Ампула для измерения давления пара над расплавами Советский патент 1985 года по МПК G01N25/10 

Изобретение относится к области физико-химического анализа веществ и может найти применение в исследованиях термодинамических свойств раплавов, характеризующихся инконгруэнтным характером испарения.

Известна ампула для исследования давления насыщенного пара расплавов, представляющая собой кварцевую трубку с одного конца с небольщим выступом для фиксаций заглушки, исполняющей роль эффузионного канал (капилляра) ll.

Однако,обладая предельной простотой конструкции, ампула не обеспечивает оптимальных условий массопёреноса при испарении и постоянстве состава расплава в процессе испарения, что не позволяет использовать ее при измерениях давления насыщенного пара над инконгруэнтно испаряющимися расплавами методом точек кипения смесей.

Наиболее близкой к изобретению является ампула для измерения давления пара, содержащая рабочую камеру для исследуемого вещества и капилляр, который представляет собой графитовую пробку с калиброванным отвё;рстием Г2.

Недостатком известной ампулы является необходимость применения электромагнитного фиксатора, дающего возможность частично избавиться от ухода по составу путем фиксации ампулы в холодной зоне во время установления температуры в общем объеме печи, тем самым уменьшая время инконгруэнтного испарения. Однако это не дает возможности избавиться от ухода по составу во время установления температуры расплава ( после забрасывания ампулы в горячую зону). Кроме того, для получения равновесных значений давления насьщенног пара необходимо установление термодинамического равновесия между расплавом и паром. Это условие трудно обеспечить при исследовании инконгруэнтно испаряющихся расплавов, где применяется данная ампула, поскольку пары вещества, проходящие через капилляр, осаждаются в холодной части ампулы и равновесие не наступает. Для предотвращения этой перекачки материала из рабочей камеры через капилляр необходимо создавать обратный температурньй

градиент и уменьшать диаметр капилляра. В последнем случае возникает сложность учета градиента давления на входе и выходе капилляра, что снижает точность измерений.

Целью изобретения является повышение точности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что ампула для измерения давления пара над расплавами, содержащая рабочую камеру для исследуемого вещества, соединенную с капилляром, дополнительно содержит второй капилляр и демпферную камеру, о одной стороны соединенную через первый капилляр с рабочей камерой, а с другой - с вторым капилляром, другой конец которого запаян.

Введение демпферной камеры с вторым капилляром создает дополнительное газодинамическое сопротивление. Кроме того, использование этой ампулы позволяет более точно фиксировать изменение температуры расплава в процессе закипания, поскольку устранен паразитньй тепловой переход алунд - кварц между термопарой и расплавом, имеющийся в известном устройстве.

На чертеже показана ампула в рабочем положении.

Ампула содержит рабочую камеру 1 . для исследуемого вещества, соединенную с демпферной камерой 2 посредством капилляра 3. Демпферная камера 2 соединяется с одной стороны с рабочей камерой 1, а с другой стороны - с вторьм капилляром А, запаян-ным с противоположного конца, на котором ненесена риска 5. В рабочей камере 1 имеется углубление под дифференциальную термопару 6. Ампула помещается в металлический блок 7, который держится на кронштейнах 8. Шток 9 зацепляется за конец эффузионного канала. Вся конструкция помещается под кварцевым колпаком 10 в нагревательную камеру 11. Диаметры капилляров составляют 0,5 мм. Ампула изготовлена из кварца.

Исследуемое вещество загружается в ампулу, после чего ампула откачивается до 10 Па и отпаивается с формированием втброго капилляра 4, на котором наносится риска 5 с помощью алмазного диска для облегчения вскрытия ампулы во время измерения. Затем ампула помещается внагрева3тельную камеру 11 для измерения да ления пара, соединенную с вакуумной системой и системой подачи инертного газа (не показано). Нагревательная камера 11 заполняется арго ном и производится нагрев ампулы. После расплавления вещества оно че рез капилляр 3 иЭ демпферной камеры 2 затекает в рабочую камеру 1, поскольку до этого ампула была вакуумирована. Нагрев производится до н обходимой температуры, затем ампула вьщерживается при этой температуре для установления термического равн весия. Измерение давления пара проводит ся методом точек кипения смесей, основанном на закипании расплава при равенстве давлений насыщенного пара и внешнего давления в ампуле. При достижении термического равновесия начинается откачка камеры с помощью форвакуумного насоса (не показан) и одновременно вскрывается капилляр 4 по нанесенной риске 5 движением штока 9, который введен в камеру 11 посредством уплотнения Вильсона. Поскольку давление в демп ферной камере 2 равно давлению насьщенного пара исследуемого вещества, которое заведомо ниже давления в камере, при вскрытии второго капилляра А происходит засасывание аргона через капилляр в демпферную камеру, в которой направленный поток аргона разрушается и не вызывает температурного возмущения распла ва. В это же время пары исследуемог вещества не могут диффундировать в объем камеры 11 до тех пор, пока давление в демпферной камере 2 .не выравняется с давлением в нагревательной камере 11, что позволяет избавиться от ухода по составу. Капилляр 4 играет при этом двоякую роль: с одной стороны предотвращает влияние засасываемого аргона в момент вскрытия ампулы, а с другой стороны создает оптимальные условия массопереноса, связанные с более 234 точной фиксацией начала кипения расплава. При достижении равенства давления в камере 11 и давления насыщенного пара расплав.. в рабочей камере 1 закипает и за счет интенсивного испарения охлаждается, что фиксируется дифференциальной термопарой 6. Изменение давления в системе с помощью датчика давления (не показан) и сигнал с дифференциальной термбпары подаются на двухкоординационный самописец (не показан). Момент закипания берется по началу отклонения дифференциальной кривой от прямого участка, что соответствует началу кипения расплава. Использование предлагаемой ампулы позволяет измерять равновесные значения давления насьш1енного пара расплавов, которые испаряются с изменением состава, так как практически исключена возможность испарения расплава до момента закипания. Кроме того, измерение с помощью предлагаемой ампулы позволяет полностью заменить трудоемкий метод измерения давления инконгруэнтно испа--. ряющихся расплавов с помощью мембранного нуль-манометра, изготовление которьк требует сложных кварцедувных работ с последующей тарировкой мембраны. Использование мембранного нульманометра имеетограничение по температуре, что определяется потерей упругих свойств кварцевой мембраны вьше температуры , в то время как предложенная конструкция ампулы позволяет измерять давление насыщенного пара вплоть до температур размягчения кварца 1250 С, что позволяет расширить температурный диапазон исследования. Предлагаемая ампула позволяет измерять давление насьш1енного пара над более широким классом расплавов, полупроводниковьгх многокомпонентных систем, для которых характерен инконгруэнтный характер испарения.

АМПУЛА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ ПАРА НАД РАСПЛАВАМИ методом точек кипения смесей, содержащая рабочую камеру для исследуемого вещества, соединенную с капилляром, о тли чающаяся тем, что, с целью повьшения точности измерений, она дополнительно содержит второй капилляр и демпферную камеру, с одной стороны соединенную через первый капилляр с рабочей камерой, а с другой - с вторым капилляром, другой конец которого запаян. (Л