Диплом (1248290), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Пики газовыделения при наличии кинетического режима дегазации значительно уже и симметричнее пиков объемной диффузии. По мере роста энергии активации (или скорости нагрева) пики смещаются в высокотемпературную область, а при росте k₀ - в низкотемпературную область.

Для температуры максимальной скорости газовыделения (Т_M) можно записать следующее соотношение для диффузионных характеристик:

где Т_M - температура максимума газовыделения. Для практических расчетов эти выражения удобно представлять в виде:

В интервале 10¹³>k₀/b>10⁸ K^-1 справедливо: E/RT_M=ln(k₀T_M/b)-3,64.

Энергия активации десорбции практически линейно зависит от температуры пика. Для k₀=10¹³с^-1, что справедливо в большинстве практически важных ситуаций; Е70Т_M. Длительность процесса газовыделения ∆T_e=Т_-1/e-T_+1/e, где Т_+1/e и Т_-1/e - температуры, при которых поток в е=2,71 раз меньше максимального, на восходящих и нисходящих ветвях пика соответственно, можно оценить по формуле:

Отметим, что при десорбции 1-го порядка (n=1), , где и - средние концентрации адсорбата в образце при Т=Т₀ и Т=Т_M соответственно. Энергию активации десорбции можно оценить по формуле: Е=2,71·J_MRТ_M² b , а частотный множитель k₀ – по формуле k₀=(2,71 J_M/ )exp(2,71 J_MТ_M/ b). Начальную заселенность потенциальных ям адсорбатом найдем путем измерения площади пика:

Еще один способ анализа формы линии ТД-спектра основан на использовании отношения ширин пика, измеренных на различных высотах пика, или на измерении асимметрии пика. При этом вводятся такие понятия, как температура пика, Т_M, ширина пика на половине высоты ∆T=Т_+1/2-T_-1/2, δ+=T_1/2–T_M- высокотемпературный участок пика, δ_-=Т_M–T_-1/2 - низкотемпературный участок пика. В кинетическом режиме десорбции этим способом можно оценить порядок реакции, n, т.к. при n=1, Ω=δ₊/δ_-=0,42, а при n=2, Ω = 0,52 (почти симметричный пик)[7].

В ряде случаев кинетика дегазации оказывается осложненной процессами взаимодействия атомов газа друг с другом или с неоднородностями структуры твердого тела. Тогда кинетика выделения формально описывается кинетикой химической реакции n-го порядка. В этом случае следует записать:

где N - концентрация адсорбированных частиц, C – предэкспоненциальный (энтропийный) множитель, определяющий характер изменения движения частиц при переходе из адсорбированного состояния в газовую фазу, E - энергия активации десорбции, k - постоянная Больцмана, T – температура поверхности, n - порядок десорбционной кинетики.

Если частицы десорбируются в результате диссоциации каких-то комплексов или в том виде, в котором они находятся на поверхности, то n=1 (неассоциативная десорбция). Если десорбции предшествует образование двухатомных молекул, то n=2 (ассоциативная десорбция). В некоторых случаях адсорбированные молекулы могут собираться на поверхности в объемные или плоские островки. Если процесс десорбции лимитируется скоростью отрыва частиц от краев островков, то скорость десорбции пропорциональна радиусу этих островков. Тогда n=1/2 для плоских и n=1/3 для объемных островков. Когда происходит послойное испарение твердого тела или когда при постоянном испарении пленки адсорбата на поверхности существует равновесие между островковой фазой адсорбата и поверхностным газом над островками и над голой поверхностью, скорость десорбции не зависит от концентрации адсорбированных частиц и n=0.

Из уравнения (5) следует, что график зависимости ln(J/Nⁿ) от 1/T, построенный с помощью экспериментальных кривых десорбции ∆p(t) и нагрева T(t), при правильном выборе порядка десорбции n должен давать прямую, из наклона которой может быть вычислена величина E, а по величине, отсекаемой от оси ординат, - lnC. Если энергия активации десорбции E зависит от концентрации адсорбированных частиц N, что наблюдается для большинства адсорбционных систем, то даже при правильном выборе параметра n зависимость ln(J/Nⁿ) от 1/T нелинейна. В этом случае снимается серия кривых десорбции при различной скорости нагрева адсорбента и строятся графики зависимости ln(dN/dt) от 1/T для данного значения концентрации N. Из наклона этих прямых можно определить величину E при заданном значении N. Из серии прямых lnJ|_N=const от 1/T для различных N можно найти зависимость E от N. Такая процедура нахождения величин E, C и n из экспериментальных кривых десорбции возможна при любой произвольной зависимости температуры адсорбента T от времени нагрева t.

Если энергия активации десорбции E не зависит от концентрации адсорбированных частиц (например, при малой концентрации адсорбированных частиц по сравнению с концентрацией, соответствующей монослойному покрытию), процедура нахождения кинетических характеристик из кривых десорбции существенно упрощается при использовании линейного нагрева адсорбента, т.е. T=a+bt или 1/T=a-bt. В процессе нагрева вследствие десорбции концентрация N непрерывно уменьшается, а множитель exp(-E/(kT)) в уравнении (5) растет с ростом T, поэтому скорость десорбции проходит через максимум. Энергия активации десорбции при известном порядке десорбции может быть вычислена путем измерения температуры T_m в максимуме скорости десорбции J_M.

Более точный метод определения энергии активации десорбции E и предэкспоненциального множителя C основан на вычислении наклонов графиков ln(b/T²) от 1/T или lnJ_M от 1/T, причем в этом случае характеристики десорбции могут быть найдены без предварительных предположений о порядке десорбционной кинетики. Для этого необходимо получить серию кривых десорбций при различной скорости нагрева адсорбента dT/dt, которая для приемлемой точности определения E должна изменяться по крайней мере на два порядка величины.

.

1. Экспериментальная часть

   1. Установка ГОЛ-3

Установка ГОЛ-3 в Институте ядерной физики СО РАН предназначена для нагрева и удержания термоядерной плазмы в многопробочном магнитном поле. Установка состоит из трех основных частей, показанных на Рис. 4: ускорителя У-2, 12-метрового соленоида (узла для создания сильного магнитного поля) и выходного узла(расширителя).

Рисунок 4 — Схема многопробочной ловушки ГОЛ-3. 1 – генератор РЭП У-2, 2 – основной соленоид, 3 – выходной узел.

Релятивистский электронный пучок, используемый в установке, создается ускорителем У-2. В нем электроны вытягиваются электрическим полем из взрывоэмиссионного катода и ускоряются напряжением около 1 МВ. При токе 50 кА мощность системы достигает 50 ГВт. При длительности пучка около 8 мкс в нем содержится до 200 кДж энергии.

В основном соленоиде при пролете пучка в дейтериевой плазме с плотностью n=10²⁰-10²² частиц/см³ вследствие развития двухпотоковой неустойчивости возникает большой уровень микротурбулентности и пучок теряет до 40 % своей энергии, передавая ее электронам плазмы. Темп нагрева очень высокий: за 3-4 мкс плазменные электроны нагреваются до температуры порядка 2-4 кэВ. При этом время удержания горячей плазмы в ГОЛ-3 составляет до 1мс.

После пролета основного соленоида пучок попадает в выходной узел, который способен принять мощный пучок электронов, а также поток плазмы и при этом не разрушиться. Для этого магнитное поле в выходном узле должно быть расходящимся, что раз в 50 уменьшает плотность энергии в пучке, а приемник пучка — графитовым. Наличие на выходе установки мощного плазменного потока позволяет проводить эксперименты по облучению материалов для термоядерных реакторов будущего, т.к. эти реакторы будут подвергаться такому высокому уровню тепловых нагрузок, достичь которого на других плазменных установках сегодня пока нереально.

Используемые в работе мишени представляют собой вольфрамовые пластинки размером 12x12x5 мм, полученные при помощи электроискровой резки (Рис. 5). Облучение мишеней производилось в выходном узле ГОЛ-3. Установка ГОЛ-3 позволяет получать нагрузки в диапазоне 0,3-30 МДж/м² за выстрел. Полученная нагрузка на мишени составила ~2 МДж/м² за выстрел с количеством выстрелов – 10.

Рисунок 5 ― Внешний вид вольфрамовых мишеней.

1. Станция ТДА

Структурная схема станции термодесорбционного анализа показана на рис.6. Станция состоит из вакуумного поста, включающего в себя средства создания и контроля вакуума, узел нагрева образцов и масс-спектрометр, и стойки питания с набором блоков питания и управления, необходимых для обеспечения работы станции.

Рис 6 ― Структурная схема станции термодесорбционного анализа.

Исследуемый образец помещается в узел нагрева образцов, представляющий собой вакуумную камеру, показанную на Рис. 7. Образец (1) находится в центре камеры на керамических трубках, служащих в качестве направляющих для всей конструкции и изоляции для токоведущих частей. Температура мишени измеряется при помощи хромель-алюмелевой термопары (4) и изменяется двумя графлексовыми нагревателями (2,3), причем один из них имеет в себе вырез для мишени, чтобы обеспечить ее фиксацию во время замены. Ток к нагревателям подводится по танталовым проводам сечения 2 мм². Тантал используется из-за его высокой температуры плавления и хорошей адгезией с графлексом. В камеру ток вводится через вакуумные токовводы 2РМГ, приваренные к фланцу через дополнительную трубку. Такая конструкция позволила использовать сварку без риска повреждения стекла токоввода. Для уменьшения потерь тепла на излучение используются графлексовый (5), танталовые(6) и стальные(9) экраны. Вид внутренней части всей сборки показан на Рис. 8 и 9. Узел нагрева образцов соединен с вакуумной камерой вакуумного поста с помощью вентиля, позволяющего проводить смену образцов без напуска воздуха в объем вакуумного поста.

Рисунок 7 ― Схема рабочего объема для ТДА. 1 – образец, 2 – графлексовый нагреватель, 3 – графлексовый нагреватель-рамка, 4 – термопара, 5 – графлексовый экран, 6 – танталовые экраны, 7 – танталовые токоподводы, 8 – вакуумные токовводы, 9 – экраны из нержавеющей стали.

Рисунок 8 ― внешний вид внутренней части камры для ТДА.

Рисунок 9 ― внешний вид внутренней части камеры для ТДА.

При нагреве образцов термо-ЭДС термопар переводится в напряжение, пропорциональное температуре образца в преобразователе сигналов термопар (ОВЕН ТРМ-201). Этот же преобразователь осуществляет визуальную индикацию температуры образца. Напряжение, пропорциональное температуре, измеряется блоком питания нагревателей образцов (БПНО) и используется в системе обратной связи для поддержания требуемой температуры.

БПНО содержит два управляемых источника тока с током до 30 А и мощностью до 800 Вт (ЭЛИМ EL-AS27-300A), используемых для питания графлексовых нагревателей. Кроме того, БПНО обеспечивает питание и измерение сигналов с двух вакуумметров PFEIFFER PKR261. Управление блоком осуществляется с компьютера по сети Ethernet 100Base-TX через установленный в блоке контроллер ввода-вывода ADAM-6024.

Схема вакуумного поста показана на рис. 10. Пост состоит из двух соединенных высоковакуумных объемов C1 и С2, прогреваемых до температуры 300 °С и вспомогательного объема С3, прогреваемого до температуры 150 °С. К высоковакуумным объемам пристыкован узел нагрева образцов, масс-спектрометр Pfeiffer Prizma QMG220 и магниторазрядный вакуумметр Pfeiffer PKR261. Откачка поста производится с помощью турбомолекулярного насоса Shimadsu TMP-203 с форвакуумным спиральным насосом Anest Iwata ISP-250.

Характеристики

Список файлов лабораторной работы