Синтез минералов Том 1 - Хаджи В.Е.
Скачать (прямая ссылка):
Легко учесть влияние высокого давления на показания термопар при давлении до 5 ГПа и температуре 1900 К- В целом результирующая систематическая ошибка складывается из ошибок, определяемых тепловыми потоками по электродам сгт, дрейфом cr<j и влиянием давления ор:
О = Ot+ Od + Op-
326 « ЗІ 54 72 901,\O10
Рис. 108. Погрешности измерения температуры в камере объемом 11,5-IO-6 m3;
о — в центре реакционного объема; б — иа нагревателе; в — в дрейфе термопар XA и ПП-1.
Термопары: / — ПП = 1 0,5 ¦ 10—3 м; 2 — XA 0,5-10-3 м; 3 — XA 0,2- 10-3 м; 4-XA 0,2-10—3 м с электродами, скрученными в спираль, е/еа — величина сигнала термопары относительно его первоначального значення ^
Введение этой ошибки как поправки к отсчетам термопары необходимо для корректного измерения температуры. Случайная составляющая погрешности измерения температуры определяется погрешностью градуировки термопар, инструментальной ошибкой регистрирующего прибора и погрешностью оценок составляющих систематической ошибки. В камерах объемом (2,5—85) • Ю-6 м3 при температурах 600—1900 К случайная составляющая погрешности ± (9—30) К.
Измерения с помощью термопар позволяют получить зависимость температуры в реакционном объеме от подводимой электрической мощности T (W) и использовать ее как калибровку камеры по температуре, при этом производная dTjdW будет характеризовать эффективность нагрева. Конкретный вид зависимости
327 а
1000
1500
700
300
2
4
6
8
tO кВт
Рис. 109. Зависимости температуры в реакционном объеме от электрической мощности (а) при прямом (2, 4, 6) и косвенном (1, 3, 5) нагревах в камерах объемом 2,5-IO"6 <1, 2), 11,5-IO"6 (3, 4) и 85-IO"6 м3 (5, 6); б — влияние плавления металла-растворителя на ход зависимости T (W)
T(W) определяется способом нагрева, размерами реакционного объема, а для прямого нагрева также и электро- и теплофизиче-скими свойствами его содержимого (рнс. 109). Нагрев может осуществляться как прямым пропусканием тока через проводящий реакционный объем (прямой нагрев), так и с помощью установленного в контейнере специального нагревателя (косвенный нагрев). Очевидно, что эффективность прямого способа нагрева ниже, чем косвенного. С увеличением объема камеры величина dTjdW снижается. Для обоих способов нагрева камер различного объема зависимость T(W) хорошо аппроксимируется квадратичной функцией T—aW2 + bW + c, где а, Ь, с — эмпирические коэффициенты. Повышение эффективности нагрева с увеличением температуры, т. е. нелинейность T(W), обусловлено уменьшением (с ростом Т) электропроводности графита — материала нагревателя и основного компонента содержимого реакционного объема. В области рабочих температур 1370—1620 К для камер со сжимаемым пространством 2,5- 10~6; 11,5-10"6 и 85-Ю-6 м3, имеющих геометрически подобные реакционные объемы и нагреватели, средняя эффективность нагрева при прямом способе составляла 0,35; 0,25 и 0,15 К/Вт, при косвенном — 1,3; 0,39 и 0,27 К/Вт соответственно.
Монотонный ход T(W) при прямом нагреве в присутствии слоев металла наблюдается только до температуры его плавления, в момент достижения которой на зависимости T(W) появляется «ступенька», обусловленная поглощением скрытой теплоты плавления (см. рис. 109, б). Так как Тпл металла есть функция давления, положение «ступеньки» на кривой T(W) также зависит от давления. 328 Для эвтектического сплава NiMn начало перегиба при р = 4 ГПа было зафиксировано в интервале 1420—1435 К- После плавления металла температура в камере с увеличением мощности нагрева вновь возрастает, но более плавно, чем в твердой фазе.
С учетом указанных факторов относительная погрешность способа оценки температуры по калибровочным зависимостям T(W) не превышает 4—5%, что несколько выше, чем при использовании термопары. Однако методическая простота делает его предпочтительным при проведении серийных циклов синтеза, а эмпирическая зависимость T(W) позволяет заранее оценить требуемую мощность нагрева камеры. Последнее необходимо также для задания закона при автоматическом регулировании теплового режима синтеза.
Особенности распределения температур и давлений в камере высокого давления
Важнейшей предпосылкой стабильного и воспроизводимого синтеза алмаза в твердофазовой аппаратуре является оптимизация процесса генерации высокого давления и его распределения в сжимаемом объеме. В связи с этим рассмотрим динамику деформации контейнера из литографского камня при создании высокого давления в камере наковальни со сферическими углублениями. Для исследования контейнеры изготавливались составными из концентрических колец с фиксированными границами, радиус кривизны их торцевых поверхностей был близок радиусу углублений в наковальнях. Контейнеры имели различную относительную высоту Л/Я и относительный диаметр d/D (h, d и Я, D — соответственно высота и диаметр контейнера, глубина и диаметр лунки в наковальне). В реакционный объем помещались блоки графита и датчики давления на основе Bi, Tl, Yb. После нагружения и распрес-совки камеры по осевым сечениям контейнеров определялось смещение его отдельных слоев.
