WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. 2 02;05;11;12 Взаимодействие графита с атомарным водородом © Е.А. Денисов, Т.Н. Компаниец Санкт-Петербургский государственный университет, 198904 Санкт-Петербург, Россия E-mail: kompan@paloma.spbu.ru (Поступило в Редакцию 31 января 2000 г. В окончательной редакции 29 марта 2000 г.) Исследована кинетика сорбции водорода из атомарной фазы тремя типами графитов: пиролитическим, квазимонокристаллическим и техническим графитом РГТ. Показано, что процессы сорбции водорода из атомарной фазы и последующей термодегазации для всех трех типов графита имеют примерно одинаковый характер. Термодесорбционные спектры, получаемые в процессе линейного нагрева насыщенного образца, имеют вид кривых с двумя максимумами. С учетом ряда особенностей кинетики термодесорбции, наблюдающихся при остановке линейного нагрева образца, предложена математическая модель, в соответствии с которой в толще графита присутствует два типа ловушек с энергиями связи 2.4 и 4.1 eV. Рассмотрена физическая интерпретация данной модели.

Введение оценке количества десорбированных молекул водорода из термодесорбционных спектров (ТДС). Единственная В последние годы наибольшее количество работ, по- известная нам попытка определить энергию активации священных исследованию взаимодействия водорода с десорбции [8] основана на априорном предположении об графитом, имело сугубо практическую направленность, ассоциативном характере этого процесса. В связи с этим связанную с применением графита для защиты первой одной из задач нашей работы было определение кинестенки термоядерных реакторов. Вследствие этого в тических и энергетических параметров десорбционных большинстве работ рассматриваются процессы взаимо- процессов, происходящих после облучения различных действия ионных пучков водорода с энергиями поряд- типов графита атомами водорода. Кинетические исследока нескольких keV с техническими марками графитов. вания позволяют получить обширную и разнообразную В этой области имеется большой объем как экспери- информацию, которая может служить основой для разментальных данных, так и теоретических работ [1–12]. вития модельных представлений о характере процессов, При исследовании взаимодействия атомов водорода с протекающих в исследуемой системе, и в частности дать графитом основное внимание обычно сосредоточено ответ на вопрос о роли объема и поверхности образца в на процессе химической эрозии поверхности графи- процессе сорбции атомарного водорода.

та [8,13–18]. В связи с этим подробно изучен только процесс десорбции углеводородов, несмотря на то что Образцы количество водорода в составе углеводородов в спектре термодесорбции составляет лишь незначительную часть от общего количества водорода, десорбированного в Технический графит РГТ ( =(2.20-2.26) g/cm3) совиде молекул H2. В большинстве исследований обыч- держит примерно 7.5 at.% титана и получается в резульно предполагается, что процесс взаимодействия атомов тате горячей прессовки по одному направлению смеси водорода с графитом является чисто поверхностным, а углеродного и титанового порошка [19]. Большинство возможным растворением водорода в объеме графита зерен в РГТ, имеющих форму диска, расположено паралчаще всего пренебрегают. Вместе с тем вероятность лельно базовой плоскости графитовой решетки. Средний растворения водорода при облучении графита потоком размер зерна составляет величину порядка 10 µm.

атомов может быть иной (и, скорее всего, большей), чем Пирографит (ПГ) имеет плотность = 2.186 g/cm3.

при взаимодействии с равновесным молекулярным водо- В микромасштабе ПГ имеет слоистую структуру с перодом, и по крайней мере часть атомов водорода может риодичностью 0.5-1.0 µm в направлении роста (c-оси), оказаться не на поверхности, а под поверхностью даже что объясняется ступенчатой кинетикой роста данного при комнатной температуре адсорбента. К сожалению, графита в процессе изготовления. В нашей работе ислишь в двух из приведенных выше работ проводилось пользовались два типа пирографита, различавшихся теммоделирование процесса сорбции атомарного водорода пературой окончательного отжига в процессе изготовлеграфитом с учетом объемных процессов [17,18].

ния: собственно пиролитический графит (ПГ) и квазимоКак уже было отмечено выше, большая часть сорби- нокристаллический (КПГ). ПГ был по внешнему виду рованных атомов водорода при повышении температуры похож на технические марки графитов с шероховатой покидает образец в виде молекул H2. Вместе с тем имею- поверхностью. Поверхность же КПГ была существенно щиеся в литературе сведения о кинетике этого процесса более гладкой и блестящей, что свидетельствовало о носят отрывочный характер и сводятся в основном к большей упорядоченности структуры этого графита.

112 Е.А. Денисов, Т.Н. Компаниец Методика Для исследования кинетики сорбционно-десорбционных процессов применялся хорошо известный метод термодесорбционной спектрометрии. Графитовые образцы представляли собой ленты размером 1 40 mm и толщиной 0.5 mm. Поверхность ленты была параллельна базовой плоскости графита. Образец зажимался в токопроводящих контактах и помещался в вакуумной камере, давление остаточных газов в которой, определявшееся в основном водородом, составляло величину порядка 10-8 Torr. Температура образца измерялась термопарой W–WRe. Экспериментальная установка позволяла проводить нагрев образца по заданному закону. Регистрация потока десорбированного водорода осуществлялась магРис. 1. Типичный ТДС, полученный при линейном нагреве со нитным секторным масс-спектрометром. Перед опытами скоростью 25 K/s ПГ, облученного атомами водорода.

по сорбции образцы подвергались длительному отжигу при температурах порядка 1200C. В конце отжига температура кратковременно повышалась до 1400C.

сорбционно-десорбционных процессов с участием атоОчищенный водород напускался в камеру с образцом марного водорода.

через диффузионный фильтр. Атомизация водорода проДва десорбционных максимума при температурах исходила на раскаленной до 2500C вольфрамовой прои 1250C в ТДС, представленном на рис. 1, связаны с волоке диаметром 100 µm, расположенной параллельно выделением водорода из двух состояний с различными образцу на расстоянии 5-8 mm так, чтобы поток атомов энергиями связи. Температура, при которой наблюдаводорода попадал на плоскость образца, параллельную лись максимумы скорости десорбции, не зависела от базовой плоскости графитовой решетки. Доза облучения начальной концентрации водорода в образце, что свидеобразца атомами водорода вычислялась исходя из дательствует о первом порядке десорбционной кинетики.

вления напуска, коэффициента атомизации и геометрии При изменении скорости линейного нагрева образца расположения атомизатора и образца.

для десорбционной кинетики первого порядка должна Вероятность атомизации водорода на вольфраме при наблюдаться линейная зависимость ln(/Tm) от Ed/kTm температуре свыше 2100C принималась, согласно дан(где — скорость нагрева, Tm — температура максимуным работы [20], равной 0.3. Давление водорода в прома десорбции, Ed — энергия активации десорбции, k — цессе экспозиции составляло 10-2 Torr. Поток атомов постоянная Больцмана) [22], из угла наклона которой водорода на лицевую сторону образца, рассчитанный с легко определить энергию активации десорбции. Для учетом геометрии расположения атомизатора и образца, первого состояния из экспериментальных данных при составлял 5 · 1013 H0/(cm2 · s).

трех различных скоростях нагрева нами была получена величина энергии активации 2.4 eV. Оценку энергии активации десорбции для второго состояния можно сделать Экспериментальные результаты лишь весьма приблизительно. Это связано с тем, что конечная температура нагрева в наших опытах была близка В отличие от технического графита РГТ [21], на ПГ и к температуре второго десорбционного максимума (при КПГ не было замечено сорбции водорода из молекулярмногократном нагреве до более высоких температур ной фазы при давлениях до 5 Torr и температуре сорбции образец быстро разрушался). По нашим данным, для втодо 600C. Заметное выделение водорода (H2) из образца рого состояния Ed порядка 4 eV. Следует заметить, что в процессе линейного нагрева наблюдалось только после вышеприведенные значения энергий активации получены облучения этих графитов атомами водорода. Типичный в предположении о том, что водород адсорбирован на вид ТДС, полученного после облучения ПГ атомами поверхности.

водорода, представлен на рис. 1. Все характерные В следующей серии экспериментов сорбция атомов особенности этого спектра наблюдаются и в ТДС, по- водорода происходила в одних и тех же условиях, а лученных после облучения атомами водорода графитов нагрев образца в процессе термодесорбции производился КПГ и РГТ. Не было замечено существенных различий до разных конечных температур (рис. 2). При остановке и в кинетике сорбции атомарного водорода. Зависимости нагрева (кривые 1–4 на рис. 2) скорость десорбции наколичества сорбированного водорода от температуры чинала резко уменьшаться, причем время спада почти не сорбции и дозы облучения атомами для всех трех типов зависело от температуры остановки нагрева. За 10-20 s графита были весьма похожи. По-видимому, структура скорость десорбции уменьшалась до уровня порядка графита и наличие примесей слабо влияют на кинетику нескольких процентов от максимальной скорости десорбЖурнал технической физики, 2001, том 71, вып. Взаимодействие графита с атомарным водородом ции, т. е. выделение водорода из образца почти полностью прекращалось. Это резкое уменьшение скорости десорбции происходило несмотря на то, что в образце оставалось значительное количество водорода, который выделялся из образца при последующем подъеме температуры (рис. 3, кривые 1–3). В опытах, результаты которых приведены на этом рисунке, образец нагревался до некоторой промежуточной температуры, которая поддерживалась постоянной в течение 45 s, после чего нагрев продолжался с прежней скоростью до температуры 1200C. При повторном подъеме температуры весь оставшийся в образце водород выделялся в газовую фазу, причем его количество практически совпадало с количеством водорода, десорбирующего при тех же темРис. 4. ТДС после облучения ПГ ионами H+ с энергиями пературах, но при непрерывном нагреве. Кинетические порядка 200 eV. Остановка линейного нагрева при 1000 и характеристики процесса выделения также оставались 1200C. Скорость нагрева 25 K/s.

прежними. Все описанные выше особенности процесса десорбции наблюдались для всех трех исследованных графитов.

Столь необычную кинетику выделения водорода невозможно объяснить в рамках модели классической десорбции с поверхности. При десорбции по первому порядку десорбционной кинетики скорость десорбции при остановке нагрева должна уменьшаться экспоненциально с постоянной времени, пропорциональной exp(-Ed/kT ), следовательно, для Ed = 2.4 eV скорость спада при температурах 600 и 800C будет отличаться на несколько порядков.

Необходимо отметить, что все характерные особенности кинетики выделения водорода наблюдались нами и после облучения любого из трех исследованных графитов ионами водорода с энергиями порядка сотРис. 2. Серия ТДС, полученных после сорбции H0 при остани электрон-вольт. Десорбция водорода происходила в новке линейного нагрева образца при различных температурах.

том же температурном интервале, остановка нагрева ПГ, скорость нагрева 25 K/s.

приводила к резкому уменьшению скорости десорбции, а при повторном подъеме температуры образца весь оставшийся водород десорбировался. Единственным отличием было отсутствие в ТДС двух явно выраженных максимумов (рис. 4).

Обсуждение результатов Адекватная кинетическая модель является первым шагом на пути к пониманию процессов, происходящих при взаимодействии газов с твердым телом. При выборе модели следует принять во внимание следующие соображения. Облучение графита ионами водорода приводит к имплантации их на некоторую глубину (десятки nm при энергии ионов несколько сотен электрон-вольт [6]), и массоперенос в объеме образца, безусловно, играет определенную роль в ходе процесса дегазации. Большое Рис. 3. Серия ТДС, полученных после сорбции H0 при остасходство кинетики процессов после облучения графита новке линейного нагрева образца при различных температурах потоками атомов и ионов позволяет предположить, что с последующим продолжением нагрева до 1200C. ПГ, скорость нагрева 25 K/s. значительная часть атомов водорода попадает в объем 8 Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. 114 Е.А. Денисов, Т.Н. Компаниец образца и кинетика дегазации образца в этом случае также включает в себя процессы массопереноса в объеме графита. Следует, однако, отметить, что все особенности кинетики выделения водорода (например, наличие двух максимумов) невозможно описать и в рамках простой диффузионной модели.

Таким образом, для описания процесса дегазации графита необходимо ввести как минимум три процесса, два из которых достаточно сильно зависят от температуры (т. е. имеют значительную энергию активации) и проявляются в виде максимумов в ТДС. Третий процесс, описывающий уменьшение скорости десорбции при остановке нагрева, должен слабо зависеть от температуры. Таким процессом может быть диффузия Рис. 5. Зависимость ln(/Tm) от 1/Tm для первого десорбциводорода между соседними графитовыми слоями. Этот онного максимума, вычисленная по модели, включающей дифпроцесс, впервые рассмотренный в работе [23], требует фузию с обратимым захватом на ловушки. D, cm2/s: • —10-7, минимальной энергии активации, что в значительной —10-6, —10-5, + —10-4.

мере определяется тем, что слои связаны между собой достаточно слабо и расстояние между ними превышает 3. По нашим оценкам [24], энергия активации диффузии в графите РГТ не превышает 0.5 eV. В связи с этим наиболее вероятной нам представляется следующая кинетическая модель. При сорбции атомов или ионов под поверхностью образца образуется насыщенный слой некоторой толщины. При этом в графите присутствуют ловушки двух типов со значительной энергией активации, на которые захватывается водород. При нагревании образца начинается выход водорода из ловушек в подвижную фазу, причем миграция водорода по образцу сопровождается обратимым захватом на ловушки. Предполагается также, что скорость десорбции с поверхности значительно превышает скорость остальных процессов и не является лимитирующей стадией процесса дегазации.

Для математического описания такой модели (дифРис. 6. ТДС, рассчитанные по модели для случая линейного фузия с обратимым захватом на ловушки двух типов) нагрева с остановками при температуре 730 (1), 770 (2), мы использовали систему дифференциальных уравнений, 820 (3), 1050 (4), 1100 (5), 1140 (6), 1190C (7). Скорость приведенную в нашей предыдущей работе [25].

нагрева 25 K/s.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.