X:¶C¶C=D 2¶t¶x2Приэтом,обычно,полубесконечное тело.рассматриваютплоскоеРаспределение концентрации в твердом теле дляразличных значений времени С=f(x,t)Толщинуобезгаженногослоя d можноопределить как:d = p Dt .a) газопоглощениеб) газовыделение(t1 < t2 < t3)Геттерные материалыГеттеры, или газопоглотители, применяютсядляподдержания низкого давления и определенного составаостаточного газа в электровакуумных приборах, а также вкачестве активных элементов в геттерных и геттерно-ионныхнасосах.По способу перевода в активное состояние геттерыразделяют на распыляемые и нераспыляемые.При геттерной откачке газ сначала адсорбируется наповерхности материала геттера, последовательно проходястадии физической и химической адсорбции, затемдиффундирует в объем материала, образуя твердый растворили химическое соединение.На поверхности геттера адсорбируется примерно 1% всеймассы поглощаемого газа, в объеме абсорбируется остальные99%.
Для увеличения сорбционной ёмкости геттерыизготавливаются в виде пористого тела.Распыляемые геттерыЭто, как правило, щелочно-земельные металлы:кальций, стронций или барий (Ca, Sr, Ba). При испарении ввакууме атомы этих металлов конденсируются и образуютхимически активную пленку конденсата, на которойсорбируется газ. В магнитных электроразрядных насосахиспользуют Ti, распыляемый при помощи ионнойбомбардировки.Нераспыляемые геттерыПредставляет собой пористое тело (пористость 15 … 70%),обычно изготавливаемое холодным прессованием илисвободной засыпкой с последующим спеканием порошковтитана, циркония, алюминия (Ti, Zr, Al). Такой геттерхимически инертен. Для активирования его нагревают, приэтом атомы химически активного металла диффундируют изобъема на поверхность, образуя «ювенильный» монослой.При сорбции газов на этом монослое по мере сниженияхимическойактивностиметаллагеттераоперациюактивирования повторяют.Пример 1 (1-й закон Фика)Дано: сильфон со следующими параметрамиD = 63мм; d = 55 мм; z = 0,2 мм; L = 88,5 мм;Материал: 12Х18Н10ТT1 = 293K;T2 = 693KНайти: поток газопроницаемости водорода Qп черезсильфон для температур T1,T2.Согласно 1-му закону Фика:11jjPPQП'q =П= П0exp()zzjRTКонстанта проницаемости стали 12Х18Н10Т по H2 П0=1,4 ·10-4Па1/2м2/c.Энергия активации проницаемости по H2 Qп=8,04 ·104кДж/кмоль.R=8.31кДж/кмоль·К; j=2; площадь поверхности сильфонаAc=0,062м2.а) для Т1=293К31058, 04 ×104-5 м Паq¢ = 1, 4 ×10 ×exp() = 1, 4 ×10-30, 2 ×102 × 8,31× 293м 2с-4QП = АС × q¢ = 0, 062 м 2 ×1, 4 ×10-5 = 8, 68 ×10-7м3 ПасВ случае максимально допустимого давления в вакуумнойкамере [рвак] = 10-2 Па требуемая скорость откачки:QП8, 68 ×10-7S0 === 0, 087 л с-2[ pвак ]10Назначаем вакуумный насос НМД - 0,0063 (масса насоса2,9 кг).б) для T2=693K543108,04×10мПа-1q¢ = 1, 4 ×10-4 ×exp()=2,06×100, 2 ×10-32 × 8,31 × 693м 2см3 ПаQП = 0, 062 м × 2, 06 ×10 = 1, 2 ×10с2-1-2В случае [рвак]=10-2Павакуумной камеры:требуемаяскоростьоткачкиQП1, 2 ×10-22S0 ===1,2мс-2[ pвак ]10Назначаем насос НМД-1 (SH=1,2м3/с), масса 290 кг.Пример 2 (2-й закон Фика)Дано: пластина площадью А=100 см2 и толщиной z = 8 ммиз стали 20.Найти: поток газовыделения N2 из пластины в вакуумечерез 1800с при Т=1293К1.
Критерий применимости закона Фика.Закон применим, если z>2 d, где d - толщина обезгаженногослоя.d = p Dt ,D = 13,5 ×10-12 м 2 сT=1293Kd = p 13,5 ×10-12 ×1800 = 276,3 ×10-6 м = 0, 276 ммНеравенство z = 8мм > 2 ·2,276 = 0,552 – выполняется.2. Удельный поток газовыделения из пластины:c0 - c1q¢ = D,p Dtгдес0 - начальная концентрация N2 в пластине (с 0 = 29 ·103м3Па/м3);c1 - концентрация N2 на поверхности пластины,обращенной в вакуум (с1 » 0).q¢ = c0-123D13,5×10мПа3-3= 23 ×10= 1, 41 ×10ptp ×1800м 2с3.
Поток газовыделения Q с поверхности пластины:3мПа-3-4-5Q = А × q¢ = 1, 41×10 × 2 ×100 ×10 = 2,83 ×10сВ случае [рвак]=10-2Па требуемая скорость откачки вакуумнойкамеры:Q2,83 ×10-5S0 === 2,83 л с-2[ pвак ]10Назначаем насос НМД - 0,0063 (SН = 6,3 л/с)..
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
