Введение к работе
Актуальность темы. Осооенности испарения щелочных металлов, в частности лития, при низких давлениях остаточных газов вакуума и температурах, близких к точке плавления, представляют научный и практический интерес. Фундаментальная важность проблемы определяется неизученностью кинетических особенностей испарения лития и других щелочных металлов при наличии а вакууме химически активных газов, способных влиять на скорость испарения при ззаимодей-ствии с поверхностью жидкого металла. Основным следствием этого взаимодействия является непрерывное уменьшение скорости испарения во времени, что не позволяет описывать процесс з рамках известных соотношений. Механизм испарения лития в указанных условиях с реноменодогической точки зрения ранее не изучался.
С практическое точки зрения важность указанной проблемы определяется всё более широким использованием расплавов щелочных металлов, и главным образом лития, в современной технике, например, л установках управляемого термоядерного синтеза, в сорбцион-1ых насосах, в ядерных энергетических установках (ЯЗУ) и т.д. } свпзА с этим зопросы испарения, а также сорбции газов расплав-іенїшм щелочнкм-металлом приобретают особую актуальность. Для жсперлментального решения поставленной задачи необходимы сред-)тва измерения сверхмалых давлений паров (атомарных пучков) лития.
Детектирование паров лития и других щелочных металлов в ва-:ууме представляет самостоятельную научно-техническую задачу к іастояцеиу времени до конца не решённую. Известные к началу дан-!ого исследования способы и средства не позволяли развивать дос-?аточно высокую чувствительность при малой массе, энергопотреб-іении и габаритах аппаратуры, что имеет большое значение на практике, например, в космических исследованиях при обеспечении без-іварийном работы бортовых ядерных реакторов, использующих це-ючные металлы и их сплавь: в качестве теплоносителя.
Обеспечение надёжности наземных и космических ЯЭУ в настоя-іее время представляется чрезвычайно зажной практической задачей і связи с необходимостью зо'циты окружающей среды от ядерных и хи-'ических загрязнений и обеспокоенностью широких кругов общестзен-ости по этому поводу. Следует отметить, что работа явилась час-ъ» НИР по созданию систем контроля эксплуатационной герметичнос-и теплотранспортнкх модулей, поэтому создание средств, риг одних для контроля надёжности некоторых элементов ЯЗУ, также
явилось одной из основных целей данной работы.
Для детектирования паров щелочных, металлов наиболее перспективным представляется использование твердотельных полупроводниковых приборов, сочетающих высокую чувствительность с высокими эксплуатационными показателями. Однако к моменту начала данной работы полупроводниковые1 детекторы щелочных металлов практически не изучались, хотя перспективы их использования обсуждались.
Исходя из перечисленных 'задач, следует выделить основные цели и этапы данной работы;
-
Обзор достижений по исследованию испарения и детектированию паров щелочных металлов;
-
Подготовка и выполнение опытов по испарению лития в вакууме при температурах, близких к точке плавления, создание физико-химической модели этого процесса;
-
Исследование метрологических характеристик вновь создаваемых детекторов паров щелочных металлов;
-
Разработка принципиальных и монташшх схем, отладка уз-лоз систем контроля эксплуатационной герметичности теплотранспорт-ных модулей, выполнение монташшх, пуско-наладочных работ и обработка результатов испытаний.
Научная новизна диссертационной работы определяется следующими достижениями:
-
Впервые получена экспериментальная кинетическая зависимость скорости испарения жидкого лития вблизи точки плавления при низком давлении остаточных газов вакуума. Предложена физико-химическая модель испарения и окисления лития в указанных условиях.
-
Получены экспериментальные зависимости изменения электропроводности кремниевых чувствительных элементов детекторов при воздействии парами лития и натрия. Рассмотрены физико-хишческие процессы на поверхности полупроводников при взаимодействии с атомами щелочных металлов. Показана возможность и перспективность использования монокристаллического кремния з качестзе материала чувствительных элементов детекторов паров щелочных металлов.
-
Исследозанн особенности детектирования паров лития и натрия в вакууме методами пламенной фотометрии с использованием конденсационных мишеней, термоэмиссии, термоионизации и -полупроводниковых датчиков. Разработаны элементы конструкций новых средств детектирования.
Практическое значение работы определяется следующими достижениями:
-
Установленная закономерность испарения и окисления гшд-кого лития з вакууме дополняет представления о его поведении при использовании для откачки потоков заряжённых частиц з установках термоядерного синтеза, а такке з качестве калельно-жидкого теплоносителя з космических ЯЭУ. Знание особенностей испарения и окисления лития и других целочных металлов имеет такяе больше значение при изучении других процессов преобразования энергии, например, с помощью термоэмиссионных генераторов, жядкометаллических МГД - генераторов, ионно-плазмеиных двигателей, а такке з технологических процессах при производстве некоторых типов электровакуумных приборов.
-
Полученные результаты использованы при создании оригинальных высокочувствительных детекторов пароз лития и натрия з вакууме, не тлеющих аналогов в мировой практике.
-
Разработанные узлы детекторов, блоки обеспечения их работоспособности и регистрации сигналов нашли пршленение при создании оригинальных систем контроля герметичности высокотемпературных тсилотранспортшх ;л5Дісометащшческих модулей космических ЯЭ7, которые позволили решить проблему раннего обнаружения утечек щелочно-металлического теплоносителя при испытаниях в наземных условиях. Системы прошли длительные испытания и нашли пршленение з НПО "Энергия" (Ыинобщемащ СССР), на Заводе электромеханического оборудования (ыинередмаш СССР) и в Институте атомной энергии им. И.В .Курчатова (г.Москва).
Главные интелектуальные и технические достижения, определившие основные результаты диссертационной, работы:
-
Разработка и изготоаяение некоторых узлов и деталей экспериментальной установки, её запуск, отладка и реализация методики юлучения необходимых вакуумных условий.
-
Разработка конструкции лабораторных образцов термоакпеси-энного и термоионизационного детекторов пароз щелочных металлов, а raicxe блоков задания реяимов и измерения малых токоз для регистрации сигналов.
-
Модернизация узлов пламенного фогомтра, создание на его зеноэе установки для анализа микроколичестз щелочных металлов.
разработка и отладка методики анализа.
-
Экспериментальное исследование испарения и окисления лития в вакууме, построение физико-химической модели этих процессов.
-
Разработка и изготовление нескольких вариантов блоков . управления режимами и автоматизированной регистрации показаний
полупроводниковых датчиков.
-
Получение экспериментальных кинетических зависимостей при воздействии парами щелочных металлов на детекторы различных типов, изучение влияния внешних факторов на показания детекторов, выполнение градуировочных опытов.
-
Обоснование концепции, разработка конструкции, изготовление и испытание комбинированного вакуумного термоэмиссионно-термоионизационного детектора паров щелочных металлов.
-
Разработка принципиальных и монтажных схем систем контроля эксплуатационной герметичности, выполнение монтажных, пуско-на-ладочных работ и обработка результатов испытаний.
Апробация. Результаты работы доложены на Первой Всесоюзной конференции' по анализу неорганических газов (г.Ленинград, 1983); Всесоюзном симпозиуме по физике поверхности твердых тел (г.Киев, 1983); Всесоюзной научно-технической конференции "Физико-химичес-' кие методы и инженерно-технические решения в газоаналитическом приборостроении" (г.Одесса, 1984); Ш Всесоюзной конференции по динамике разреженных газов (г.Москва, 1985); ІУ конференции молодых учёных-химиков (г.Минск, 1988); Всесоюзной конференции "Химические сенсоры - 89" (г.Ленинград, 1989); Второй Всесоюзной конференции по анализу неорганических газоз (г.Ленинград, 1990); Отраслевой юбилейной мездународной конференции "Ядерная энергетика з космосе" (г.Обнинск, 1990), а также неоднократно докладызались на конференциях "НИК физико-химических проблем и химического факультета Белгосунизерситета, заседаниях лаборатории физической химии твердого тела НИИ ФХП БГУ.
Объем и структура диссертации.