Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ЧИСТОТЫ ПОВЕРХНОСТИ ОБЪЕКТОВ

Изобретение относится к области измерительной техники и может найти применение в вакуумном и электронном приборостроении, ядерной технике и других областях, где предъявляющих высокие требования к чистоте поверхности изделий, работающих в условиях контролируемой внешней среды, в частности очень жестких требований к поверхностям катодов для приборов ночного видения, к стенкам вакуумных камер и приборов в установках термоядерного синтеза, поверхностям приборов для измерения вакуума, и может быть использовано при давлениях в диапазоне 10⁵-10^-10 Па, при влажности рабочей атмосферы в диапазоне 0.1-0,95 RH и температурах от -40 до +150°С.

Требования к чистоте поверхности зависят от уровня реализуемой технологии и параметров изготавливаемого изделия. На практике применяется большое количество различных методов по оценке качества очистки поверхностей деталей. Существуют разновидности фотометрического метода, дифракционный метод, масс-спектрометрический метод, различные электрохимические методы, радиохимические, электронная Оже-спектроскопия, метод локального рентгеновского анализа, вторичной ионной масс-спектроскопии сканирующей зондовой микроскопии (см., например, патент РФ №2515117, МПК G01N 19/08, 2012 г., опубл. заявку РФ №2007108635, МПК G01N 13/02, 2007 г., патент РФ №2358249, МПК G01L 19/06, 2005 г., патент РФ №2380684, МПК G01N 13/02, 2008 г. и др.). Методы, основанные на смачиваемости поверхности пластин жидкостями, позволяют фиксировать физическую неоднородность поверхности, обнаруживать органические загрязнения.

Указанным методам присущи недостатки: малая чувствительность при низких концентрациях загрязнений.

Известно техническое решение, описывающее устройство контроля плоских поверхностей пластин, содержащее пластину с исследуемой поверхностью, установленную с возможностью движения между неподвижными базовой пластиной и прижимной неподвижной полированной пластиной, стойку, на которой закреплены подвижная и неподвижные пластины, выполненные полированными, упругие пластины, одна из которых соединена с прижимной пластиной и обеспечивает силу прижатия, а вторая через соединительный элемент с исследуемой пластиной и обеспечивает силу страгивания, тензодатчики, установленные на упругих пластинах, пьезобиморфрые приводы, соединяющие тензодатчики с базой, измерительный блок выполнен в виде измерителей силы прижатия и силы страгивания (см. заявку РФ №2016105979 от 20.02.2016 г., МПК G01N 19/02). Указанное устройство позволяет измерять чистоту поверхностей приборов и механизмов, работающих в широком диапазоне давлений (10⁵-10^-10 Па), и в условиях изменения влажности рабочей атмосферы в диапазоне 0.1-0,95 RH, за счет одновременного измерения рабочего давления (вакуум) и коэффициента покрытия поверхности сорбатом, т.е. ее загрязнения молекулами сорбированных газов. Для устранения влияния температуры, возникающей при трении - движения пластин, устройство устраняет динамическую составляющую силы, возникающую при страгивании образцов с точек контакта.

Однако измеряемый коэффициент покрытия поверхности исследуемой пластины сорбатом - слоем, состоящим из молекул сорбированных газов, является многопараметрической функцией, зависящей от температуры, давления, влажности, химического состава поверхности, что проявляется через энергию адсорбции Е_а, характерную для каждой пары «газ - твердое тело». Изменения каждого из указанных параметров сказывается непосредственно на достоверности результатов измерений. Кроме того, ограниченность и невоспроизводимость реальных объектов исследования также сказывается на достоверности результатов, поскольку в устройстве предполагается использование пластин, выполненных из одного материала: либо из кварца, либо из кристаллического кремния, хотя реальные объекты могут иметь различный состав поверхностей и могут не соответствовать материалу, используемому потребителем устройства.

Технической задачей, поставленной в настоящем изобретении, является разработка устройства, измеряющего чистоту поверхности изделий и работающего в широком диапазоне давлений (10⁵-10^-10 Па), в условиях изменения температуры от -40 до +150°С и в условиях изменения влажности рабочей среды в диапазоне 0.1-0,95 RH. Повышение достоверности результатов измерений для объектов, имеющих разные Е_а, позволяет использовать их в вакуумной технике, электронике, точном приборостроении, в аэрокосмическом машиностроении, химической, нефтегазовой и в других отраслях промышленности.

Для реализации поставленной технической задачи в устройство контроля чистоты поверхности объектов, содержащее последовательно расположенные последовательно полированные неподвижную прижимную пластину, подвижную пластину с исследуемой поверхностью, неподвижную базовую пластину, стойку, на которой закреплена неподвижная базовая пластина, упругие пластины, одна из которых соединена с прижимной пластиной и обеспечивает силу прижатия, а вторая, через соединительный элемент, прикреплена к исследуемой пластине и обеспечивает силу страгивания, тензодатчик, установленный и закрепленный на второй упругой пластине, пьезоприводы, связывающие упругие пластины с базой, измеритель силы страгивания, соединенный с тензодатчиком, введены блок измерения давления, блок измерения давления насыщающих паров, блок измерения температуры, блок измерения влажности, блок задания режима, спецвычислитель, при этом на поверхности пластин нанесены тонкие полированные пленки, имеющие энергию Е_а адсорбции, идентичную исследуемой поверхности, выходы блока измерения давления, блока измерения давления насыщающих паров, блока измерения температуры и блока измерения влажности соединены с входами блока задания режима, а выходы измерителя силы страгивания и блока задания режима подключены к входам спецвычислителя.

Изобретение поясняется чертежами, где изображены:

на фиг. 1 - устройство контроля чистоты поверхности объектов;

на фиг. 2 - зависимость силы страгивания (коэффициента страгивания) от давления Р (кривая «а») и как функция коэффициента покрытия поверхности сорбатом Θ (кривая «б»);

на фиг. 3 - зависимость силы страгивания (коэффициента страгивания) от температуры Т (кривая «а») и как функция коэффициента покрытия поверхности сорбатом Θ (кривая «б»);

на фиг. 4 - зависимость силы страгивания (коэффициента страгивания) от влажности окружающей среды RH для различной температуры (кривая «а») и как функция силы страгивания от коэффициента покрытия поверхности сорбатом Θ (кривая «б»).

Устройство контроля чистоты поверхности объектов (фиг. 1) содержит полированные неподвижную прижимную пластину 1, исследуемую подвижную пластину 2, неподвижную базовую пластину 3, закрепленную на основании стойки 4, на поверхности которых нанесены тонкие пленки толщиной 1-3 нм, повторяющие профиль исходной поверхности с энергией адсорбции Е_а, идентичной энергии поверхности контролируемого изделия, упругую пластину 5 для создания силы страгивания F_T, упругую пластину 6, соединенную с прижимной пластиной и обеспечивающую силу прижатия F_N, тензодатчик 7 для измерения силы страгивания F_Т, соединительный элемент 8, пьезопривод 9 страгивания, пьезопривод 10 прижатия, база 11, блок 12 измерения силы страгивания F_Т, блок 13 измерения давления (Р), блок 14 измерения давления насыщающих паров (P_L), блок 15 измерения температуры (Т), блок 16 измерения влажности, блок задания режима 17, спецвычислитель 18, входы которого подключены к выходу блока 12 измерения силы страгивания F_T и выходу блока 17 задания режима, упругие пластины 5 и 6, как и приводы 9 и 10, расположены перпендикулярно друг другу.

Принцип работы устройства основан на использовании трех гладких пластин: одной подвижной - исследуемой 2, с нанесенной на нее тонкой пленкой, повторяющей профиль исходной поверхности и с энергией адсорбции Е_а, характерной для исследуемого объекта. Химический состав и адгезионные свойства поверхности пленок, нанесенных на рабочие элементы устройства, идентичны объекту изучения.

Для случая изменения состава и свойств поверхности контролируемого объекта у потребителя устройства имеются сменные пластины с соответствующим покрытием. Использование сменных запасных пластин вместо исходных может обеспечить достоверность измеряемых результатов, что позволяет производить быструю замену рабочих элементов (пластин) самим оператором без использования специального инструмента.

Параметр Е_а по требованию потребителя обеспечивается созданием на поверхностях всех пластин слоев заданного материала. Так:

для пары железо-водород Е_а=50,8-55,7 10^-8 Дж/кмоль;

для пары никель-водород Е_а=24,7 10^-8 Дж/кмоль;

для пары нержавеющая сталь-водород Е_а=10,7 10^-8 Дж/кмоль;

для пары медь-водород Е_а=760,7 10^-8 Дж/кмоль;

для пары железо-кислород Е_а=17,5 10^-8 Дж/кмоль;

для пары медь-кислород Е_а=33,5 10^-8 Дж/кмоль.

Две неподвижные пластины 1 и 3 в плоскости их взаимных контактов с поверхностью пластины 2 (см. фиг. 1), прижимаемые пьезоприводом 10 к исследуемой подвижной пластине 2, создают нормальную (и при этом одинаковую) силу прижатия F_N - нормальную нагрузку сразу в двух плоскостях. Тангенциальная сила страгивания F_T, инициирующая начало движения исследуемой подвижной поверхности пластины 2, обеспечивается пьезоприводом 9 страгивания. С помощью пьезопривода 9 страгивания через упругую пластину 5 задается движение пластины 2. Сила прижатия F_N обеспечивается через упругую пластину 6 пьезоприводом прижатия 10. Вследствие перемещения пластины 2 сменяются зоны контакта всех пластин, измеряется сила страгивания F_T, являющаяся функцией коэффициента покрытия, т.е. показателя покрытия поверхностей сорбатом. При измерении силы страгивания выделяется та составляющая, которая зависит только от количества слоев молекул, сорбированных на поверхностях и выступающих как «загрязнениие», поэтому устройство использует образцы с гладкими поверхностями, где «механическая» составляющая от срезания микронеровностей минимальна, а измерения проводят в момент страгивания поверхностей образцов с точки зрения статического контакта. Поэтому в качестве пары контакта для измерения были выбраны полированные пластины, покрытые тонкими пленками с энергией адсорбции Е_а идентичной поверхности контролируемого объекта и обеспечивающие наибольшую поверхность контакта поверхностей.

Сила F_T позволяет определить коэффициент покрытия поверхности сорбатом. Коэффициент покрытия поверхности сорбатом или количество слоев сорбата на поверхности может быть найдено по уравнению БЭТ (С. Брунауэра, П. Эммета и Е. Теллера (БЭТ) (см. Saul Dushman, Scientific Foundations of Vacuum Technique, New York-London, John Willey & Sons, Inc., 1962), работающем в широком диапазоне давлений: от атмосферного и до давления на 15 порядков ниже атмосферного):

где Θ - коэффициент покрытия поверхности сорбатом или количество слоев сорбированных молекул на поверхности;

Р - давление;

P_L - давление насыщающих паров сорбата;

Е_а - энергия адсорбции;

E_L - теплота парообразования (конденсации) сорбата;

R - универсальная газовая постоянная;

Т - температура поверхности твердого тела (сорбата).

Как следует из формулы, коэффициент покрытия поверхности сорбатом является функцией давления Р в газовой среде над поверхностью, давления P_L насыщающих паров сорбата, энергии адсорбции Е_а и теплоты парообразования (конденсации) сорбата E_L (определяет показатель относительной влажности RH).

В зависимости от указанных параметров и сил страгивания, возникающих при движении пластин 1, 2 и 3, возможно определить необходимый режим измерений, учитывающий необходимый диапазон давлений, и зависимость силы страгивания F_T от давления Р и от коэффициента покрытия Θ (см. фиг. 2), зависимость силы страгивания от температуры Т и от коэффициента покрытия Θ (см. фиг. 3) и зависимость силы страгивания от влажности окружающей среды RH и от коэффициента покрытия Θ (см. фиг. 4). Для устранения зависимости Θ от вышеперечисленных параметров и повышения достоверности результатов в процессе контроля потребителем задается необходимый режим измерения в блоке 17, и соответствующие им параметры вводятся в спецвычислитель 18.