Введение к работе
Актуальность. Каталитическое получение веществе используют в различных отраслях промышленности, на его основе могут быть созданы высокоэффективные, ресурсосберегающие и малоотходные технологии. Гетеро-V генный катализ широко применяют в нефтехимической промышленности для крекинга нефти, синтеза полимеров, красителей, фармацевтических препара- \ тов и т.д. Важной областью применения гетерогенных химических реакций является обезвреживание выбросов промышленных предприятий и транспорта. Эти процессы также определяют наиболее существенные технологические процедуры микроэлектронного производства, такие как ориентированное выращивание пленок, легирование, получение резко неоднородных структур, в частности МОП-структур.
Большую группу способов контроля поверхности веществ составляют » методы, основанные на регистрации явлений, сопровождающих взаимодействие атомов и молекул газа с поверхностью. Эти явления сложны и многообразны, многие недостаточно изучены. Процессы адсорбции и десорбции, поверхностная диффузия молекул и сопутствующие явления: люминесценция, эмиссия электронов, ионов, нейтралей, динамический эффект гетерогенных реакций, дают информацию о химическом составе, структуре, химической активности поверхности и кинетике протекающих реакций.
Большинство известных методов диагностики поверхности имеют низкое временное разрешение или сопровождаются разрушением объекта исследования и поэтому не пригодны для непрерывного безынерционного контроля за состоянием поверхности вещества. По этим же причинам, часто из-за высокой стоимости и сложности реализации, они не нашли применения в системах автоматического управления технологическими установками. Публикации, посвященные изучению нестационарных явлений в случае средних и больших давлений газов, немногочисленны. В литературе мало работ, описывающих комплексные измерения, идея которых заключается в одновременной регистрации нескольких физических величин, характеризующих состояние вещества.
Для контроля за нестационарными поверхностными процессами было предложено использовать регистрацию динамического эффекта гетерогенной химической реакции, величина которого F(t) находится в прямо пропорциональной зависимости от скорости реакции J(t). Динамический эффект реакции (ДЭР) проявляется как изменение силы давления газа на поверхность катализатора, обусловленное изменением функции распределения молекул газа по импульсам вследствие протекания гетерогенной химической реакции. Одновременная регистрация явлений, сопровождающих процессы на поверхности твердых веществ в среде активных газов -ДЭР, радикалорекомбина-ционной люминесценции (РРЛ) и адсорбции - позволяет получать более полный объем информации о состоянии поверхности контролируемых веществ.
Цель работы состоит в разработке метода и технических средств кон--J троля нестационарных процессов на границе твердых веществ и активных газов и их применении для контроля за взаимодействием активных газов с поверхностью твердых веществ.
В работе решаются следующие задачи:
-разработка высокочувствительного способа регистрации быстроме
няющихся малых сил для получения кинетических кривых ДЭР;
* -разработка автоматизированных средств проведения контроля за
процессами, протекающими на поверхности вещества, регистрации и обработки экспериментальных данных;
-выполнение испытаний разработанного метода и соответствующих технических средств в экспериментах по контролю за нестационарными процессами, происходящими на поверхности твердых веществ в среде активных газов.
Научная новизна. Разработан метод, предназначенный для контроля за нестационарными процессами, протекающими на поверхности твердых веществ в среде активных газов, заключающийся в одновременной регистрации кинетики адсорбции реагирующих на поверхности веществ и скорости гетерогенной химической реакции (по величине ДЭР).
Разработаны два способа (на основе весов с кварцевой спиралью и емкостным датчиком малых перемещений и на основе системы магнитной подвески) и соответствующие технические средства автоматической регистрации быстроменяющихся малых сил, предназначенные для регистрации величины ДЭР.
Разработанный метод контроля и созданные технические средства ап
робированы при контроле за нестационарными процессами на поверхности
^твердых веществ (Ni, Си, ZnS-Cu), помещенных в среду диссоциированных
кислорода и водорода.'
Достоверность полученных результатов. С целью оценки времени установления стационарного потока активных частиц, модуляция которого использовалась при контроле нестационарных поверхностных процессов, с помощью фотоумножителя регистрировалась кинетика зажигания и гашения газового высокочастотного разряда - источника активных частиц. Длительность возникающих при этом переходных процессов (0,1 с) совпала с длительностью разгорания РРЛ и длительностью установления квазистационарных значений ДЭР.
При проведении исследований величину ДЭР измеряли двумя независимыми способами: с помощью весов с кварцевой спиралью и емкостным датчиком малых перемещений и с помощью высокочувствительных весов с магнитным подвесом. Весы предварительно были откалиброваны. При этом получены одинаковые результаты. Погрешность измерений величины ДЭР не превышала 10 %.
Отсутствие примесей в используемых газах контролировали по спектру свечения ВЧ разряда в газе. С целью проверки экспериментальных данных производились «холостые» опыты. Подтверждением достаточно глубокой очистки поверхности образцов от адсорбционных загрязнений в условиях опытов и достоверности результатов служит получение воспроизводимых кинетических кривых адсорбции ftft), ДЭР F(t) и интенсивности РРЛ Ці). Результаты адсорбционных и десорбционных измерений соответствуют данным, полученным другими методами: по изменению давления в изохорном процессе; посредством контроля за степенью покрытия поверхности по фотоэмиссии электронов; регистрацией послесвечения кристаллофосфорон, обусловленного рекомбинационной десорбцией атомов.
\ Практическая значимость. Разработанные технические средства для регистрации быстроменяющихся малых сил могут найти широкое применение при экспериментальных исследованиях разнообразных физических и хими-у ческих процессов. Использование разработанных средств в научных исследованиях имеет многообещающие перспективы и позволит решать приоритетные научные задачи.
Разработанный метод релаксационных измерений нашел применение при изучении механизмов гетерогенных химических реакций, протекающих на границе твердых тел и активных газов.
Разработанные способы регистрации малых сил могут найти примене- , ниє в автоматизированных системах управления технологическими установками для выращивания тонких пленок, получения новых веществ с помощью каталитических химических реакций и т.д.
Реализация работы. Разработанные метод контроля и соответствующие ему технические средства применены при изучении механизмов гетерогенных химических процессов в Орловском государственном техническом университете; внедрены в АО ОКБ "ПРОТОН" при проведении ОКР.
Апробация работы. Изложенные в диссертации результаты докладывались на: II Всероссийской научно-технической конференции «Методы и средства измерения физических величин» (Н. Новгород, 1997г.); IV Всероссийском симпозиуме «Актуальные проблемы адсорбционных процессов» (Москва, 1998г.); Межвузовской конференции «Микроэлектроника и информатика - 98» (Москва, 1998г.); V Международном совещании-семинаре «Инженерно-физические проблемы новой техники» (Москва, 1998г.); III Международной конференции «Application of the Conversion Research for International Cooperation» (SIBCONVERS'99) (Томск, 1999г.); Всероссийской научно-технической конференции «Диагностика веществ, изделий и устройств» (Орел, 1999г.); II Всероссийской научной конференции «Проблемы развития ИТКС специального назначения» (Орел, 1999г.).
Публикации. Основные результаты, представленные в диссертации, опубликованы в 10 работах.
На защиту выносятся следующие положения:
-метод контроля за нестационарными процессами, протекающими на границе твердых веществ и активных газов, заключающийся в одновременной регистрации кинетики адсорбции реагирующих веществ и кинетики динамического эффекта реакции;
-технические средства, предназначенные для регистрации динамического эффекта реакции, на основе подвеса с кварцевой спиралью и датчиком малых перемещений и на основе системы с магнитным подвесом с разрешающей способностью до 2,5-10"8 Н и постоянной времени порядка 0,1 с;
-вычислительный способ оценки характеристик линейных систем автоматического регулирования в частотной области, примененный для исследования и подбора рабочих параметров системы измерения ДЭР с магнитным подвесом по ее математической модели.
Объем работы. Диссертация изложена на 126 страницах машинописного текста, иллюстрируется 48 рисунками и 2 таблицами, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников, включающего 71 наименование, и приложений.
