Способ контроля изменения фазового состава газовой смеси в замкнутом реакторе

 

Изобретение относится к химической и технической физике, металлургии, в частности к способам оперативного контроля образования ультрадисперсных порошков и покрытий. Способ осуществляется следующим образом. В реактор через трубку подается смесь газов. Через окно на смесь газов в реакторе производится импульсное энергетическое воздействие импульсным сильноточным электронным пучком. Возникающие стоячие звуковые волны регистрируются малоинерционным датчиком давления, электрический сигнал с которого поступает на измеритель частоты. Изменение фазового состава газовой смеси оценивают по изменению парциального давления соответствующей компоненты газовой смеси, определяемого из выражения: где f_зв - частота стоячих звуковых волн в замкнутом реакторе, Гц; R - универсальная газовая постоянная, Дж/(кмоль-град); Т - температура газовой смеси, К; l - длина реактора, м; γ_i - показатель адиабаты i-й компоненты газовой смеси; μ_i - молярная масса i-й компоненты газовой смеси; Р_i - парциальное давление i-й компоненты газовой смеси, Торр. 4 ил., 1 табл.

Изобретение относится к химической и технической физике, металлургии, в частности к способам оперативного контроля образования ультрадисперсных порошков и покрытий.

Известен масс-спектроскопический способ контроля хода технологического процесса (Уэстон Дж. Техника сверхвысокого вакуума. М.: Мир, 1988, с.202). В этом способе контроль осуществляется при помощи масс-спектрометра по изменению парциальных давлений компонент газовой смеси в реакторе.

Недостатком данного способа является необходимость использования дорогостоящего оборудования. Стоимость современного масс-спектрометра превышает 100 тысяч долларов США. Кроме того, этот способ не позволяет оперативно контролировать изменение химического состава рабочей газовой смеси во всем объеме реактора из-за того, что отбор пробы идет в локальном месте реактора.

Наиболее близким к предложенному способу является выбранный нами за прототип волюмометрический способ контроля изменения фазового состава газовой смеси (С.И.Филиппов, П.П.Арсентьев и др. Физико-химические методы исследования металлургических процессов. М., Металлургия, 1968, с.418). В этом способе изменение фазового состава оценивается по изменению давления при изменении числа газообразных молекул в объеме реактора.

Недостатком данного способа является то, что он неприменим для тех химических реакций, в которых число исходных и конечных газофазных молекул одинаково, т. е. способ имеет ограниченную область применения. Например, при восстановлении вольфрама в реакции WF₆+N₂=W+2NF₃ из двух исходных молекул (гексафторида вольфрама и азота) образуется две молекулы NF₃, в результате чего после восстановления вольфрама давление в реакторе не изменяется.

Основной технической задачей предложенного нами изобретения является разработка оперативного контроля изменения фазового состава газовой смеси в замкнутом реакторе также для тех химических реакций, в которых число исходных и конечных газофазных молекул одинаково.

Основная техническая задача достигается тем, что в способе контроля изменения фазового состава газовой смеси в замкнутом реакторе, включающем измерение давления в объеме реактора, согласно предложенного решения в замкнутом реакторе внешним импульсным энергетическим воздействием формируют стоячие звуковые волны, а изменение фазового состава газовой смеси оценивают по изменению парциального давления соответствующей компоненты газовой смеси, определяемого из выражения: где f_зв - частота стоячих звуковых волн в замкнутом реакторе, Гц; R - универсальная газовая постоянная, Дж/(кмоль•град); Т - температура газовой смеси, К; l - длина реактора, м; γ_i - показатель адиабаты i-й компоненты газовой смеси; μ_i - молярная масса i-й компоненты газовой смеси;
Р_i - парциальное давление i-й компоненты газовой смеси, торр. Кроме того, целесообразно в качестве внешнего импульсного энергетического воздействия использовать импульсный источник возбуждения газовой смеси, вызывающий изменение фазового состава газовой смеси в реакторе.

Целесообразно также в качестве внешнего импульсного энергетического воздействия использовать импульсный сильноточный электронный пучок, энергия электронов которого превышает энергию диссоциации молекул газовой смеси.

Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественных всем признакам заявляемого способа, отсутствуют. Следовательно, изобретение соответствует условию патентоспособности "новизна".

Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа заявленного изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники.

Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками изобретения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, изобретение соответствует условию патентноспособности "изобретательский уровень"
Пример конкретного выполнения. На фиг.1 изображена схема установки, реализующей предложенный способ, а на фиг.2 - зависимость параметра β от ϕ, где


Установка (фиг. 1) состоит из реактора 1, трубки реактора 2, окна реактора 3, электронного пучка 4, датчика давления 5, установленного в реакторе, измерителя частоты 6.

Способ осуществляется следующим образом. В реактор 1 через трубку 2 подается смесь газов. Через окно 3 на cмеcь газов в реакторе производится импульсное энергетическое воздействие импульсным сильноточным электронным пучком 4 с параметрами: энергия электронов 300-500 кэВ, ток пучка 10-12 кА, длительность импульса 50-60 нс. Энергия электронов электронного пучка 4 превышает энергию диссоциации молекул газовой смеси, состоящей из 1-3 компонентов. Возникающие стоячие звуковые волны регистрируются малоинерционным датчиком давления 5, электрический сигнал с которого поступает на измеритель частоты 6.

Частота звуковых волн, генерируемых в реакторе 1 длиной 30 см, превышала 100 Гц для исследованных газов. Если время внешнего энергетического воздействия будет превышать период звуковых волн, то условия формирования стоячих гармонических волн будут нарушаться. Поэтому длительность внешнего энергетического воздействия выбрали не более 10^-2 с.

Из фиг. 2 видно, что при воздействии импульсного сильноточного электронного пучка 4 на смесь разных газов (азот, аргон, водород, кислород, гексафторид вольфрама, метан) параметр β, характеризующий изменение фазового состава в газовой смеси, изменялся в пределах 1,07-0,94. При β больше 1,07 и меньше 0,94 точность контроля изменения фазового состава уменьшается, что неприемлемо для оперативного контроля. Также проведены эксперименты по воздействию импульсного сильноточного электронного пучка с параметрами, указанными выше, на смесь Ar+N₂+WF₆, которые подтвердили эффективность предложенного способа контроля изменения фазового состава газовой смеси. В этом случае под действием электронов пучка происходила диссоциация молекул гексафторида вольфрама в реакции WF₆+N₂=W+2NF₃ с образованием твердых частиц вольфрама. Число исходных молекул равно числу конечных молекул, и давление в реакторе после окончания химической реакции равнялось исходному. Изменение фазового состава обрабатываемой смеси газов контролировали по изменению частоты звуковых волн, генерируемых в реакторе при вводе этого пучка электронов.

Пример осуществления предложенного способа
При исследовании разложения гексафторида вольфрама (WF₆) под воздействием импульсного пучка электронов с параметрами: энергия электронов 300-500 кэВ, ток пучка 10-12 кА, длительность импульса 50-60 нс для смеси 120 Торр WF₆+120 Торр N₂+360 Торр Аr получены следующие результаты.

Для данной смеси газов под действием электронов пучка происходила диссоциация молекул гексафторида вольфрама в реакции:
WF₆+N₂=W+2NF₃ (2)
с образованием твердых частиц вольфрама. Число исходных молекул равно числу конечных молекул, и давление в реакторе после окончания химической реакции равнялось исходному. Изменение фазового состава обрабатываемой смеси газов контролировали по изменению частоты звуковых волн, генерируемых в реакторе при вводе пучка электронов.

Зависимость частоты звуковых колебаний в реакторе от числа воздействий импульсного пучка электронов показана на фиг.3.

Реактор, в котором электроны пучка воздействовали на смесь газов, представлял собой цилиндр длиной 30 см, внутренним диаметром 5 см и объемом 3 л. Для анализа брали низкочастотную гармонику звуковых волн, возникающих в реакторе при инжекции электронного пучка. Температура смеси газов в реакторе измерялась термопарой и составляла 300К. Увеличение температуры при инжекции импульсного пучка электронов составляло 15^o за один выстрел, и за время паузы между импульсами смесь газов остывала до исходной температуры.

Параметры газов, входящих в исследуемую смесь, приведены в таблице. Для исследуемой смеси газов и используемого реактора построена зависимость парциального давления гексафторида вольфрама от частоты звуковых волн, генерируемых в реакторе импульсным пучком электронов (фиг.4). Расчет выполнен по формуле при точечном значении, равном 1.

Увеличению частоты звуковых волн в реакторе с 344 до 354 Гц за 28 импульсов электронного пучка (см. фиг.3) соответствует убыль гексафторида вольфрама с 120 до 106 Торр (см. фиг.4).

Одновременно с контролем изменения фазового состава в реакторе по частоте звуковых волн производилось измерение массы осажденного вольфрама методом взвешивания контрольной подложки, помещенной в реактор. Масса вольфрама, определенная методом микровзвешивания подложки, составила 0,82 г. Убыль WF₆ из рабочей смеси, определенная способом, описанным в заявке, составила 1,2 г. Различие результатов, полученных разными методами, может быть связано с неоднородным осаждением вольфрама по площади стенок реактора.

Формула изобретения

Способ контроля изменения фазового состава газовой смеси в замкнутом реакторе, включающий измерение давления в объеме реактора, отличающийся тем, что в объеме реактора внешним импульсным энергетическим воздействием в виде импульсного сильноточного пучка энергия электронов которого превышает энергию диссоциации молекул газовой смеси, с длительностью не более 10^-2 с, формируют стоячие звуковые волны, а изменение фазового состава газовой смеси оценивают по изменению парциального давления соответствующей компоненты газовой смеси, определяемого из выражения

где f_зв - частота стоячих звуковых волн в замкнутом реакторе, Гц;
R - универсальная газовая постоянная, Дж/(кмоль•град);
Т - температура газовой смеси, К;
l - длина реактора, м;
γ_i - показатель адиабаты i-той компоненты газовой смеси;
μ_i - молярная масса i-той компоненты газовой смеси;
Р_i - парциальное давление i-той компоненты газовой смеси, торр.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5