Файл: Балицкий А.В. Технология изготовления вакуумной аппаратуры.pdf

не способных отделять их в высоком вакууме. Очевидно, нет также и совершенно неиспаряемых материалов: при известных температурных условиях в высоком или сверх­ высоком вакууме все материалы способны испаряться и имеют присущую каждому из них плотность паров. Правда, в современных условиях не все пары можно экспериментально получить при измеримой их плотно­ сти. Плотность паров некоторых материалов пока молено только вычислить.

Все материалы, кроме того, имеют способность сор­ бировать газы, т. е. удерживать на своей поверхности различные количества тех или других газов, с которыми они соприкасались, и отдавать (десорбировать) их в ва­ кууме. При этом десорбция газов в вакууме протекает с разной интенсивностью при различных температурных условиях п различных давлениях.

Не следует смешивать явления сорбции и коррозии. Первая имеет характер связывания газов или жидкостей твердым телом (в рассматриваемом нами случае) и только в редких случаях приводит к нарушению целост­ ности материала сорбента. Вторая имеет четко выра­ женный характер химической реакции, сопровождаю­ щейся разрушением сорбента (поглощающего тела).

В практике производства высоковакуумной аппара­ туры имеют большое зачение не только физико-химичес­ кие свойства того или другого конструкционного мате­ риала и присущие им газопроницаемость и газовыделение в вакууме, но и влияния, которые могут оказать на эти качества материала выбираемые нами методы его обработки: различные температуры и газовые среды для отжига металла или его пайки, режим ковки, методы сварки, способы полировки и даже зачистки поверхно­ стей, режим предварительной подготовки уплотнителей и многое другое. Все это может стать факторами, опре­ деляющими качество вакуумной системы и соответствие ее своему назначению. При этом, конечно, чем выше вакуум, при котором должен будет работать изготов­ ляемый аппарат, тем важнее становится правильность выбора материалов для всех его деталей и методов их обработки и сборки.

Так, если, например, детали из бескислородной меди сварить в защитной струе аргона или гелия, но не в га­ зонаполненной камере, а затем сварной узел подвергнуть отжигу или пайке в водороде, то сварные швы растре-

63

скаются, так как во время сварки медь в зоне термичес­ кого влияния и в геле шва насытится кислородом и станет подверженной водородной болезни, хотя исход­ ный материал и не был ей подвержен.

4-2. ГАЗОПРОНИЦАЕМОСТЬ МЕТАЛЛОВ

В отечественной литературе газопроницаемость принято оценивать по способности пропускать в единицу времени (] сек) сквозь слой материала в 1 см то или другое количество кубических сантиметров свободного (нормального) газа, т. е. находящегося при давлении 760 мм рт. ст. и 0°С. При этом газопроницаемость отно­ сится к разности давлений в 760 мм рт. ст. и к площади в 1 см2. Таким образом, размерность газопроницаемости выражается в см3■см/(сексм2 кгс/смг). В зарубежной литературе часто принимается размерность см3Х Хмм/(дм2■ч- кгс/см2), т. е. количество кубических сан­ тиметров газа (при нормальном атмосферном давлении и 0°С), проникающего через слой материала в 1 мм на площади в 1 дм2 за 1 ч при перепаде давлений

в760 мм рт. ст.

Внастоящее время наиболее изучена проницаемость металлов (да и других материалов) для водорода, так как водород легче других газов растворяется в метал­

лах и проникает через металлические стенки.

Однако это не является общим законом для всех металлов. Примером тому может служить серебро, более проницаемое для кислорода, нежели для водорода.

Серебро в незначительных количествах растворяет водород даже при плавке, но в расплавленном состоя­ нии активно насыщается кислородом, который затем (при остывании и кристаллизации серебра) интенсивно выделяется. Эта склонность к растворению значитель­ ных количеств кислорода присуща серебру и в твердом состоянии, особенно при высоких температурах. Поэто­ му при отжиге, пайке и сварке серебра его следует тщательно изолировать от соприкосновения с кислоро­ дом. По той же причине серебро, как и медь, подверже­ но водородной болезни, поэтому все операции горячей обработки его следует производить в вакууме или в инертных газах.

Значительной растворимости какого-либо газа в ме­ талле соответствует обычно и повышенная диффузия

04

его, т. е. проницаемость для данного газа. Именно так и обстоит дело с серебром: оно настолько проницаемо для кислорода, что из него делаются фильтры для наполне­ ния приборов чистым кислородом. При этом пропущен­ ный через серебряный фильтр кислород оказывается спектрально чистым.

Фильтр, сделанный из трубки чистого серебра с тол­

Фильтры для водорода делаются из палладия, кото­ рый при температурах 300—400 °С проницаем практичес­ ки только для водорода. При этом проницаемость яв­ ляется максимальной, если в палладии имеются следы родия и калия. Тщательно очищенный палладий имеет значительно меньшую проницаемость по водороду [Л. 7].

Надо иметь в виду, что при фильтровании водорода через палладиевый фильтр давление его не должно превышать 30 мм рт. ст., так как при более высоких давлениях палладий растрескивается. Не следует также

палладиевый фильтр следует обезгазить откачкой. Ртутные и масляные пары (углеводороды), даже па­

ры смазки кранов, портят палладиевые фильтры, сни­ жая их проницаемость. Регенерация таких засоренных

Никель менее проницаем для водорода, чем палла­ дий, однако он также при определенных условиях изби­ рательно пропускает водород и может быть использован дли изготовления фильтров. Никель не так чувствителен к температурному режиму в присутствии водорода, как палладий, но при 500 °С никель все же способен про­ пускать не только водород, но и азот и кислород. Прав­ да, проницаемость для водорода при этом в 2 000 раз больше, чем для азота, и почти в 7 000 раз больше, чем для кислорода.

Малоуглеродистая сталь (железо) имеет значитель­ ную проводимость для атомарного водорода даже при комнатных температурах. При температурах выше

торой он всегда покрыт и которая снижает газопрони­ цаемость алюминия в 10 раз по сравнению с металлом, с поверхности которого механически счищена в вакууме пленка А120 3 перед самым испытанием [Л. 7].

Газопроницаемость нержавеющих сталей можно счи­ тать более низкой, чем у обычной стали [Л. 78]. Данные по газопроницаемости некоторых металлов приведены в табл. 4-1 {Л. 7].

4-3. ГАЗОПРОНИЦАЕМОСТЬ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Неметаллические материалы еще более разнооб­ разны по газопроницаемости, чем металлы. Поэтому только специальные сорта керамики, резины, лишь не­ которые пластмассы пригодны для целей высоковакуум­

ной техники.

В то же время неметаллические материалы, приме­ няемые в вакуумной системе, как это видно из табл. 4-2, не обладают способностью пропускать газ с такой изби­ рательностью в отношении разных газов, как это наблю­ дается у металлов (палладий, серебро). По данным [Л. 16] проницаемости резины, полиэтилена и некоторых других материалов для азота, кислорода, водорода и гелия имеют величины примерно одного порядка для каждого материала.

Газопроницаемость неметаллических материалов в значительной степени зависит и от того, в каком со­ стоянии находится материал: растянутом, сжатом или ненапряженном. Замечено, что стекло, напряженное растягивающими силами, значительно более газопрони­ цаемо, чем сжатое или хотя бы ненапряженное. Некото­ рые авторы не без основания видят причину этого в том, что стекло покрыто сетью мнкротрещин, которые при растяжении раскрываются шире и становятся провод­ никами газа в глубину материала. То же самое относит­ ся к резинам и большей части пластмасс [Л. 78].

4-4. ГАЗОВЫДЕЛЕНИЕ МЕТАЛЛОВ

Все металлы в той или иной степени насыщены газами. При этом поглощение газов металлами имеет три вида:

физическая адсорбция; хемосорбция (химическая адсорбция); абсорбция газов (растворение газов в ме­ талле) .

Таблица 4-2

Проницаемость некоторых неметаллических материалов для газов см3■см/(см2- сек-кгс/см-)

Физической адсорбцией называется удержание газа на поверхности твердого тела с образованием на этой поверхности пленки толщиной' в одну или несколько молекул газа. Количество сорбированного газа зависит

см3/100г

от действительной величины поверхности единицы массы сорбента.

Хемосорбция по сути явления значительно отличает­ ся от физической адсорбции. Как говорит Смителлс

69