Procesiranje vakuumskih izolacijskih panelov Vacuum Processing of Fiat Thermal Insulating Panels
V. Nemanič, ITPO Ljubljana
Prejem rokopisa - received: 1996-10-04; sprejem za objavo - accepted for publication: 1997-01-17
Kovinske vakuumske posode, v katerih je treba zagotoviti termično izolativni vakuum vsaj nekaj let, zahtevajo izredno skrbno naozorovane postopke priprave in procesiranja. Dopustno puščanje in razplinjevanje sten morata biti v razredu, ki ga sicer zahtevamo za UVV posode. Evakuirana izolativna plošča oz. panel, sestavljen iz dveh folij, med katerima je diskretno podporje, bi imela po izračunu izredne izolacijske lastnosti. Nenavadna oblika vakuumske posode, razmeroma tanka stena in lokalne obremnitve na mestih podpor so pri načrtovanju vakuumskega procesiranja resne zahteve. Pri pripravi vzorcev, posebno še, če smo se jih namenili črpati po cevi z omejeno prevodnostjo, naletimo na dodatne težave. V članku so predstavljene osnovne vakuumske zahteve in teoretične omejitve, ki pogojujejo izbiro in pripravo materiala, postopkov izdelave tesnih spojev in procesa črpanja. Rezultati meritev naraščanja tlaka v preizkusnih panelih so prikazani v primerjavi z literaturnimi podatki za debelostenske posode.
Ključne besede: razplinjevanje vodika, stabilni izolativni vakuum, tankostenska kovinska UVV posoda
Ali metal vessels within vvhich thermal insulating vacuum has to be preserved for some years, must be prepared very carefully regarding cleaning and processing. Limits for leaking and outgassing are practically the same as for UHV chambers. Evacuated panel, consisted from two metal foils supported by discrete supports can exhibit excellent thermal insulating properties. It's unusual shape, thin walls and local mechanical strain restrict conditions at vacuum processing. Preparation of test samples, pumped through tube vvith small conductance, is additionaily troublesome. In the paper, basic vacuum demands, theoretical and practical limitations of material selection, cleaning, vvelding and pumping are given. Measured pressure rise stope of test samples is compared to literature data for thick wall chambers.
Key vvords: hydrogen outgassing, stabte insulating grade of vacuum, ali metal thin vvall UHV chamber
1 Uvod
Vakuumski izolacijski panel, VPI (slika 1) je zaradi ploščate oblike, tankih sten, ki so lokalno močno obremenjene, in dolžine zvara s tehnološkega stališča zahtevna posoda1. Ce naj bo tlak po 10 letih (~108s) v območju 10"4 mbar, mora biti, pri predpostavljenem konstanten dotoku plinov, naraščanje manjše od 10"11 mbar.l/s. Tudi če bi bilo puščanje edini izvir plina, je to izredno ostra zahteva tako s stališča izdelave pločevine kot varjenja. Za dobro pripravljene dele in primerno tehniko spajanja dosežemo pri UVV posodah tesnost, ki je boljša od omenjene meje.
Za doseganje stabilnega vakuuma v kovinskih posodah je razplinjevanje resnejši problem od puščanja. Pri sicer skrbno razplinjenem materialu traja v nespremenjenem obsegu leta in leta. Razlog za to je, da med vakuumskim žarjenjem ali obdelavo in situ med samim črpanjem niti gradienta niti povprečne koncentracije ne znižamo na raven, ki jo nakazuje izračun na osnovi poznane temperaturne odvisnosti difuzijske konstante D. Le to dobimo iz meritev permeacije pri visokih temperaturah in velikih tlačnih razlikah. Ekstrapolacijo za območje sobne temperature napravimo z Arrheniusovim diagramom. Za nerjavno nizkoogljično jeklo (AISI304) -vodik sta: predeksponentni člen D0 = 0,012 cm2/s in ak-tivacijska energija ED = 0,6 eV. V literaturi se za določitev potrebnega časa termične obdelave kovinskih
Dr. Vinccnc NEMANIČ.
Inslitut za tehnologijo površin in optoelektroniko. Ljubljana Teslova 30. I!|| Ljubljana, Slovenija
sten t navaja ocena, ki ja dobimo pri reševanju difuzijske enačbe2:
3C 3t
VC dx2
(D
Če predpostavimo, daje začetna koncentracija vodika poznana (za nerjavno jeklo je enaka C(x,0) = 0,4 mbar.l/cm3), koncentracija na vakuumski in zunanji strani pa je ves čas črpanja enaka nič, C(d,t) = 0, je enačba rešljiva celo analitično. Približek je zadovoljiv za relativne kratke čase. Če vpeljemo brezdimenzijski čas, ali Fourierovo število, definiran z: Fo = D.t/d2, pa dobimo zadovoljivo ujemanje le do Fo < 0,5. V izračunu predpostavimo enako razplinjevanje iz obeh površin, torej je smiselno označiti debelino stene z 2d. Neujemanje med napovedjo z omenjenim izračunom in izmerjenim razplinjevanjem postaja vse večje, čim daljši časi so potrebni za zahtevano dopustno vrednost razplin-
Slika 1: Lokalno podprta evakuirana struktura, VPI, je sestavljena iz kovinskih folij, varjenih po robu; najenostavnejše podpore so lahko krogle
Figure 1: Schematic view of locally supported evacuated structure, named VPI, is composed of two metal foils, welded at periphery and supports, which can be metal or ceramic balls
jevanja. Teorija vakuumskega razplinjevanja je bila v zadnjem času dopolnjena z upoštevanjem rekombinacije na površini, ki skupaj z difuzijo vodika iz materiala določa oz. pojasni izmerjeno dinamiko naraščanja tlaka v UVV posodah3. Enačbo (1) rešujemo s spremenjenim robnim pogojem, ko količino vodika qout, ki izhaja z enote površine, zapišemo:
quu, = Kl • CjU	(2)
Kl je rekombinacijski koeficient, ki makroskopsko opiše odvisnost razplinjevanja od koncentracije. Fizikalna razlaga procesa na atomski skali je, da vodik skozi kovino difundira v atomarni obliki, v stabilni plinasti obliki pa je lahko le kot dvoatomni plin. Za rekombi-nacijo v molekulo se morata atoma srečati na ustreznem mestu in premagati potencialni prag, zaradi česar je proces odvisen od kvadrata koncentracije tik pod površino. Višina praga je odvisna od nečistoč, ki so prisotne v majhnih koncentracijah, (lahko manj od mo-noplasti). Še tako skrbno čiščenje pred črpanjem pusti vezane sledi kisika, ogljika, žvepla itd, ki jih ne odstranimo popolnoma niti z dolgotrajnim žarjenjem.
Pri meritvah razplinjevanja pri konstantni temperaturi dobimo iz enačbe (2) produkt Kl in kvadrat koncentracije, torej ni možno določiti nobenega od obeh neposredno. Eksperimentalna težava pa je tudi ta, daje meritev razplinjevanja v območju pod 10"13 mbar l/(s cm2) težavna samo po sebi. Večina podatkov je dobljena po eni izmed dveh metod: dinamični ali statični:
•	Z dinamično metodo meritve padca tlaka na zaslonki ali cevi z znano molekularno prevodnostjo je potrebno zagotoviti izredno natančno umerjena ionizacij-ska merilnika. Upoštevati je potrebno njuno lastno črpanje, ki je primerljivo z dotokom vodika iz sten. Meritev je torej izvedljiva v razmeroma velikih vakuumskih sistemih.
•	S statično metodo z viskoznostnim merilnikom (SRG, spinntng rotor gauge) lahko izvajamo daljši čas na majhnih zaprtih sistemih, saj merilnik ne vpliva na sestavo ali tlak plinov v posodi.
2 Eksperiment
Večina UVV kovinskih posod je danes zgrajena iz 2d = 2 mm debelih sten s prirobnicami, ki so debele 2d = 10 mm in več. Debelina je določena delno iz zahtev za togost sistema, delno iz inercije konstrukterjev misleč, da so debelejše stene tudi bolj tesne. Sprejemljivo dolgi časi pregrevanja sistema privedejo stene do razplinjevanja v območju 10"13 mbar l/(s cm2). Vakuumski izolacijski panel, ki je zgrajen samo iz zelo tanke stene iz ner-javnega jekla (2d = 0,15 mm), bi naj bilo zato možno v enakem času procesiranja razpliniti laže kot posodo z debelo steno. Tudi v primeru nastopa rekombinacijsko omejenega režima je prednost tanke stene še vedno nesporna, saj s postopki, ki so za debele stene še v območju pod lFo, pri panelu že dosegamo lOOFo. Lite-raturnih podatkov za meritev razplinjevanja sten posod,
folija iz ncrjavnega jekla
laserski zvar
lotani spoj
cevka iz nerjavnega jekla
Yt\
,' i

OFHC cev d> = 6mm
priključek na CF16
Slika 2: Shema priključka bakrene cevi (OFHC) na folijo. Spoj med cevjo in podaljškom iz nerjavnega jekla je izveden s trdim lotanjem, spoj med podaljškom in folijo je laserski zvar
Figure 2: Pumping connection to the foil by brazed OFHC copper tube and laser weld to CF16 flange vvith special extension for copper cold seal
ki bi bile predhodno razplinjene do te stopnje, ni bilo mogoče zaslediti.
Za preizkus veljavnosti teorije razplinjevanja, omejenega s površinsko rekombinacijo, smo izdelali serijo vzorčnih VPI s stranico 33 cm oz. skupno površino sten 0,2 m2. Glavni šivni zvar je bil narejen na industrijski napravi za kolutno uporovno varjenje v Metalfleksu, Tolmin. Priključna cev, slika 2 in merilna cev z vrtečo se kroglico, slika 3, sta bili na testni panel privarjeni z laserskim zvarom, IEVT, Ljubljana. Vzorci so bili, po predhodni kontroli tesnosti s helijevim merilnikom netesnosti v področju 10"9 mbar.l/ (s.cm2), črpani s turbo-molekularno črpalko pri 265°C. Izbrana dva vzorca sta bila črpana 24 in 68 ur, kar so dokaj normalne razmere pri pregrevanju kovinskih UVV sistemov. Končni tlak ob hladni zavaritvi bakrene črpalne cevi je bil v obmoju 10"6 mbar. Tlak je bil določen s končnim tlakom črpalnega sistema, ki predhodno zaradi polimernih tesnil ni bil pregret. V starejši literaturi je bil pogoj, da material razplin-jujemo pri tlaku, ki je nižji od ravnovesnega tlaka vodika, čemur pa je bilo tudi v našem primeru zlahka zadoščeno, (Sievertov zakon)4. Novejše raziskave pa so
Slika 3: Merilna sonda s ležajno kroglico. Steklena cev je privarjena na kovarsko cev, le-ta pa na folijo, na enak način kot črpalna cev s slike 2
Figure 3: Measuring tube vvith bali bearing. Glass tube is vvelded to Kovar tube. This is vvelded to the foil also by the laser
merilna sonda
/T...................
Tabela 1: Primerjava fizičnih parametrov posod iz nerjavnega jekla (V - prostornina, A - površina, 2d - debelina stene) iz označenih virov, kjer so avtorji izmerili najnižje vrednosti razplinjevanja, z meritvijo na dveh vzorčnih panelih VPI. Postopki obdelave: temperatura in čas žarjenja, temperatura in čas pregrevanja in situ, so podani v brezdimenzijskem Fourierovem času. Stopnja razplinjevanja označene vrste nerjavnega jekla je izmerjenega z dinamično metodo, (lahko s kvadrupolnim spektrometrom, QM) oz. po času nabiranja pri statični SRG metodi. Izbrane so meritve z najnižjimi doseženimi vrednostmi. VF - vakuumska peč, *VR, material je bil pretaljen v vakuumu, SRG - viskoznostni merilnik Table 1: Comparison of physical data (V - volume. A - area, 2d - wall thickness) from given literature data of outgassing of stainless steel chambers compared to results, obtained on o ur VPI samples. Different outgassing procedures, (temperature and time of vacuum firing, time and temperature of in situ bake out) are normalized on the scale of dimensionless Fourier numbers, resulted in given qout. Diffusion constant at selected temperature was calculated for the activation energy Ed = 0.6 eV. Measuring method and type of stainless steel are given, too. QM -quadrupole mass spectrometer, SRG - spinning rotor gauge, VF = vacuum furnace, VR = material was vacuum remelted before processing
V	A	2d	T,t	T,t	Fo	qoui,Hi	material	metoda	
1	m2	mm	(°C), (h)	(°C), (h)		mbarl/(s.cm2)	AISI	tfh)	
8.2	0,2	3+?	600VF(5)	250 (170)	5+0.3	l,1.10"13eq.		SRG, 1000	[6]
4500	20	0.91		150 (240)	10,6	2.10"13	316	QM, 1000	[7]
22,5	0,5	2-3?	100(15) zrak	250 (6)	0,04	4.10'14	316VR*	dinamična	[5]
open	0,2	2	450VF(61)	250 (15)	29+0,3	4.10"13	304	dinamična	[8]
29,7	0,87	3	900VF(2)	250 (72)	13,9+0,1	3.10-'4	316LN	SRG, 670	[9]
30	1	1,9	950VF(2)	200 (48)	43	4.10"13	316LN	dinamična	[10]
0,2	0,2	0,15		265 (24)	60	3.10"l5eq	304	SRG, 2500	
0,2	0,2	0,15		265 (68)	160	3.10'17eq	304	SRG, 2400	
pokazale, da sestava residualne atmosfere v predproce-siranju (segrevanje na zraku) in pri samem črpanju lahko vpliva na jakost razplinjevanja. torej na rekombinacijski koeficient5.
Dobljeni rezultati so vneseni v pregledno tabelo 1, iz katere so razvidni osnovni parametri priprave in dosežene stopnje razplinjevanja, ki so pripeljale do najnižjih vrednosti razplinjevanja. Po rezultatih meritev v literaturi, kjer so vodik lahko določili, sklepamo, da linearno naraščanje tlaka v vzorčnih VPI kaže na vodik. Viskoznostni merilnik nam tega žal ne more potrditi.
3	Rezultati
Rezultati, ki smo jih dobili z viskoznostnim merilnikom na vrtečo se kroglico, (SRG), so podani v tabeli 1, kjer jih lahko primerjamo z najnižjimi vrednostmi iz literature. Dobljene vrednosti so na skali Fourierovega časa med največjimi, z razliko, da smo sistem pregrevali pri razmeroma nizki temperaturi in daje bil vakuum med procesiranjem razmeroma slab. S tem smo lahko vplivali na rekombinacijski koeficient, ki je močno odvisen od fizičnih in kemijskih lastnosti same površine.
4	Sklepi
Napoved potrebnega časa procesiranja (=čiščenje, črpanje ob pregrevanju) vakuumske posode iz nerjavnega jekla, ki naj privede do zmanjšanja razplinjevanja vodika, temelji na osnovi reševanja difuzijske enačbe z različnimi robnimi pogoji. Iz podatkov, izmerjenih na posodah z debelimi stenami, pa ne sledi, da znamo napovedati vedenje tankostenske posode. Danes smo zanje še praktično brez eksperimentalnih podatkov. Razlog je ta, da se pri zniževanju koncentracije vodika v nerjavnem jeklu spreminja mehanizem, ki določa hitrost razplinjevanja. Namesto difuzijsko omejenega preide na
površini v rekombinacijsko omejen režim. To ima za posledico bistveno spremenjeno dinamiko, ki se izraža kot dolgoročno linearno naraščanje parcialnega tlaka vodika, kar je bilo pri debelostenskih UVV posodah v zadnjih letih dejansko izmerjeno z različnimi metodami.
Za steno VPI bi bilo sprejemljivo nizko razplin-jevanje v območju 10"17 mbar.l/(s.cm2), ko tlak v prvih desetih letih ne bi narastel prek dopustne vrednosti 10"4 mbar. V literaturi tako nizkih vrednosti v območju sobnih temperatur ni zaslediti, saj bi bila cena postopkov pri debeli steni verjetno previsoka3. Naše meritve s SRG kažejo, da so tako nizke vrednosti dosegljive, vendar za praktično uporabo v VPI še vedno predrage. Ob spoznanju o težavnosti temeljitega razplinjenja, je umest-neje material razpliniti do stopnje, ki je dosegljiva razmeroma enostavno in poceni. Znižanje tlaka v dinamično črpanih UVV sistemih je, kjer je le mogoče, bolj smiselno doseči s večjo hitrostjo črpalke, pri zaprtih sistemih, kakršen je VPI, pa z uporabo primerne količine getrov1'.
Tankostenske UVV posode brez dodanih prirobnic in drugih debelih sestavnih delov so torej lahko zanimivi preizkusni vzorci za določitev rekombinacijskega koeficienta. Za nerjavno jeklo je zveza med različnimi vrstami obdelave pred (in med) procesiranjem in Kl dokaj slabo poznana. Združitev podatkov površinskih analiz in teoretičnih modelov kaže, da podatkov o stanju površin izredno čistih monokristalov ne moremo vzeti direktno za napoved potrebnega časa za pripravo stene iz nerjavnega jekla. Praktična vrednost eksperimentov, kjer bi lahko spreminjali Kl, pa bi bilo skrajšanje časa in znižanje temperature žarjenja kovinskih komponent.
5 Literatura
'V. Nemanič: Vacuum, 46, 1995, 8-10, 839 2 D. J. Santeler: J. Vac. Sci. TechnoL, A10, 1992, 4, 1879 3B. C. Moore: J. Vac. Sci. Technol., A13, 1995, 3, 545
V. Nemanič: Procesiranje vakuumskih izolacijskih panelov 4R. J. Elsey: Vacuum, 25, 1975, 8. 299
5	Y. Ishikawa, T. Yoshimura: J. Vac. Sci. Technol., A13, 1995, 4. 1847
6	A. S. Berraan, J. K. Fremerey: J. Vac. Sci. Technol. A5, 1987, 4, 2436
7	J. R. J. Bennett, R. J. Elsey: Vacuum, 43, 1992, 1-2, 35
"J. R. Young: J. Vac. Sci. Technol., 6, 1969, 3, 398 9 K. Jousten: Jour. Vac. Soc. of Japan, 37, 1994, 9, 14 10H. C. Hseuh, X. Cui: J. Vac. Sci. Technol., A7, 1989, 3, 2418 11 B. Ferrario: Vacuum, 47, 4, 1996, 363