Способ определения величины работы выхода электрона Российский патент 2024 года по МПК G01R29/12 G01N27/60 

Изобретение относится к области неразрушающего контроля металлов и сплавов. Способ может применяться в научных исследованиях и различных областях техники, например, в авиастроении.

При производстве, эксплуатации и ремонте авиационной техники важно учитывать энергетическое состояние металлических деталей. От энергетического состояния в значительной степени зависят эксплуатационные свойства металлических деталей. Энергетическое состояние металлов характеризует работа выхода электрона (РВЭ) из их поверхности. Особенно важно определение РВЭ металлических деталей при изучении коррозионных процессов, в трибологии, при нанесении защитных покрытий, при создании неразъемных соединений - сваркой, пайкой, склеиванием и др. Между тем определение РВЭ твёрдых металлических деталей является весьма трудоёмкой задачей.

Определить РВЭ позволяет метод контактной разности потенциалов (КРП), относящийся к электрическому виду неразрушающего контроля. Для вакуума величина КРП связана с РВЭ формулой [1, с. 35]:

e⋅U = А_иэ - А,

где e - единичный заряд электрона, Кл;

U - КРП между металлами контролируемого объекта (КО) и измерительного электрода (ИЭ) датчика прибора измерения КРП, В;

А_иэ - заведомо известная РВЭ ИЭ прибора измерения КРП, эВ;

А - определяемая РВЭ металлического КО, эВ.

Откуда

Недостатком данного метода является то, что обеспечить условия вакуума для измерения КРП и вычисления РВЭ по формуле (1) сложно и дорого.

Известно «Устройство для измерения работы выхода электрона» [2], реализующее метод КРП. Измерительная камера устройства содержит ёмкость с испытуемой конденсированной средой, в которую помещены неподвижные исследуемый образец, эталонный и рабочий электроды. Вне измерительной камеры в устройство введен динамический конденсатор с генератором возбуждения, служащий для модуляции КРП между неподвижными рабочим, эталонным и исследуемым электродами.

Недостатком известного устройства является громоздкость оборудования.

Известен «Способ измерения изменений поверхностного потенциала» [3], согласно которому на обкладки динамического конденсатора, образованного исследуемым образцом и вибрирующим эталонным электродом, подают одновременно постоянное напряжение и синусоидальное напряжение модуляции. Возникающий в цепи конденсатора амплитудно-модулированный сигнал усиливают и подают на У-вход осциллографа, а на Х-вход осциллографа подают напряжение от генератора напряжения модуляции. При этом на экране осциллографа наблюдается амплитудно-модулированный сигнал, огибающие которого представляют две пересекающиеся прямые. По перемещению точки пересечения огибающих судят об изменении поверхностного потенциала, а величину изменения потенциала ΔV определяют по формуле ΔV = U_m X/X_m, где U_v - амплитуда напряжения модуляции; Х - изменение координаты точки пересечения огибающих при изменении поверхностного потенциала на величину ΔV; X_m - максимальное отклонение луча по горизонтали. Технический результат - повышение точности. Недостатком известного способа является сложность методики измерения КРП.

Известно изобретение «Способ определения контактной разницы потенциала и устройство для его осуществления» [4], согласно которому измерение осуществляют путем контакта измерительного электрода с поверхностью исследуемого образца и последующего размыкания электрического контакта. Электрод после размыкания контакта с образцом перемещают с помощью электромеханического средства перемещения в направлении от поверхности образца. В процессе проведения измерений обеспечивают экранирование измерительного электрода с помощью электропроводного экрана, подключенного к общему выводу блока электропитания. Напряжение, фиксируемое на измерительном электроде, усиливают с помощью операционного усилителя. Инвертирующий вход усилителя соединен с измерительным электродом. Неинвертирующий вход усилителя подключен к общему выводу блока электропитания. Усиленный сигнал с выхода усилителя подают на исследуемый образец через электропроводящий корпус, торцевая часть которого образует электрический контакт с образцом. С помощью регистратора напряжения измеряют изменение напряжения на образце в зависимости от расстояния между противолежащими поверхностями образца и электрода. Измеренную зависимость используют в качестве электрической характеристики контактной разности потенциалов для выбранной пары материалов образца и электрода. Недостатком известного изобретения являются большие трудозатраты при определении КРП.

Известно «Комплексное устройство исследования состояния поверхности металла» [5], реализующее метод КРП. Устройство содержит заземленный металлический стол для размещения измеряемой пластины, вибрирующий измерительный зонд, узел электромеханической связи измерительного зонда с электронным блоком выделения измеряемой величины контактной разности потенциала, при этом вибрирующий измерительный зонд выполнен в виде диска с отверстием в центре, а в устройство введена оптическая система и видеокамера, расположенные напротив отверстия в измерительном зонде, оптическая система содержит расположенные на оптической оси, совпадающей с центром отверстия в вибрирующем электроде и объективом видеокамеры, добавочную линзу, а напротив упомянутого отверстия находится светоделительный блок с осветителем, расположенные между добавочной линзой и видеокамерой, соединенной с блоком представления визуальной информации, а значение контактной разности потенциалов определяется с помощью электронного блока выделения измеряемой величины одновременно с оптическим наблюдением поверхности. Недостатком известного устройства является громоздкость конструкции и большие трудозатраты при его применении.

Целью предлагаемого изобретения является разработка простого, малозатратного и высокоточного способа оперативного определения на воздухе РВЭ металлов и сплавов способом.

Техническим результатом, при осуществлении заявляемого изобретения является более точное и производимое с меньшими трудозатратами определение на воздухе РВЭ металлов.

Технический результат достигается тем, что для определения величины работы выхода электрона, на предварительно очищенной от загрязнений поверхности металла или сплава измеряют контактную разность потенциалов относительно никеля, после чего проводят расчёт величины работы выхода электрона металла или сплава по формуле:

А_р=4,733854-0,8573U,

где А_р - расчётная величина работы выхода электрона, эВ;

U - контактная разность потенциалов относительно никеля, измеренная на поверхности металла или сплава, В.

Для определения на воздухе РВЭ применяется устройство измерения КРП металлических деталей авиационной техники [6] с ИЭ из никеля.

Устройство измерения КРП [6], состоит из датчика, а также блока обработки и индикации. Датчик состоит из электромеханической колебательной системы, электромагнитного возбудителя колебаний, буферного усилителя сигнала, снимаемого с динамического конденсатора, образуемого ИЭ и поверхностью КО.

Блок обработки и индикации состоит из усилителя сигнала, микропроцессора основной обработки сигнала, управления и индикации, жидкокристаллического индикатора отображения информации, а также блока питания с аккумулятором.

При измерении КРП датчик прикладывают к поверхности КО (фиг. 1). В состоянии покоя зазор между ИЭ и КО датчика составляет 0,4 мм. Измерительный электрод представляет собой круглую никелированную пластину диаметром 4 мм. Работа выхода электрона никеля известна и составляет 4,50 эВ. Для того чтобы при изменении ёмкости в динамическом конденсаторе возникал полезный сигнал, на ИЭ подается напряжение компенсации, а на КО через цилиндрический контакт (корпус датчика) подается 0 В («земля»).

Конденсатор называется динамическим потому, что ИЭ совершает возвратно-поступательные движения с частотой 410 Гц. Механические колебания ИЭ задаются микропроцессором основной обработки сигнала, управления и индикации, тактируемым от кварцевого резонатора. Для получения мощности, требуемой для приведения в движение электромеханической колебательной системы датчика, служит усилитель колебательной системы.

Поступающий от датчика сигнал, пройдя основной усилитель с предварительной фильтрацией полезного сигнала, обрабатывается в микропроцессоре основной обработки сигнала, управления и индикации. Результатом данной обработки является напряжение компенсации, которое подается на ИЭ для получения нулевого эффективного значения напряжения полезного сигнала. Величина напряжения компенсации и является значением искомой нами КРП. Полученное значение КРП выводится на жидкокристаллический индикатор отображения информации.

Необходимо определить формулу вычисления РВЭ по результатам измеренной на воздухе КРП между КО и никелевым ИЭ. Для этого с применением прибора измерения КРП [6] были проведены экспериментальные исследования по определению зависимости РВЭ 16 металлов и их КРП относительно никелевого ИЭ. Исходные данные и результаты исследований представлены в таблице.

Представленные в таблице, в графе 2 табличные значения РВЭ А указаны для поликристаллической структуры металлов. Указанные в таблице металлы нашли широкое применение в технике в качестве конструкционных материалов.

Таблица - Исходные данные и результаты исследований Металл Чистота металла, % РВЭ А, эВ Измеренная КРП U, В Рассчитанная РВЭ по формуле (2) А_р, эВ 1 2 3 4 5 Mg 99,99 3,66 0,9072 3,956 Al 99,99 4,25 0,9214 3,944 Ti 99,50 4,33 0,4216 4,372 Cr 99,70 4,50 0,2094 4,554 Fe 99,99 4,31 0,2423 4,526 Co 99,96 5,00 0,1861 4,574 Ni 99,90 4,50 0,0186 4,718 Cu 99,95 4,98 0,1042 4,645 Zn 99,99 3,63 0,8620 3,995 Zr 99,20 4,05 0,4488 4,349 Mo 99,95 4,60 0,1391 4,615 Ag 99,99 4,50 0,0879 4,659 Sn 99,99 4,42 0,7574 4,085 W 99,95 4,55 0,2294 4,537 Pb 99,99 4,25 0,7402 4,099 Bi 99,99 4,34 0,5699 4,245

Из таблицы видно, что КРП между никелевым образцом и никелевым же ИЭ не равна нулю, и составила, в среднем, 0,1861 В. Это объясняется различием параметров их поверхностей, наличия оксидного слоя.

Перед измерением поверхность образцов последовательно зачищалась наждачной бумагой зернистостью 20, 14 и 10 мкм, промывалась петролейным эфиром и высушивалась 15 мин на воздухе.

Представленные в графе 4 таблицы средние значения измеренной на поверхности образцов КРП U относительно никелевого ИЭ, вычислены по ее 8 измерениям (всего же на каждом образце делали по 10 измерений КРП, при этом минимальное и максимальное значения отбрасывались для исключения промахов).

Анализ результатов экспериментальных исследований по определению РВЭ методом КРП показал, что коэффициент корреляции РВЭ А и КРП U составляет 0,73, что свидетельствует об их высокой корреляции.

Проведён регрессионный анализ результатов исследований, в результате получена линейная формула расчёта РВЭ металлов по результатам измерений КРП U относительно никелевого ИЭ А_р:

Коэффициент детерминации для формулы (2) составляет 0,54, что свидетельствует о заметной зависимости РВЭ от КРП.

Формулы (1) и (2) схожи. В формуле (2) уменьшаемое 4,733854 соответствует значению РВЭ из никеля по аналогии с формулой (1). А коэффициент 0,8573 в вычитаемом показывает уменьшение измеренной на воздухе КРП (увеличение РВЭ) металла, покрытого оксидной пленкой. Формула (2) позволяет более точно определить на воздухе РВЭ по сравнению с формулой (1), которая применяется для условий вакуума.

В графе 5 таблицы представлены результаты расчётов РВЭ чистых металлов по измеренным значениям КРП относительно никелевого ИЭ А_р по формуле (2). Значения А и А_р, представленные, в таблице, имеют коэффициент корреляции 0,74.

Измерению КРП должна предшествовать тщательная очистка поверхности КО согласно способу [7], так как загрязнения значительно увеличивают РВЭ КО.

Кроме того, измерению КРП на металлическом КО также должна предшествовать тщательная поверка устройства измерения, например, по способу [8].

Формула (2) позволяет определить РВЭ для чистых металлов и для многокомпонентных металлических сплавов, в которых доля основного металла составляет более 95 %.

Рассмотрим пример практического применения заявленного нами способа на образце, изготовленном из стали Ст3сп (с содержанием железа около 98 %). Измеренная КРП устройством [6] с никелевым ИЭ на предварительно очищенной и просушенной поверхности плоского образца из Ст3сп размерами 20×20×4 мм составила U=0,3271 В. Подставляем измеренную величину КРП U в формулу (2) и получаем величину РВЭ стального образца А_Ст3, эВ:

А_Ст3 = 4,733854 - 0,8573·0,3271 ≈ 4,4534 эВ.

Полученный заявленным способом результат определения на воздухе РВЭ образцов из Ст3сп показывает несколько большую работу выхода по сравнению с РВЭ чистого железа, представленной в таблице. Полученный в данном примере результат определения величины РВЭ образцов из стали Ст3сп является более точным по сравнению с результатом, вычисленным по формуле (1).

Таким образом, предлагается определять РВЭ металлических КО на воздухе устройством [6] по следующему алгоритму:

1. Подготовка поверхности КО к измерению КРП.

2. Поверка прибора измерения КРП по способу [8].

3. Измерение КРП на поверхности КО.

4. Расчёт РВЭ КО по формуле (2).

Предложенный нами способ является простым, позволяет более точно, с малыми трудозатратами проводить определение на воздухе РВЭ металлов.

Источники информации

1. Гончаренко, В.И. Метод контактной разности потенциалов в оценке энергетического состояния поверхности металлических деталей авиационной техники / В.И. Гончаренко, В.С. Олешко. - М.: Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), 2019. - 160 с. - ISBN 978-5-4316-0631-1. - EDN WVSTND.

2. Авторское свидетельство SU 1823927 от 23.06.1993 г.

3. Патент на изобретение RU 2156983 от 27.09.2000 г.

4. Патент на изобретение RU 2471198 от 27.12.2012 г.

5. Патент на изобретение RU 2674518 от 11.12.2018 г.

6. Патент на изобретение RU 2717747 от 14.08.2019 г.

7. Патент на изобретение RU 2488093 от 20.07.2013 г.

8. Патент на изобретение RU 2758272 от 27.10.2021.

Изобретение относится к области неразрушающего контроля металлов и сплавов. Способ определения величины работы выхода электрона характеризуется тем, что на предварительно очищенной от загрязнений поверхности металла или сплава измеряют контактную разность потенциалов поверенным прибором, имеющим в своем составе датчик и блок обработки и индикации, причем датчик состоит из электромеханической колебательной системы, электромагнитного возбудителя колебаний, буферного усилителя сигнала, снимаемого с динамического конденсатора, образуемого входящим в состав датчика измерительным электродом и поверхностью контролируемого металла или сплава, причем блок обработки и индикации состоит из усилителя сигнала, микропроцессора основной обработки сигнала, управления и индикации, жидкокристаллического индикатора отображения информации, а также блока питания с аккумулятором, и при измерении контактной разности потенциалов датчик прикладывается к поверхности контролируемого металла или сплава, измерительный электрод из никеля в процессе измерения контактной разности потенциалов колеблется, причем механические колебания измерительного электрода задаются микропроцессором, тактируемым от кварцевого резонатора, а после измерения контактной разности потенциалов проводят расчёт величины работы выхода электрона металла или сплава по формуле Ар=4,733854-0,8573U, где Ар - расчётная величина работы выхода электрона, эВ; U - контактная разность потенциалов относительно никеля, измеренная на поверхности металла или сплава, В. Техническим результатом является повышение точности измерений и снижение трудозатрат при определении на воздухе РВЭ металлов. 1 табл.

Способ определения величины работы выхода электрона, характеризирующийся тем, что на предварительно очищенной от загрязнений поверхности металла или сплава измеряют контактную разность потенциалов поверенным прибором, имеющим в своем составе датчик и блок обработки и индикации, причем датчик состоит из электромеханической колебательной системы, электромагнитного возбудителя колебаний, буферного усилителя сигнала, снимаемого с динамического конденсатора, образуемого входящим в состав датчика измерительным электродом и поверхностью контролируемого металла или сплава, причем блок обработки и индикации состоит из усилителя сигнала, микропроцессора основной обработки сигнала, управления и индикации, жидкокристаллического индикатора отображения информации, а также блока питания с аккумулятором, и при измерении контактной разности потенциалов датчик прикладывается к поверхности контролируемого металла или сплава, измерительный электрод из никеля в процессе измерения контактной разности потенциалов колеблется, причем механические колебания измерительного электрода задаются микропроцессором, тактируемым от кварцевого резонатора, а после измерения контактной разности потенциалов проводят расчёт величины работы выхода электрона металла или сплава по формуле

А_р = 4,733854 - 0,8573U,

где А_р - расчётная величина работы выхода электрона, эВ; U - контактная разность потенциалов относительно никеля, измеренная на поверхности металла или сплава, В.