СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ГАЗОВЫДЕЛЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ В ВАКУУМЕ
METHOD OF MEASURING GAS RELEASE OF MATERIALS IN VACUUM

Изобретение относится к области испытаний материалов в условиях вакуума, при котором происходит так называемое обезгаживание материала, т.е. удаление частиц газа, как с поверхности материала, так и из его внутреннего объема. При этом важными являются количественные характеристики этого процесса - общая потеря массы, содержание летучих конденсирующихся веществ и кинетика массовыделения.
Известен способ измерения газовыделения материалов путем определения потерь массы и содержания летучих конденсирующихся веществ при вакуумно-тепловом воздействии (ГОСТ Р 50109-92). Сущность метода заключается в вакуумном воздействии при определенной температуре на образцы материалов, помещенные в специальные изотермические контейнеры, и в улавливании выделившихся из образцов летучих конденсирующихся веществ охлажденными поверхностями. Потерю массы определяют по разности масс образца и конденсирующей пластины до и после эксперимента.
Данный способ обеспечивает приемлемую точность измерения интегральных параметров газовыделения, а именно - общей потери массы и содержания летучих конденсирующихся веществ, однако для измерения, например, зависимости скорости газовыделения от времени, данный метод непригоден. Это связано с тем, что 1) не все продукты газовыделения осаждаются на охлаждаемых поверхностях и 2) в процессе обезгаживания материала скорость газовыделения может изменяться на несколько порядков величины. Как следствие, точность измерения скорости газовыделения на конечных этапах обезгаживания резко падает, что не позволяет получить достоверные оценки измеряемых параметров.
Наиболее близким техническим решением является способ измерения газовыделения материалов в вакууме, включающий размещение образца материала в измерительном объеме вакуумной системы со средствами откачки, вакуумирование измерительного объема до заданного давления разрежения, измерения скорости роста давления в измерительном объеме и анализ остаточного газа в нем (Нусинов М.Д. Воздействие и моделирование космического вакуума. - М.: Машиностроение, 1982. - С.79).
Данный способ позволяет фиксировать все летучие вещества, однако динамический диапазон данного метода недостаточен для надежного измерения скорости газовыделения на конечных этапах обезгаживания, что связано с ограничениями по чувствительности и точности средств измерения низких давлений (вакуума).
Целью предложенного решения является расширение динамического диапазона и повышение точности измерений скорости газовыделения на конечном этапе обезгаживания материала.
Указанная цель достигается тем, что в способе измерения газовыделения материалов в вакууме, включающем размещение образца материала в измерительном объеме вакуумной системы со средствами откачки, вакуумирование измерительного объема до заданного давления разрежения, измерения скорости роста давления в измерительном объеме и анализ остаточного газа в нем, после достижения заданного давления разрежения перед измерением скорости роста давления измерительный объем герметично отделяют от средств откачки, а перед каждым последующим измерением его уменьшают пропорционально уменьшению скорости роста давления в предыдущем измерении.
Предпочтительно при этом, что уменьшение измерительного объема производят до уровня, при котором для данного измерения отношение максимального значения измеряемого давления к заданному давлению разрежения находится в диапазоне 2…10.
На фиг.1 представлена конструктивная схема вакуумной системы со средствами откачки и измерительным объемом.
На фиг.2 представлены графики роста давления в измерительном объеме по времени.
Вакуумная система (фиг.1) включает измерительный объем в виде герметизируемой вакуумной камеры 1 с размещенным в ней образцом материала 2, средства откачки 3 и вакуумный затвор 4. Объем камеры регулируется с помощью подвижного элемента 5. Измерение давления в камере осуществляется вакуумметром 6. Состав продуктов газовыделения определяется с помощью масс-спектрометра 7.
Рост давления в измерительном объеме является линейной функцией времени (фиг.2). Кривая 8 показывает изменение давления при максимальной скорости газовыделения материала, кривая 9 - при минимальной, а кривые 10, 11, 12 - при промежуточных значениях скорости газовыделения.
Измерение скорости газовыделения производится следующим образом.
нач.
нач
кон
макс
макс
нач
кон
Образец материала 2 помещают в камеру 1. Откачивают камеру до заданного давления разряжения Р Герметизируют камеру с помощью затвора 4. После герметизации периодически измеряют давление в камере. Началу измерений соответствует момент времени t. Измерения прекращают в момент времени t, наступающий после достижения максимального давления Р или после превышения максимального времени измерения t. По измеренным значениям начального (Р) и конечного (Р) давления рассчитывают скорость роста давления в камере
m
Скорость газовыделения g рассчитывают по формуле
к
а
а
3
где Т - температура газа (К); V - объем камеры (м); m - средняя атомная масса продуктов газовыделения молекул газа (кг); k - постоянная Больцмана (Дж/К). Средняя атомная масса продуктов газовыделения m определяется по результатам масс-спектрометрических измерений. За температуру газа Т принимается температура стенок камеры.
Погрешность определения скорости газовыделения определяется, в основном, погрешностью измерения скорости роста давления b.
Наименьшая погрешность измерений достигается при скорости роста давления
опт
опт
При b>b погрешность измерений возрастает из-за ограниченного быстродействия вакуумметра, а при b>b - за счет роста погрешности измерения давления.
Для снижения погрешности измерений объем камеры корректируют в зависимости от результатов измерения скорости роста давления.
Если измеренная величина скорости роста давления окажется больше значения , объем камеры увеличивают до значения
k,макс
где V - максимально возможный объем камеры.
Если измеренная величина скорости роста давления окажется меньше значения , объем камеры уменьшают до значения
k,мин
где V - минимально возможный объем камеры.
мин
макс
Минимальное время измерений (t) ограничено быстродействием вакуумметра, максимальное (t) - постоянной времени процесса газовыделения.
нач
мин
нач
макс
мин
Начальное давление в камере (Р) определяется, с одной стороны, нижним пределом измерения вакуумметра, с другой - производительностью системы откачки и скоростью газовыделения образца. Минимальное давление (Р) должно быть не меньше 2×Р с тем, чтобы погрешность измерения изменения давления была не хуже измерения абсолютной величины давления к камере. Максимальное давление в камере (P) не должно превышать (5-10)×Р, поскольку при увеличении давления в камере возрастает роль десорбции частиц на поверхности образца и стенках камеры, что снижает достоверность и точность измерений.
Таким образом, отношение измеряемого давления к заданному значению разрежения должно находиться в диапазоне 2…10.
В качестве примера рассмотрим установку для измерения скорости газовыделения конструкционных материалов космического назначения.
обр
-3
+2
Характерные значения относительной скорости газовыделения этих материалов  (здесь M - масса образца) находятся в диапазоне 10…10 ppm/ч (ppm - миллионная доля массы образца). Постоянная времени процесса газовыделения при нормальной температуре составляет 10-50 часов. Средняя атомная масса продуктов газовыделения составляет ~30 а.е.м.
-4
Для измерения давления предпочтительно использовать вакуумметры мембранного типа, обладающие высокой чувствительностью и точностью абсолютных измерений давления. Нижний предел измерения этих приборов обычно составляет 10 мм рт.ст. при погрешности около 0.1%. Минимальное время измерения составляет около 1 с.
нач
мин
нач
макс
нач
мин
макс
-4
Исходя из этого примем, что Р=10 мм рт.ст., Р=2×Р Р=10×Р, t=10 с, t=1000 с.
Оптимальная скорость роста давления в этом случае составит
Минимальная скорость роста давления
Максимальная скорость роста давления
Зададимся объемом камеры, равным 10 л. Тогда соответствующие значения скорости газовыделения при температуре стенок камеры 300 К согласно формуле (2) составят
m,опт
-11
g≈10 кг/с.
m,мин
-12
g≈10 кг/с.
m,макс
-9
g≈10 кг/с.
При указанных выше значениях относительной скорости газовыделения  для проведения измерений потребует образец массой
Минимальная относительная скорость газовыделения, которая может быть измерена без потери точности, при такой массе образца составит
3
При снижении относительной скорости газовыделения будет происходить уменьшение точности измерений пропорционально отношению . Для компенсации потерь точности объем измерительной камеры следует уменьшить пропорционально уменьшению скорости газовыделения (применительно к рассмотренному примеру с 10 л до 100 см, т.е. в 100 раз). В этом случае точность измерений останется неизменной во всем диапазоне значений скорости газовыделения.
Таким образом, использование рассмотренного выше технического решения позволяет расширить динамический диапазон и проводить измерения скорости газовыделения на конечных этапах обезгаживания без снижения точности.