Динамика газовой фазы электровакуумных приборов при их откачке

ДИНАМИКА ГАЗОВОЙ ФАЗЫ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ ПРИ ИХ ОТКАЧКЕ Рожков Андрей Дмитриевич, магистрант

В данной статье рассматривается модель состава газовой фазы электровакуумных приборов при их откачке, приводятся математические методы определения потоков составляющих газовой фазы и компонентов из твердых растворов, проводится анализ зависимостей, полученных в результате решения системы уравнений для схемы ЛБВ с алюминатным катодом с использованием современной системы компьютерной алгебры Mathcad. Результатом работы является вывод о желательном способе достижения условия для активирования катода.

Ключевые слова: газовая фаза, откачка, поток составляющих, состав, активирование катодов.

Знание парциального состава газовой фазы позволяет определить условия образования оксидных пленок на деталях, условия активирования оксид содержащих катодов, влияние вакуума и характеристик откачных средств, температуры деталей и быстроты откачки из прибора на эти условия, определить оптимальное время откачки. Экспериментальное определение парциального состава газовой фазы в вакуумной системе не дает представления о составе газовой фазы в приборе, так как условия измерения сильно отличаются от режимов обработки прибора. Поэтому представляют интерес теоретические модели парциального состава газовой фазы при откачке приборов.

Модель состава газовой фазы Рассмотрим процесс откачки на примере среднегабаритной ЛБВ, включающей камеры с катодным узлом 0, замедляющей системой 1 и коллектором 2, соединенные между собой каналами и0, и1 и с вакуумной системой

0 U0 1 U1 2 U2 3

0 2

Рис. 1. Схема откачки среднегабаритной ЛБВ:

- камера с катодным узлом; 1 - камера с замедляющей системой;

- камера с коллектором; 3 - вакуумная система откачного поста;

Ш, Ш = 10 мм; U2=20 мм

Состав газовой фазы определяется газообразующими примесями кислорода О, углерода С и водорода Н, растворенными в материалах деталей или содержащимися в соединениях (оксидах, карбидах и др.). Основными составляющими газовой фазы являются СО, СО2, Н2О, Н2 и СН4, образующиеся по реакциям: Ор+Ср=СО, 2Ор+Ср=СО2, Ор+2Нр=Н2О, Нр+Нр=Н2, Ср+4Нр=СН4, где Ор, Ср, Нр - компоненты в растворах или в соединениях.

Для каждой камеры можно записать уравнения баланса составляющих СО, СО2, Н2О, Н2 и СН4 в системе поверхность - газовая фаза и уравнения баланса компонентов О, С, Н в системе объем детали - поверхность. Для каждой газовой составляющей в стационарном режиме поток десорбции по приведенным выше реакциям с поверхностей всех деталей камеры равен потоку этой составляющей из камеры:

Е

й и ^ '

где Оуш - поток 1-й составляющей через канал с номером и; - поток десорбции 1-й составляющей с детали с номером ё. Размерность всех потоков м Па/с. Число уравнений вида (13) равно произведению числа составляющих g на число камер к. Потоки Qvui включают также откачку встроенными насосами.

Для каждого компонента поток диффузии этого компонента к поверхности из объема равен сумме потоков десорбции составляющих, содержащих этот компонент. Например, для компонента О с учетом (1) уравнение баланса имеет вид:

Е = Е 0 + 2 • 0ч, + ОУи 2)

где Qvuo, Qvu1, Qvu2- газовые потоки из камеры составляющих СО, СО2 и Н2О; Qvdj- диффузионный поток ]-го компонента в детали с номером ё. Число уравнений вида (2) равно произведению числа компонентов с на число камер к.

Общее число уравнений вида (1) и (2) равно k(c+g). При к=3, с=3 и g=4 (давлением СН4 пренебрегаем) общее число уравнений равно у=21. Неизвестными являются парциальные давления составляющих и активности компонентов во всех камерах. Предполагается, что активность данного компонента в приповерхностных слоях всех деталей данной камеры одинакова. Это оправдано тем, что характерное время обмена частицами между поверхностями через газовую фазу значительно меньше характерного времени откачки. Поэтому устанавливается квазистационарное и квазиравновесное распределение компонентов между приповерхностными слоями всех деталей камеры в соответствии с материалами и температурами этих деталей.

При образовании или травлении оксидов в уравнения баланса должны быть добавлены соответствующие скорости. В данной работе предполагается, что эти скорости незначительны по сравнению с потоками компонентов из твердых растворов, т.е. состав газовой фазы определяется газовыделением из деталей с низким сродством к кислороду, площадь которых преобладает.

Потоки составляющих и компонентов

Потоки десорбции составляющих газовой фазы с поверхностей деталей Qs в общем случае определяются из выражения [1]:

^ = ^0 • [1 - ехр

где Qs0- равновесный поток (в равновесии между приповерхностным слоем и газовой фазой); A- химическое сродство реакции.

Равновесный поток составляющей можно определить по равновесному потоку адсорбции:

Qs0 = Б • а • V • Р0

где S - площадь детали; a- коэффициент порядка единицы, определяющий вероятность десорбции; v- средняя скорость молекул составляющей; P0- равновесное с приповерхностным слоем давление составляющей, Па.

Равновесные давления составляющих определяются по формулам [2]:

где КСо, КС02, Кшо- константы равновесия образования СО, СО2 и Н2О из простых веществ; PA = 105 Па; aOs, aOs, aHs,- активности компонентов О, С, Н в приповерхностных слоях деталей. Эти активности связаны с приповерхностными концентрациями соотношениями

Р0 1 СО = аО, • ао* • К • Р СО 1 А

Р0 1 СО2 2 = аО* • ао* • К • Р СО 2 А

Р0 1 Н 2О = аО* • 2 ан* • К • Р ^Н 2О 1 А

Р0 Н2 2 --ан.* • Ра

С п, • а п,

аСх СС • аС

а с и • а и

где: с0 = С0/С00, сС = Сс/С0с, сн = Cн/Coн - относительные концентрации О, С и Н в приповерхностном слое; Co, Сс, Cн, C o, Сс с н - абсолютные фактические и стандартные концентрации О, С и Н (в равновесии с оксидом, карбидом и водородом при РА = 105 Па), моль/м3; а00 = К0х-1, а0с = Кс-1, - активности кислорода и углерода в трехфазном равновесии оксид (карбид)-раствор-газ при условии равенства активности металла единице, что выполняется при низкой растворимости компонентов; а0н =1- активность водорода при РА = 105 Па; К0х, КС - константы равновесия образования низших оксидов и карбидов из простых веществ в расчете на один

моль атомов О и С в соединениях. По определению активности кислорода

и водорода равны а° Ро2 , ан Рн2 , где р02, рн - фактические парциальные давления молекулярного кислорода и водорода, атм. Активность углерода определяется как ас = рс/ Рос, где рс, р0с - фактическое давление одноатомных паров углерода и давление этих паров над простым веществом (графитом) при заданной температуре.

Сродство реакции Ор+Ср=СО определяется по выражению:

A1 = - ln

P

1 CO

с  с  K  P

O ^C A У

K, = Kco

1 K K

где - константа равновесия реакции Ор+Ср=СО; Pco - фак-

тическое давление СО, Па.

С учетом приведенных соотношений поток десорбции СО, согласно (3), равен

Qs = S  a  v

Аналогично определяются потоки десорбции для других составляющих газовой фазы.

Потоки газовых составляющих из камеры определяются по формуле

Qvu = Uu

где P1 - P2 - разность давлений составляющей в соседних камерах; Uu -проводимость канала с номером u. Предельное давление откачных средств учитывается с помощью обратных потоков через штенгель, при этом P2 характеризует парциальный состав остаточных газов откачных средств.

Так как удаление примесей происходит из тонкого приповерхностного слоя, то диффузионный поток компонентов О, С, Н можно определить как для полубесконечного тела:

Qcdl = S  R  T

Di

ж^ t

где Я - универсальная газовая постоянная; Т - абсолютная температура, К; - коэффициент диффузии ]-го компонента, м /с; 1 - время, с.

Абсолютные концентрации выражаются через активности по соотношениям вида (6). Стандартные растворимости и коэффициенты диффузии компонентов определяются по эмпирическим выражениям [3].

Условия активирования катодов и образования соединений Окисление металлических деталей и образование карбидов возможны, если активность кислорода и углерода в газовой фазе выше активности кислорода в оксиде а0о и активности углерода в карбиде а0с. Скорость образования соединений определяется соответствующими градиентами химического потенциала кислорода, углерода и температурой.

Активность кислорода в газовой фазе определяется по парциальному составу:

ш 2 или н2 3 ,

где К2, К3- константы равновесия реакций СО+0.5О2=СО2 и Н2+0.5О2=Н2О.

Активность углерода можно определить, например, по парциальному

давлению СО согласно реакции С+0,5О2=СО:

р

1 со

ас' " р. К • а

А СО ыOg

Из условия образования оксида а0ё > а0о и карбида асё > а0с при заданном парциальном составе определяется температура детали, ниже которой на ней образуются соединения. Обратные неравенства определяют условия разложения соединений.

Эмиссионная активность оксид содержащих катодов определяется достаточно высокой активностью бария в сложных оксидах. Последняя, согласно реакции Ба+0.502=Ба0, равна

аВ

ВаО а°8 • КВаО

где аБа0- активность оксида бария в сложном оксиде; КБа0 - константа равновесия образования оксида бария из простых веществ.

Активность кислорода в сложных оксидах катодов определяется активностью кислорода в газовой фазе или в подложке. Для активирования катодов активность кислорода в приборе должна быть ниже активности кислорода в оксиде конгруэнтного состава. Последняя определяется из условия минимума общего давления паров оксида [2]. При рабочих температурах оксид содержащих катодов (оксидных, алюминатных, торированных и др.) эта активность составляет -10-12. Таким образом, критерием активирования катодов является снижение активности кислорода в приборе ниже значения -10-12.

Для металлосплавных катодов получение высоких вторично эмиссионных свойств обеспечивается образованием оксида бария на поверхности сплава. Это возможно, согласно (13), если а0 > (аБа  КБа0)-1, где аБа = Кщ-1, Кщ-1 - константа образования интерметаллида Рё5Ба из простых веществ.

Система уравнений (1), (2) решалась в редакторе МаШсаё для схемы ЛБВ с алюминатным катодом, приведенной на рис. 1. В качестве начальных приближений принимались для активностей компонентов О, С, Н их активности в растворах со стандартной растворимостью и равновесные парциальные давления СО, СО2, Н2О, Н2. Температуры деталей соответствовали режимам откачки при термическом обезгаживании и тренировке катода. На рис. 2 показаны зависимости парциальных давлений, а на рис. 3 - зависимости активностей компонентов от времени в камере с катодным узлом при термическом обезгаживании прибора при температуре 900 К. На

аВа

рис. 4 представлены зависимости общего и парциальных потоков СО, СО2 и Н2О из прибора от времени.

- 2

log (P0CQ( t)) - 4 log (P0CO2(t)) log(P0H2O(t)) - 6

log

- 8 -10

0 2x104 4x104

t

Рис. 2. Зависимость парциальных давлений (Па) СО (1), СО2 (2), Н2О (3) и Н2 (4) от времени (с) в катодной области при термическом обезгаживании

прибора (Т=900К) 0

- 5

log(a0og( t)) log(a0cg( t))- 10

- 15

- 20

0 2x104 4x104

t

Рис. 3. Зависимость активностей кислорода (1) и углерода (2) от времени (с) в катодной области при термическом обезгаживании прибора

- 5

log(QotkO(t)) - 6

log

- 8

- 9

0 2x104 4x104

t

3

Рис. 4. Зависимость общего (1) и парциальных потоков (м Па/с) СО (2), СО2 (3) и Н2О (4) из прибора от времени (с) при термическом обезгажива-

нии прибора

Анализ полученных зависимостей показывает, что в процессе прогрева прибора в катодных частях активность кислорода повышается, а активность углерода снижается. При этом активные металлы находятся в режиме окисления, а условия для активирования катода не выполняются. Для повышения ресурса геттерных материалов в процессе прогрева они должны находиться в неактивном состоянии, то есть на их поверхности должна сохраняться исходная оксидная пленка, препятствующая поглощению газовой фазы.

В конце процесса прогрева прибора активность кислорода снижается, а активность углерода повышается. Это свидетельствует о переносе углерода на катодные части прибора вследствие смещения реакции Ор+Ср=СО влево. Условия для активирования катода выполняются при повышении температуры катода до 1200 К.

Быстрота откачки из прибора при диаметре штенгеля более 20 мм слабо влияет на время откачки, т.е. на количество удаленных примесей О, С и Н из прибора и создание условий для активирования катода. Напротив, чрезмерное увеличение проводимости штенгеля и времени обработки прибора приводит к отрицательным потокам СО2 и Н2О из вакуумной системы в прибор. Длительное обезгаживание вызывает перенос углерода на слишком «чистые» детали из материалов с высоким сродством к кислороду, что на практике наблюдается в виде углеродного налета. Таким образом, условия для активирования катода желательно создавать встроенными средствами откачки после герметизации прибора.

Список литературы

1. Пригожин И. Современная термодинамика / И. Пригожин, Д. Кондепуди. М.: Мир, 2002. 461 с.

2. Зоркин А. Я. Откачка электронных приборов / А. Я. Зоркин, Г. В. Конюшков. Саратов: СГТУ, 2006. 287 с.

3. Смитлз К. Дж. Металлы / К. Дж. Смитлз. М.: Металлургия, 1980. 447 с.

Rozhkov Andrei Dmitrievich, undergraduate

Yuri Gagarin State Technical University of Saratov, Saratov, Russia Zharkov Sergei Yurievich, undergraduate

Yuri Gagarin State Technical University of Saratov, Saratov, Russia Zorkin Aleksandr Yakovlevich, Doctor of Technical Sciences, professor Yuri Gagarin State Technical University of Saratov, Saratov, Russia DYNAMICS OF GAS PHASE ELECTRONIC DEVICES AT THEIR PUMPING Abstract. In this article, we consider a model of the gas-phase electronic devices when they are evacuated, are mathematical methods for determining the flow components of the gas phase and the components of the solid solutions is carried dependency analysis, obtained by solving the system of equations for the circuit TWT aluminate cathode using a modern computer algebra system Mathcad. The work is the conclusion that the way to achieve the desired conditions for the activation of the cathode.

Keywords: gas-phase pumping, the flow of the components, the composition, the activation of cathodes.