САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ АКАДЕМИКА С
Работа добавлена на сайт samzan.net:
Учебное издание
Исследование уноса массы вещества
элементов ГЭС в условиях воздействия
потоков высокоскоростных частиц
Методические указания к лабораторной работе №3
Составитель: Семкин Николай Данилович
Самарский государственный аэрокосмический университет
имени академика С. П. Королева,
443086 Самара, Московское шоссе, 34
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ
БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ АКАДЕМИКА С. П. КОРОЛЕВА
(НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)»
Исследование уноса массы вещества
элементов ГЭС в условиях воздействия
потоков высокоскоростных частиц
Методические указания к лабораторной работе №3
САМАРА 2012
1011 см-2с-1;
φ1 - плотность потока ионов кислорода в эксперименте, равная 5-1012см-2с-1.
Контрольные вопросы
1. Перечислите основные процессы, обуславливающие потери массы материалов космического аппарата.
2. В каких областях космического пространства следует ожидать наибольшие потери массы материалов в процессе их распыления заряженными частицами?
3. Поясните принцип работы кварцевых микровесов.
4. Какова роль цеолитовых насосов в установке "Плазма"?
Литература
1. Козлов Л. В., Нусинов М. Д., Акшпин А. И. и др. Моделирования тепловых режимов космического аппарата, и окружающей его среды.- М.- Машиностроение, 1971, 70 с.
2. Акишин А. И., Новиков Л. С. Воздействие окружающей среды на материалы космической техники.- М.: Знание, 1983,64 с.
3. Михайлов М. М., Рылкин Ю. И. Установка для исследования свойств материалов, имитирующая условие космоса. ПТЭ, 1991, №3, с. 180.
14
Исследование влияния потока высокоскоростных частиц на характеристики элементов конструкции космического аппарата
Задание
1. Ознакомиться с краткими теоретическими положениями о влиянии факторов космического пространства на потерю массы материалов, создание собственной внешний атмосферы космического аппарата и загрязнение его поверхностей.
2. Ознакомиться с теоретическими положениями зависимости изменения частоты генератора при изменении массы кварцевой пластины.
3. Освоить методику измерения потерь массы материалов методом кварцевых микровесов.
4. Изучить принцип работы, устройство и инструкцию по эксплуатации установки «МЕТЕОР», предназначенной для исследования потерь массы материалов под действием высокоскоростных частиц низкоэнергетических ионов кислорода и других факторов.
5. Экспериментально определить зависимость массы, осевшего на кварцевую пластину вещества, от времени облучения материала ионами кислорода.
6. Объяснить полученные результаты.
Собственная внешняя атмосфера космического аппарата и загрязнение его поверхностей
В космическом пространстве летательный аппарат находятся не в "стерильном", а в "возмущенном" вакууме. Возмущение возникает за счет создания вокруг корабля дополнительной концентрации частиц при протекании различных процессов, к которым в первую очередь следует отнести десорбцию газов, сублимацию и эрозию материалов внешних поверхностей, утечку газов из реактивных двигателей. Это приводит к различным нежелательным последствиям, к которым относится: повышение давления вокруг корабля на несколько порядков, загрязнение внешних поверхностей, световое излучение собственной атмосферы и др.
В вакууме материалы выделяют газы и пары, находящиеся на поверхности или в объеме. Адсорбированные на поверхности газы могут находиться в состоянии "слабой связи" - физически сорбированные газы за счет сил взаимодействия Ван-дер-Вальса, и "сильной" связи - химически сорбированные газы за счет химической связи (на электронном уровне) с поверхностными атомами материала. Растворенные в объеме газы сначала диффундируют к поверхности, а затем испаряются.
Скорость неравновесного испарения характеризуется массой вещества, удаляющегося с единицы поверхности в единицу времени и зависит, от температуры поверхности, давления насыщенного пара вещества и его давления над поверхностью. При увеличении температуры поверхности и при уменьшении давления пара над поверхностью скоростьиспарения возрастает.
3
Потеря массы за счет испарения в космическом вакууме для реально используемых конструкционных материалов обычно очень незначительна и поэтому не приходится учитывать уменьшение толщины материалов. Исключение составляют те случаи, когда материалы работают при высоких температурах, или применяются в конструкциях в виде тонких пленок и покрытий. Однако процессы испарения и сублимации существенно могут изменить электронное состояние поверхности и приповерхностных слоев за счет удаления сорбированных газов, изменения микрорельефа поверхности в результате неравномерного испарения, что приведет к изменению электрофизических, оптических, механических и других характеристик материалов.
Существенное влияние на процесс испарения материалов в космическом вакууме оказывает электромагнитное излучение Солнца (главным образом в ультрафиолетовом диапазоне) и ионизирующая радиация: протоны и электроны радиационных поясов Земли, плазма солнечного ветра, солнечные вспышки, ионосферная плазма, галактические космические лучи, заряженные частицы искусственных радиационных поясов Земли и другие. Под действием излучений происходит разложение материалов внешних поверхностей и удаление продуктов этих реакций в вакуум. Роль вакуума в этом случае заключается главным образом в том, что он смешает равновесие и удаляет продукты реакции.
Если заряженные частицы имеют большую энергию и большой пробег, то продукты реакции образуются в объеме материала, под действием радиацнонно-стимулированных процессов диффундируют к поверхности и испаряются. Закономерности процесса испарения в этом случае такие же, как и при испарении частиц в вакууме без облучения.
В случае действия тяжелых ионов или нейтральных атомов и молекул на материалы преобладающим является процесс эрозии или распыления. В космическом пространстве тяжелые ионы заряженных частиц содержатся в ионосфере Земли - в верхней атмосфере Земли.
Средняя тепловая энергия атомов и молекул определяется температурой, на высотах 200-300 км при температуре (1-2) 103 К она составляет 0,1-0,3 эВ. Однако по отношению к летательному аппарату, движущемуся со скоростью 8 км/с, кинетическая энергия частиц набегающего газового потока достигает 5-10 эВ (в зависимости от массы частицы). Дополнительно к этой энергии ионизованные частицы верхней атмосферы обладают потенциальной энергией, затраченной на ионизацию, которая составляет 10-20 эВ, а также энергией возбуждения, которой обладают и нейтральные частицы.
Суммарная энергия, передаваемая поверхности КА частицей набегающего газового потока, достигает 10-25 эВ. Поскольку пороговая энергия таких процессов как химические реакции, диссоциация, ионизация, рекомбинация лежит в пределах до 10 эВ, то на внешних поверхностях под действием частиц верхней атмосферы протекают различные физико - химические процессы.
4
12. Взвесить образец на аналитических весах, определить поправочный коэффициент как отношение массы образца до и после обработки в вакуумной камере.
13. Установить фланец с держателем 11 в установку "МЕТЕОР".
Внимание! Выполнение работы на установке осуществляется согласно инструкциям по эксплуатации и техники безопасности.
Работа с источником ионов производится совместно с преподавателем.
Форма представления результатов
1. Результаты экспериментальных исследований и расчетов заносятся в таблицу 1.
2. Рассчитывается скорость потерь массы в , по
выражению
(10)
где S – площадь поверхности образца. Равная 27,4 см2
Таблица 1 Зависимомсть потерь массы образца от времени облучения ионами кислорода
|
Номер измерения |
t, мин |
Частота f, МГц |
Разность частот Δf, МГц |
Расчетное значение |
|
0 |
||||
|
1 |
||||
|
2 |
||||
|
. . . |
||||
|
36 |
t = 30 мин.
3. Рассчитывается скорость потерь массы в условиях космоса под действием ионосферной плазмы.
(11)
где φ - плотность потока ионосферной плазмы в космосе, равная
13
M=σ∙χ∙Δf (8)
Коэффициент kf рассчитывается по формуле (5) в соответствии со значением резонансной частоты кварцевого датчика то (сообщается преподавателем).Значения постоянных формулы (9) для установки "Метеор" следующие: θ = 16°, φ = 30°, r = 8,5см
Рис. 5. Схема расположения образца и кварцевого датчика
Порядок выполнения работы
1. Взвесить на аналитических весах образец, выданный преподавателем, с точностью до 0,01 мг.
2. Установить образец в держателе, фланец с образцом закрепить в вакуумной камере установки "МЕТЕОР".
3. Включить для прогрева приборы схемы измерения частоты
кварцевого генератора.
4. Откачать установку "МЕТЕОР" до давления 10-4 Па.
5. Получить поток частиц
6. Регистрировать частоту генератора через каждые 2 мин. облучения.
7. Через 30 минут облучения выключить ионный источник.
8. Выключить приборы схемы измерения.
9. Выключить вакуумные насосы.
10. Напустить атмосферу в установку "МЕТЕОР".
11. Вскрыть установку, снять образец с держателя.
12
Нейтральные и пылевые частицы оказывают воздействие преимущественно на атомы и молекулы, выбивая их с поверхности. Проведенные на ряде спутников исследования по распылению потоками набегающих газовых частиц золота и серебра, обладающим высоким коэффициентом испарения, показали, что на высотах около 200 км толщина пленки уменьшилась за сутки на 0,01-0,05 нм. При такой скорости распыления уменьшение толщины за год составит 3,5-18 мкм. Если распыляются тонкопленочные конструкции и срок активного существования спутника составляет 10-20 лет, то при такой скорости будет распылена значительная часть пленки, что повлияет на работу элементов и систем.
Молекулы и атомы собственной внешней атмосферы под действием излучений возбуждаются и излучают энергию в широком диапазоне. Это излучение влияет на работу навигационной аппаратуры и усложняет процесс ориентации летательного аппарата. Наиболее крупные частицы (например, продукты работы двигателей размером до микрометров) рассеивают свет как звезды первой величины и потому являются ложными сигналами при ориентации.
Загрязнение внешних поверхностей продуктами собственной внешней атмосферы происходит при адсорбции молекул с большим молекулярным весом и низким давлением насыщенных паров. Действие космических излучений приводит к полимеризации органических загрязнений и созданию прочной пленки на поверхности.
Помимо светового воздействия и загрязнения поверхностей собственная внешняя атмосфера оказывает следующее влияние на следующие физико-химические процессы.
1. Увеличение давления газов вокруг корабля проявляется в том, что изменяются закономерности сорбционно-десорбционных процессов, процессов испарения и сублимации.
2. Радиационно-стимулированные процессы, фотолиз и радиолиз материалов внешних поверхностей в конечном счете определяется удалением продуктов из зоны реакции, скорость которого будет зависеть от концентрации продуктов над поверхностью, т.е. от давления данного газа около летательного аппарата.
3. Сами частицы собственной внешней атмосферы выступают в качестве источника излучения. Например, если давление вокруг корабля повысилось под действием собственной атмосферы от 10мм.рт.ст., то плотность потока этих частиц на поверхность будет определяться выражением.
(1)
Для водорода (М=1) при Т=300 плотность потока составляет 1015 см-2с-1, что на несколько порядков больше плотности потока ионов околоземной плазмы.
5
Под действием излучений частицы собственной атмосферы ионизуются, и на поверхность действуют большие потоки ионов и атомов с энергией, определяемой скоростью корабля и в практических случаях равной единицам и десяткам электронвольт.
Методика измерения потерь массы
Существуют два метода измерения изменений массы материалов: прямой и косвенный. Прямой метод измерений состоит в непосредственном взвешивании образца. Поскольку при выносе облученного образца из вакуумной камеры в атмосферу его масса увеличивается за счет образования адсорбированных слоев и диффузии газов, то корректные результаты при исследовании потерь массы материалов космической техники прямым методом можно получить только при взвешивании образца в вакууме. Установка таких весов в вакуумной камере связана, с большими технологическими трудностями. Поэтому для таких исследований лучше использовать косвенный метод, основанный на методе кварцевого датчика или кварцевых микровесов. Метод кварцевого датчика основан на измерении отклонения резонансной частоты кварцевого кристаллического резонатора, работающего в определенном колебательном режиме при изменении массы кварцевой пластины. Датчики с кристаллическими резонаторами для измерения массы осевшего материала имеют относительно простую конструкцию и практически не боятся механических ударов и вибраций.
В датчике с кристаллическим резонатором используются пьезоэлектрические свойства кварца. Резонатор представляет собой тонкую пластину кварца, к обеим поверхностям которой подведены электрические контакты. Такой резонатор включается в электронную схему генератора и приложение переменного электрического поля приводит к возникновению колебаний кварцевой пластины по толщине. Резонансная частота этих колебаний обратно пропорционально толщине пластины
(2)
где Сf - скорость распространения упругих волн в направлении толщины пластины,
d - толщина пластины.
При изготовлении кварцевых пластин учитывают температурную зависимость резонансной частоты. Известно, что температурный коэффициент частоты ТКЧ кварца связан с его упругими постоянными. В выражение для ТКЧ входят члены с положительными и с отрицательными знаками, а абсолютные величины зависят от ориентации колебаний относительно основных кристаллографических осей монокристалла. Поскольку изменение частоты, связанное с флуктуациями температуры, влияет на точность определения массы, кварцевые пластины вырезают из монокристалла в такой ориентации, чтобы различные члены в выражение для ТКЧ компенсировали друг друга.
6
Рис. 4. Блок-схема кварцевых микровесов Расчетные формулы
Испарение вещества с поверхности образца происходит неравномерно, преимущественно в направлениях, близких к нормали к облучаемой поверхности. Для некоторых веществ таких как цинк, серебро, трисульфид цинка., распределение испаренного вещества подчиняется закону косинуса, который эквивалентен закону Ламберта в оптики (рис. 5).
Масса осевшего вещества на кварцевую площадку 8 определяется соотношением
(6)
Общую массу испарившегося вещества М го уравнений (4) и (5) можно выразить через изменение частоты кварцевого датчика
, (7)
В реальных условиях эксперимента измеренная величина М отличается от расчетного значения, т. к. часть материала, осевшего на кварцевый датчик возвращается (десорбируется) в вакуумный объем, а также из-за, того, что реальное распределение распыленного вещества отличается от закона косинуса. Поэтому для расчета величины потери массы в уравнение (7) введен поправочный коэффициент χ, который определяется экспериментально,
В общем виде уравнение (7) с учетом этого коэффициента запишется следующим образом
11
Рисунок 3. Схема установки «Метеор».
б) Электрическая схема измерений.
Основными приборами, необходимыми для работы кварцевых микровесов являются генератор и частотомер. При измерении малых изменений частоты Т на уровне резонансной частоты то используется схема, позволяющая определять изменение массы с точностью до 10-7 г. Блок-схема кварцевых микровесов приведена на рис. 4.. Частота измерительного кварцевого генератора по мере осаждения на кварц материала уменьшается, а на выходе первого сместителя (СМ1) формируется первая промежуточная частота С, увеличивающаяся по мере увеличения массы пленки. Во втором смесителе (СМ2) частота смешивается с частотой F генератора регулируемой частоты и далее сигнал поступает на формирователь импульсов и интегратор. Конечным каскадом служит самописец или измерительный прибор. Преимущество такого прибора заключается в том, что он позволяют работать в области частот, где наблюдается наибольшая чувствительность, независимо от массы осевшего на поверхность кристалла материала. Выходной сигнал находится в области звуковых частот и управляет пересчетной схемой.
10
Этому требованию отвечает срез, плоскость которого составляет угол примерно 35° с осью С, как показано карие. 1.
Рис. 1. Кристалл кварца и геометрия кварцевой пластины для микровесов
Ориентация такого среза обозначается как АТ-срез и именно эта ориентация используется во всех датчиках измерения массы. Зависимость резонансной частоты сдвиговых колебаний пластины, вырезанной под углом АТ-среза от толщины пластины имеет вид:
, (3)
где N=1,67 Гц мм.
Осажденное вещество влияет на резонансную частоту только через массу, а параметры вещества, такие как плотность и упругие постоянные, оказываются несущественными. Зависимость смещения частоты колебания от количества осажденного вещества имеет следующий вид
, (4)
где ρ - плотность кварца (2,65 г • см-1 );
к - близкая к единице постоянная величина, зависящая от распределения осажденной массы на площади датчика;
Δm - масса осажденного вещества.
В качестве S берется полная площадь поверхности пластины кристалла.
7
Однако часто бывает, что электроды покрывают не всю поверхность кристалла. В этом случае под S понимают площадь электродов, поскольку вне электродов колебания пренебрежимо малы и осаждение вещества на эти участки в общее изменение частоты дает вклад порядка 1%.
Коэффициент пропорциональности в уравнении (4) между величиной смещения частоты и массой осажденного вещества на единицу площади
(5)
получил название чувствительности кристалла к определению массы.
Из уравнения (5) следует, что чем тоньше кристалл, тем выше чувствительность. Но уменьшение толщины пластины имеет ограничение, связанное с тем, что линейная пропорциональность между Δf и Δт существует лишь до тех пор, пока толщина осажденного слоя много меньше толщины пластины. Поэтому оптимальным вариантом, удовлетворяющим противоречивым требованиям высокой чувствительности и возможности измерять количество вещества в широком диапазоне, принято считать кристаллы толщиной порядка 0,3 мм с начальными частотами 5-6 МГц.
Кристаллы, используемые в датчиках, обычно представляют собой пластины круглой или квадратной формы с типичными размерами 13-14 мм. Они монтируются в держатели, которые фиксируют положение и позволяют легко снимать и монтировать их вновь. На рис. 2 приведена конструкция одного из держателей кристалла.
Рис. 2. Держатель кварцевой пластины
1 - кварцевая пластины, 2 - изолированная опора, 3 - верхний электрод, 4 -пружина, 5 - опорный блок, 6 - труба для охлаждения, 7 - тепловой кран.
На обе поверхности кварцевой пластины 1 наносят испарением тонкие пленки золота или серебра для создания электрических контактов. Кварцевые пластины размером 13x13 мм устанавливаются на опору 2, выполняющую роль заземленного электрода. Верхний электрод 3 прижимается к пластине пружиной 4, закрепленной в изолированном опорном блоке 5. Для охлаждения держателя через трубку 6 пропускается вода, к трубке припаян тепловой экран 7, выполняющий одновременно
роль диафрагмы.
8
В других конструкциях применяются круглые кварцевые пластины, напыленные пленки занимают не всю поверхность, а только центральную часть в виде колец. Крепление пластины осуществляется кольцевыми зажимами с торцов, которые электрически соединены с напиленными пленками. Напыление можно производить только на одну сторону пластины, на которую осуществляется осаждение молекул. Противоположная сторона прижимается к поверхности металлического держателя.
Частотные характеристики кварцевых кристаллов, нагретых до 400 С, полностью восстанавливаются после охлаждения. Возможность обезгаживания кристаллов обеспечивает их использование в сверхвысоком вакууме. Если адсорбция и десорбция на поверхности кристалла отсутствуют, то частота колебаний не зависит от величины давления во всем диапазона высокого и сверхвысокого вакуума. Несмотря на то, что пластины, вырезанные в направлении АТ-среза, имеют наименьший возможный ТКЧ, все же необходимо принимать специальных меры, чтобы уменьшить изменение температуры кристалла за счет излучений, попадающих на него, и выделения теплоты конденсации. Увеличение температуры на несколько градусов приводит к сдвигу частоты от 10 до
100 Гц, что эквивалентно изменению в массе от 10-7 до 10-8 г/см3
Установка «МЕТЕОР»
Установка «МЕТЕОР" предназначена для исследования влияния потока высокоскоростных пылевых частиц на аппаратуру и элементы конструкций космического аппарата, а также потерь массы материалов в процессе облучения.
а) Схема установки приведена на рис.3. Она содержит электрический ускоритель частиц 1 и 2, исследуемый образец 3, кварцевые весы (датчик) - 4, измеритель массы вещества - 5, измеритель параметров частиц - 6, систему откачки - 7, вакуумную камеру - 8.
При соударении частиц с образцом 3, поток нейтральных (4 заряженных) частиц (атомов, молекул) попадает на кварцевый датчик 4, частота которого меняется пропорционально массе осаждающегося вещества. Кварцевый датчик 4, расположен так, что его чувствительная пластина направлена на облучаемую поверхность образца 3
9
2. СК Арена г Днепропетровск и магазин спортивной экипировки MMSHOP Glditor г
3. Статья- Как снизить затраты на IT
4. Антиинфляционная политика государства
5. Проблемы психологической помощи обучающимся в старшей школе
6. Тема 34 Закрытие финансового года
7. тема права не может нормально функционировать
8. Зерцало 2007 г. ~ 316 с.
9. ДОКЛАД на тему- Европейский парламент МОСКВА 1999 г
10. Редкая цихлида
11. конспект Организация современной адвок
12. орієнтуючий характер дозволяючи конкретним підприємствам корпораціям нормально функціонувати в системі
13. стр.53 правилостр
14. Современник Москва 1988г
15. Планирование себестоимости на предприятии
16. Ко всем гражданам Украиныв котором говорилось что Генеральный Секретариат будет всячески бороться с попы
17. летнее мировое противостояние по социальноидеологическому признаку казавшееся всепоглощающей осью миров
18. правовой и криминологический аспекты понимания организованной преступности
19. ы соедя кондов.Эл
20. Курсовая работа- Современные политические и правовые учения в Западной Европе и США