Вакуумдық термиялық буландыру әдiстерi

Буландыру -- газдардың кинетикалық теориясы шең берiнде сипаттауғ а болатын статистикалық процесс болып табылады.

Тепе-тең кү й сипатталады:

1) конденсациялалғ ан жә не газды фазалардың аралығ ындағ ы бө лiмнiң беткі қ абатындағ ы бө лшектерiнiң серпiмдi соқ тығ ысуларымен;

2) газды фазаның бө лiнуімен жә не фаза бө лімінің бетiндегi бө лшектердің газды фазасының тұ нбасымен сипатталады.

Тепе-тең дiк шартындағ ы булануы (Кнудсен қ атынасы). Кнудсен ұ яшығ ындағ ы заттардың булануы кезінде процесс тепе-тең дік шартына бағ ынады. Булануды ортақ бетпен салыстырғ анда буландырғ ыштағ ы саң ылауы елемеуге болатын дә режеде аз болады. Идеал газдың эффузиясының жылдамдығ ы –ді газдардың кинетикалық теориясының белгiлi тең деумен анық тауғ а болады:

(3.1)

мұ ндағ ы М - молекулалық масса; - Максвелл-Больцманның ү лестiрiлуiне сә йкес орташа жылдамдық.

,

Массаның уақ ытқ а байланысты азаюын анық тай отырып, қ анық қ ан бу қ ысымын есептеуге болады. Кө п компоненттi жү йеде (3.1) тең деуі компоненттерiнiң эффузиясының парциалды жылдамдық тарын сипаттайды, жә не осыдан р_i компоненттердiң парциалды қ ысымдарын анық тауғ а болады. Жалпы алғ анда будың қ ұ рамы уақ ыт бойынша ө згередi.

Вакуумда буландыру (Ленгмюр қ атынасы). Берілген уақ ытта кө птеген заттарды буғ а айналдыру ү шiн ү лкен саң ылаулары бар сыйымдылық тарды қ олданады, мысалы тура немесе жанама қ ыздырылатын ашық қ ыш тостағ андар немесе қ айық тар. Бұ л шарттарда жү йе тепе-тең дiк кү йде емес. Буландыру процесі қ атты немесе сұ йық заттардың бетiн қ иратқ андағ ы жылдамдық пен анық талады, яғ ни осы процесстiң анық таушы факторлары реакция болғ ан орында оның кинетикасы мен жылу энергиясын тасымалдау болып табылады. Бұ ғ ан қ арамастан буланудың мұ ндай тү рін сипаттау ү шін (3.1) тең деулердi қ олданады, бiрақ бiршама ө згертiлген тү рде: тең деуге кө бейткiштер енгізіледі.

Бұ л ө лшем ә рқ ашан да 1-ден кем болуы керек:

(3.2)

мұ ндағ ы - бу ағ ынындағ ы бө лшектердiң орташа молекулалық массасы. Вакуумдағ ы еркiн булану жылдамдығ ының температурадан тә уелдiлiгінен

(3.3)

буланудың активациялық энергиясын Δ E * есептеуге болады.

Тө сеніштің тө менгі температурасында жә не тө сеніш пен буландырғ ыштың аралығ ында тұ нғ ан қ абаттардың кері булануы жү реді, яғ ни буланудың эксперименттік жылдамдығ ынан R *_исп заттың булану бағ ытын анық тай отырып конденсация жылдамдығ ын R *_конд анық тауғ а болады. Егер конденсацияның есептеп табылғ ан жылдамдығ ы эксперименттік мә нмен сә йкес келсе, онда барлық процесс осы ү лгiмен сипатталғ ан деп айтуғ а болады.

Тө сеніштің температурасы қ аншалық ты тө мен болса, тұ нғ ан қ абатқ а қ оспаларды енгізу қ ауіпі соншалық ты кө п болады, мысалы буландырғ ыш қ ондырғ ының кең істігін қ оршағ ан немесе газдардың тартып шығ арудан кейiн қ алғ ан. Бұ дан басқ а мұ ндай жағ дайдаларда тө сеніште ауада тез ө згеретін борпылдақ жә не ұ сақ саң ылаулары бар қ абаттар тү зіледі. Тә жірибеде тө сеніштің жоғ ары температурасында барынша ұ зақ ұ стауғ а тырысады.Анық талғ ан ә дiстер берілген материалдың шынылану температурасымен жә не шыны тә рiздi қ абыршақ тың ү стiндегі бу қ ысымымен байланысты.

Булану жылдамдығ ы 0, 1 - 0, 5 нм/с тө сеніштің 298 К температурасында орындалады, мысалы, Ge4Se5Te-ны буландырғ ан кезде тығ ыз қ абыршақ тү зілуі ү шін жоғ арғ ы қ абаттағ ы жеткілікті дә режеде жылжуын қ амтамасыз етеді. Мұ ндай қ абыршақ тардың қ асиеттерiнің iс жү зiнде шынының тығ ыз ү лгiлерiнiң қ асиеттерiнен айырмашылығ ы болмайды. Германийдің аморфты қ абатын алғ ан кезде тұ нудың аналогиялық жылдамдығ ы 470К температурада ү йлесімді.

3.1, а суретте қ ұ рылғ ы конструкцияның варианттарының бірі поликристалдық қ оспалардан шыны тә рiзді материалды буландыру арқ ылы аморфты қ абыршақ ты алу келтірілген.

Сурет. Вакуумдағ ы аморфтық қ абатты термиялық буландыру ә дісімен алудың жалпы ә дісі (а), жә не тө сеніш пен нысананы ұ стағ ыштарыдың сызбасы (б).

1-танталды қ айық, 2-негізгі материал, 3-алдын ала қ ыздырылғ ан танталды қ айық пен негізгі материал орналастырылатын мыс блок, 4-су астындағ ы ток жә не температура датчигі, 5-будың ағ ынын реттеуші бұ рылғ ан қ алқ а, 6-кварц пьезодатчик, 7-тө сеніштің ауыспалы ұ стағ ыштарымен бекітілген блок, 8, 9-ішкі тү йіспе 10 ү шін жұ қ а қ абатты нысаналы бұ рылғ ан диск, 12, 13-жылуды реттейтін жү йе, 14-тө сеніштің ұ стағ ышы, 15-жұ қ а қ абаттың ү лгісі, 16-нысаналы дискке арналғ ан аррентир.

Айналмалы (3.1-шi сурет) дискте ә р тү рлi нысаналар, тө сеніштер орналастырылғ ан. Диск айналғ ан кезде бiр жұ мыс циклiнде (вакуумдау) бiрнеше аморфты ү лгiлер алынады; сонымен қ атар сол уақ ытта ә р тү рлi зерттеулер ү шiн қ олданылатын бiрнеше бiрдей ү лгiлер дайындауғ а болады. Кө п компоненттi жү йелер ү шiн вакуумда булауда балқ ымалар немесе шыныны қ олдану ың ғ айлы, кристалды фазаларлың қ оспаларына қ арағ анда бiркелкiрек жоғ арғ ы бетке ие болады. Егер булануды ө ткiзу шартын будың қ ұ рамы уақ ытқ а байланысты ө згермейтіндей етіп таң дап алуғ а мү мкіндік болса, онда гомогендік қ абаттар тiптi буландырғ ыштағ ы шихтаның қ ұ рамы бастапқ ысынан ерекше болғ ан жағ дайда да тү зіледі. Сонымен бiрге шихтаның қ ұ рамындағ ы ө згерiстің будың қ ұ рамына ық палы біліне бастағ анғ а дейін булану процесін тоқ тату керек. Мысалы, байланыстың фракциялық бө лiнуiн буландырғ ышта табылғ ан зат массасына сә йкесінше іріктеу жолымен кiшiрейтуге болады.

Бұ л жағ дайда лазерлік сә уле шығ аруыдың немесе бағ ытталғ ан электрондық сә уле шығ арудың ә серінен термиялық буланудың қ андай да бір артық шылығ ы болуы екіталай. Бұ л ә дiстердi қ олданғ анда ү лгiнiң белгілі бір аз кө лемiнен буланудың жергiлiктi жоғ арғ ы температурасына қ ол жеткізе отырып затты булауғ а болады. Бұ л жағ дайда буландырғ ыш камераның материалын таң дау мә селесi жә не зерттеліп отырғ ан жү йеге ық палы тө мендейді.Лездiк булануғ а осы ә дiстердi қ олдану фракциялық бө лiнудi кiшiрейту ық тималдығ ы пайда болады.

Лездiк жә не плазмалы булану. Лездiк булануда заттардың майда бө лшектерi (еркiн тү су жолымен) жоғ ары температурағ а дейiн қ ыздырылғ ан жылдам буғ а айналатын реакторғ а тү седі. Нә тижесінде газды фазада молекулалардың бө лiктерiнiң жиыны пайда болады. Жылдам буландыру салдарынан майда қ атты бө лшектер бу ағ ынымен шұ ғ ылданады, кейін аморфты қ абаттарғ а икемделедi. Осығ ан ұ қ сас қ ұ былыстардан арылу жә не атомдық жә не молекулалық бу компоненттерінiң қ абаттарын қ амтамасыз ету ү шiн буландырғ ыштың iшiне шағ ылатын қ алқ аларды орналастырады. Қ алқ ағ а соқ тығ ысқ ан бу ағ ыны қ озғ алыс бағ ытын ө згертедi жә не ол аймақ та жоғ ары температурадағ ы заттың болу уақ ытының ұ заруына жә не оның толық булануына алып келеді.

3.2-шi суретте iшiнде ретсiз орналасқ ан шағ ылатын қ алқ алары бар U ә ріпіне ұ қ сас жанама жылытқ ышы бар қ ондырғ ы кө рсетілген. Мұ ндай конструкция халькогенид шынылардың лездiк булануына қ олданылады.

3.2-сурет. Лездiк булануды ө ткiзуге арналғ ан қ ондырғ ы.

1 - тү йiршiктелген зат жә не дозатор,

2 - қ орғ айтын жылулық перде,

3 –салқ ындатқ ыш тү тікше,

4- U ә ріпіне ұ қ сас, қ алқ алары бар кварцты тү тікше,

5, 6 - қ ыздырғ ыш орам,

7 - қ орғ айтын жылулық перде,

8 - салқ ындатқ ыш қ орғ айтын перде,

9 – 10 тө сеніші бар салқ ындатқ ыш блок.

Плазмалы булану ә дiсінде (plasma-jet evaporation) зат бө лшектерiнiң булануына арналғ ан жоғ ары температуралық плазмалар қ олданылады (зат буланғ аннан кейiн плазмағ а тү седі). Сонымен заттың толық булануымен қ атар бу ағ ынының жоғ ары жылдамдығ ына да қ ол жеткіземіз (20 см³/с); ағ ын тек тік сызық бойымен таралады. Егер вакуумда буғ а айналатын балқ ымағ а электр ө рiсiнің жоғ ары кернеулiк қ осылса, онда иондалғ ан бө лшектердiң эмиссиясы байқ алады.