научная статья по теме МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА СОЗДАНИЯ ВАКУУМА С ПОМОЩЬЮ СОРБИРУЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА СОЗДАНИЯ ВАКУУМА С ПОМОЩЬЮ СОРБИРУЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ»

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2009, том 43, № 6, с. 695-701

УДК 517.955.8+517.958:532.526

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА СОЗДАНИЯ ВАКУУМА С ПОМОЩЬЮ СОРБИРУЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ

© 2009 г. А. О. Иванов, Д. В. Пермикин

Уральский государственный университет им А.М. Горького, г. Екатеринбург

permikindv@mail.ru Поступила в редакцию 25.09.2008 г.; после доработки 12.02.2009 г.

Рассматривается задача создания и поддержания вакуума внутри герметично запаянной микрокамеры с помощью газопоглощающих (геттерных) материалов. Вакуум поддерживается длительное время на постоянном уровне за счет сорбции газов, в результате чего на поверхности геттерной пластины образуется тонкий слой продукта реакции. В работе проведено теоретическое описание работы геттера, предложен метод поиска приближенного аналитического решения, с помощью которого можно оценивать величину давления в камере, время квазистационарного режима, что является важным результатом для инженерных расчетов.

ВВЕДЕНИЕ

На сегодняшний день основное развитие вакуумной техники и технологии связано с высоким и сверхвысоким вакуумом. В значительной мере это обусловлено распространением сорбционных насосов (их также называют геттерами). В таких насосах применяются специальные газопоглощающие материалы, способные, благодаря сорбции и хемо-сорбции, поглощать молекулы остаточных газов и удерживать их в связанном состоянии внутри камеры, тем самым обеспечивая необходимую разреженную среду. Применение такого подхода к очищению вакуумных камер позволяет полностью изолировать камеру от внешней среды, обеспечив при этом постоянную работу насоса. На сегодняшний день именно сорбционные насосы обеспечивают самый высокий вакуум.

Можно говорить о двух направлениях развития технологий сорбционного поглощения газов [1]. Одно направление относится к области пленочных технологий, когда стенки сорбционного насоса покрывают тонким слоем химически активных металлов (бария, титана, молибдена, тантала, циркония), поглощающих газы. Другое - состоит в разработке вакуумных насосов на основе специальных материалов, которые представляют собой твердые растворы химически активных веществ (например, лития) в серебряной или медной основе. Принцип работы этих материалов заключается в следующем. При нагревании материала химически активный наполнитель выходит на поверхность образца и реагирует с молекулами остаточных газов. В результате на поверхности постепенно образуется тонкая пленка из продукта реакции. Благодаря своей пластичности, самопассивации при обычных условиях и легкому переходу в активное состояние нагреванием до 150-350°С, такие материалы получили примене-

ние и с ними связываются определенные перспективы в развитии вакуумных технологий.

Данная работа относится ко второму из рассмотренных направлений, в ней проводится теоретическое описание геттера, состоящего из тонкой сорбирующей пластины (или фольги), помещенной на одну из стенок вакуумной камеры. Геттер постоянно находится в активном состоянии при заданной температуре, тем самым обеспечивая поглощение газа. Кроме того, предполагается наличие постоянного подтока газа со стенок камеры, этот подток обусловлен газом, растворенным в стенках камеры, и градиентом концентрации газа вследствие разности давлений на стенках вакуумного сосуда [2]. В работе производится постановка задачи и предлагается метод поиска приближенного аналитического решения, пригодного для проведения инженерных расчетов.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Рассматривается тонкая пластина (фольга), продольные размеры которой предполагаются много больше, нежели толщина. Материал пластины содержит химически активный и легко диффундирующий компонент А. Пластина помещается на одну из стенок вакуумной камеры, и молекулы остаточного газа реагируют с компонентом А, образуя вещество В на поверхности пластины. Слой продукта реакции - вещества В - растет на поверхности пластины (см. рис. 1). Через него к поверхности слоя, контактирующей с газом, диффундирует активный компонент А из пластины. Кроме того, происходит диффузионное перераспределение компонента А в самой пластине. За счет реакции содержание газа в камере уменьшается. Однако существует подток газа с остальных стенок камеры, на которых поглощающая пластина отсутствует. Требуется решить

L + X L

и условие равенства потоков компонента А

Газ при давлении P(t)

Продукт реакции B c(t, x)

д2 n

= D,—t > 0, 0 < x < L; д t dx2

д c _ n д2 c dt =

t > 0, L < x < L + X(t).

(1)

(2)

dx

= 0,

(4)

x = 0

Di

ddn d x

=D

dc d x

(6)

; = L

Компонент А п(г, х)

Пластина Стенка камеры

Рис. 1. Геометрия задачи.

задачу о диффузии компонента А в пластине и внутри поверхностного слоя продукта реакции В, описать рост слоя и вызванное этими процессами изменение содержания газа в камере.

Математическая интерпретация описанного физико-химического процесса выражается следующим набором уравнений, начальных и граничных условий.

Для компонента А внутри пластины и в слое продукта реакции выполняются уравнения диффузии. Конечно, диффузия протекает по всем трем пространственным направлениям, однако, самый значительный вклад в изменение концентрации компонента А вносит перпендикулярная составляющая. Пренебрегая диффузией вдоль тонкой пластины, получаем

дп

Начальное условие для первого уравнения выражает равномерное распределение диффузанта

п(0, х) = п0. (3)

В то же время, для второго уравнения начальное уравнение отсутствует, поскольку нет и самого поверхностного слоя продукта реакции.

Граничные условия выглядят следующим образом: сторона пластины, которая непосредственно соприкасается со стенкой камеры, считается изолированной. Поэтому поток компонента А (как и поток газа) через границу пластина-стенка камеры будет отсутствовать

дп

Условие на внешней границе поверхностного слоя более сложное, поскольку в данной точке, наряду с потоком диффузанта А, происходит связывание остаточных газов. Взаимодействие вещества А и молекул газа М можно выразить общей схемой с целыми стехиометрическими коэффициентами (а, X, в), которые для каждого типа молекул имеют разные значения:

аА + XM —- pB. (7)

Безусловно, в вакуумной камере может содержаться множество различных газов (N2, O2, Ar, CO2, Ne, H2, CO, CH4 и т.д.), среди которых некоторые не участвуют в химическом взаимодействии, другие могут реагировать с образованием двух новых веществ и т.д. Однако, если учесть, что сухой атмосферный воздух состоит на 99% по объему и на 98.6% по массе из азота и кислорода [3], а также, что к проникновению через стенки вакуумной камеры наиболее предрасположены гелий и водород [2], то можно говорить о том, что подавляющее число взаимодействий протекает согласно приведенной схеме (7).

Поэтому, согласно закону действующих масс, скорость реакции в целом выражается соотношением [4]

r = hcacX.

С другой стороны, скорость образования и расходования конкретного вещества в ходе реакции также связана со скоростью реакции в целом

ri = Mr

Таким образом, скорости образования и расходования веществ, участвующих во взаимодействии, выражаются через концентрации исходных веществ

rA = а hcacX,

rM = XhcacX,

rB = phcaa\

Более того, используя уравнение состояния идеального газа, введем главную интересующую нас функцию - функцию давления P = CRT.

Окончательно граничное условие на внешней границе поверхностного слоя примет вид

дс 2 дx

- D2-

--L + X

= ahC [ RT

(8)

- L + X

а на границе пластина-слой вещества В необходимо возникают граничное условие непрерывности концентраций

п(г, Ь) = уе(г, Ь) (5)

Здесь необходимо заметить, что в камере поддерживается высокий вакуум, и длина свободного пробега молекул остаточных газов значительно превышает характерные размеры самой камеры. Поэтому время диффузионного перераспределения газа в камере сравнимо со временем свободного пробега молекул и значительно меньше аналогичного ха-

x

0

рактерного времени для диффузии компонента А и темпа роста слоя. Это, в свою очередь, позволяет заключить, что в камере всегда поддерживается равномерное распределение концентрации газа по всему объему. Поэтому геометрия вакуумной камеры и направления потоков газа являются несущественными. На первый же план выходит соотношение площадей пластины и открытой поверхности камеры, через которую осуществляется подток.

Уравнение движения внешней границы

йX аГ Р

фи = вНс Ы

(9)

; = Ь + X

V цр

ыт йг

- ^х Ьс\ ЫТ

+ зД (Ра - Р),

г > 0,

= Ь + Х( г)

р (0) = Ро.

(11)

Приведенные уравнения, начальные и граничные условия (1)-(6), (8)—(11) составляют математическую модель описанного геттера. Полученная система дифференциальных уравнений является довольно сложной, решение в аналитическом виде не представляется возможным по ряду причин. Во-первых, рассматриваемая система содержит уравнения в частных производных. Во-вторых, уравнения и граничные условия являются нелинейными. В-третьих, в задаче присутствует подвижная граница, которая в начальный момент времени является вырожденной.

Перечисленные аспекты заставляют искать решения задачи, которые бы, несмотря на приближенное происхождение, сохраняли ожидаемое поведение искомых функций. Ниже предлагается, в качестве примера, метод решения задачи в предположении, что остаточным газом является водород, а активным компонентом пластины - литий. Выбор этих элементов имеет под собой физическое основание и реальное технологическое применение.

Определение конкретной пары элементов И2-Ы позволяет по уравнению реакции

2Ы + Н2

2ЫН

определить стехиометрические коэффициенты

а = 2, X = 1, в = 2.

С учетом этих значений коэффициентов и введением безразмерных величин система примет вид:

ПБ^и = ^ т>0, 0 <% < 1, и(х = 0, %) = 1, Эх д%2

можно интерпретировать следующим образом: скорость продвижения слоя прямо пропорциональна скорости образования продукта реакции и обратно пропорциональна его концентрации (плотности упаковки). Здесь пренебрегается диффузией продукта реакции и молекул газа внутрь пластины ввиду того, что молекулы являются достаточно большими, и диффузия в твердый раствор металлов минимальна. Кроме того, постоянный по

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком