Чистота и малое газовыделение поверхностей становятся все более важными задачами промышленной индустрии. Уже понятно, что вакуумные технологии накопили потребности изучения процессов обезгаживания, которые подталкиваются задачами ускорительной (ядерной) техники. Понятие чистоты поверхности актуально не только в вакуумных, ядерных, космических, электронных отраслей промышленности, но интересно даже для Международного союза вакуумной науки, техники и применения (IUVSTA), т. к. было выдвинуто основной темой семинара IUVSTA, который состоялся в 2015г. в городе Chester, UK. На семинаре обсуждались вопросы по уменьшению процессов газовыделения, их измерению и калибровке, а также важность решения задачи — создание устройств для определения чистоты поверхности в оборудовании ядерной техники.
Вопрос, поставленный авторами: с помощью современных технических средств измерить количество слоев сорбата на поверхности.
Ключевые слова: динамическое трение, коэффициент чистоты поверхности, молекула, потенциал Леннарда-Джонса, пьезобиморф, сила страгивания, собрат, статическое трение.
С первого взгляда, такой вопрос кажется абсурдным, т. к. диаметр молекулы ~0.3нм. Известны средства для измерения профиля поверхности на атомарном уровне AFM (атомно-силовой микроскоп) и STM (сканирующий туннельный микроскоп), но они не позволяют измерять количество слоев сорбата на поверхности. Необходимо найти прикладное решение, позволяющее доступными методами решить поставленную задачу. Таким методом является изменение силы связи молекулы с поверхностью твердого тела, по которой можно судить о характере загрязнения. Чтобы выйти из этой сложной ситуации, достаточно вспомнить потенциалы межмолекулярного взаимодействия, которые позволяют определять энергию взаимодействия молекулы с поверхностью твердого тела. При решении задач, требующих знания потенциалов межмолекулярного взаимодействия, широко используются простые модельные потенциалы с параметрами, находимыми из эксперимента. Простая форма потенциала облегчает аналитическое решение задачи. При этом вид потенциала, как правило, основывается на теоретических представлениях о наиболее важных вкладах для рассматриваемого типа взаимодействий. В последние годы в связи с развитием электронно-вычислительной техники стали использоваться и более сложные потенциалы с большим числом параметров. В работе авторы применили обобщенный парный потенциал Леннарда-Джонса [1]. Наиболее часто используется так называемый потенциал 12–6, записанный в форме
(1)
где 
глубина потенциальной ямы,
значение, при котором
=0.
Согласно атом-атомному приближению [2], для того чтобы рассчитать потенциальную энергию U межмолекулярного взаимодействия молекулы с твердым телом, необходимо провести суммирование атом-атомных потенциалов межмолекулярного взаимодействия молекулы с атомами твердого тела (рис.1).
a)
б)
Рис.1. Взаимодействие адсорбированной молекулы с атомами твердого тела (а) и адсорбированных молекул друг с другом (б)
Математически наиболее простые формы потенциала U получают при замене суммирования парного потенциала на его интегрирование по объему твердого тела. При этом линейный 
и энергетический параметры могут быть найдены с помощью формул Лоренца-Бертлоу
(2)
в которых индекс s относится к твердому телу, а 
— к адсорбату.
В общем виде потенциал взаимодействия молекулы с твердым телом будет иметь вид
(3)
где 
– плотность атомов твердого тела, 
– расстояние между адсорбированной молекулой и атомом твердого тела.
Подставляя уравнение (2) в (1,3) и интегрируя выражение (3), получим окончательное выражение для потенциала взаимодействия молекулы с твердым телом
(4)
Суммарную силу взаимодействия молекулы с атомами твердого тела можно найти дифференцированием потенциальной энергии (4) по расстоянию
(5)
С помощью молекулярной теории адсорбции и Леннарда-Джонсовских преобразований была получена графическая зависимость (рис.2) силы F взаимодействия молекулы с твердым телом от количества монослоев сорбата Θ [3,4]․
Рис. 2. Сила взаимодействия молекулы с твердым телом как функция от коэффициента покрытия поверхности сорбатом
Чтобы дать возможность использовать технические средства для практического измерения силы F взаимодействия молекулы с поверхностью твердого тела (5), необходимо точно измерить силу отрыва молекулы верхнего монослоя сорбата. Для этого надо знать, сколько молекул на поверхности. Для решения задачи предполагается измерить профиль поверхности на атомарном уровне АFM или STM методом и использовать две подобные поверхности, покрытые слоем сорбата. Подобное измерение позволяет измерить силу отрыва одной молекулы как
(6)
где N-количество молекул на поверхности, определяемое АFM или STM методом;
— суммарная сила сдвига N количества молекул.
Уравнением (6) показано, что можно измерить силу отрыва одной молекулы (сила взаимодействия молекулы с поверхностью твердого тела), что и позволит определить чистоту поверхности (рис.2).
Принцип работы разработанного устройства
Разработанное устройство использует связь силы трения с силами межмолекулярного взаимодействия между молекулами [5], находящимися на контактирующих поверхностях трения, и зависящими от количества молекул, загрязняющих поверхности, т. е. сорбированных на ней.
Задача авторов устройства состоит в том, чтобы при измерении силы статического трения выделить ту составляющую, которая зависит только от количества слоев молекул, находящихся на поверхностях, и выступающих как «загрязнения», для чего надо использовать образцы трения с гладкими поверхностями, где «механическая» составляющая силы трения от срезания микронеровностей минимальна (используется малая микро зона трения 
,что устраняет динамическую составляющую силы трения), а силу статического трения измеряют в момент страгивания поверхностей образцов с точки зрения статического контакта (рис.3). Поэтому в качестве пары контакта для измерения силы статического трения были выбраны полированные пластины, изготовленные из монокристаллов кремния, и обеспечивающие наибольшую поверхность контакта поверхностей (наибольшее значение силы страгивания для точного измерения).
Принцип работы устройства основан на использовании трех полированных пластин: одной подвижной 2 в плоскостях ее двустороннего контакта и двух неподвижных 1,3 в плоскости их взаимных контактов, при этом одна из неподвижных пластин 1, находящаяся на рис.3 сверху (назовем ее «зажимной»), прижимаясь к средней подвижной пластине, создаёт нормальную (и при этом одинаковую) силу FN — (нормальную) нагрузку при трении сразу в двух плоскостях трения. Сила сдвига (сила страгивания молекул), инициирующая начало движения средней пластины, обеспечивается пьезоприводом, на который подается электрический сигнал, управляющий ее перемещением.
Рис.3. Принцип работы устройства измерения чистоты поверхности: 1-зажимная пластина, 2-страгивающая пластина, 3-неподвижная пластина, 4-адсорбированный газ (собрат)
Принимается, что
‒ контактирующие поверхности пластин устройства идентичны рабочей поверхности (исследуемой поверхности);
‒ количество молекулярных слоев адсорбированного газа на рабочей поверхности и на поверхностях пластин устройства одинаково;
‒ сила сдвига (страгивания) подвижной пластины определяется количеством молекулярных слоев сорбата.
Конструкция разработанного устройства
Конструкция устройства для измерения чистоты поверхности представлена на рис.4, где на основании 4 расположена неподвижная пластина 3 и два перпендикулярно расположенных пьезобиморфных привода 9,10, формирующих контактную пару. Пьезобиморфные пластины-приводы 9,10 под воздействием управляющего сигнала изгибаются, при этом пластина 5 приводит подвижной элемент пары 2 для перемещения от начальной точки контакта к конечной. Пластина 6 прижимает подвижной элемент контактной пары зажимной пластиной 1. Измерительные элементы (датчики деформации 7,8 упругих пластин), расположенные на гибких упругих пластинах, служат для измерения нормальной и тангенциальной сил, т. е. для измерения силы страгивания, являющаяся функцией коэффициента покрытия (т. е. показателя «загрязнения поверхностей»). Технический результат устройства заключается в возможности измерения коэффициента покрытия поверхностей сорбатом (загрязнениями) путём измерения силы страгивания.
Рис. 4. Конструкция разработанного устройства для измерения чистоты поверхности в ядерной технике: 1-зажимная пластина, 2-подвижная пластина, 3-неподвижнаят пластина, 4-стойка, 5-упругая пластина, обеспечивающая силу страгивания, 6-упругая пластина, обеспечивающая силу прижатия, 7-тензодатчик измерения силы страгивания, 8-тензодатчик измерения нормальной силы, 9-пьезобиморфный привод страгивания, 10-пьезобиморфный привод прижатия, 11-база
Выводы
- В данной работе показано, что на основании предложенной авторами теории можно экспериментально подойти к прямому измерению толщины слоя сорбированных газов Θ.
- Авторами создано устройство для определения чистоты рабочей поверхности, которое может быть использовано не только в ядерной технике, но и в др. отраслей промышленности, где важно знать параметр чистоты рабочей поверхности.
- Разработанное устройство также можно использовать для измерения давления в широком диапазоне.
Литература:
1. Lennard-Jones J. E.//Proc. Roy. Soc. -1924. -V. 106. -463 p.
2. Товбин Ю. К. Теория физико-химических процессов на границе газ- твердое тело. — М.: Наука, 1990. — 288 с.
3. Арутюнян З. Р., Бычков С. П., Деулин Е. А. О создании прибора контроля чистоты поверхности // Научная перспектива. — 2015. — № 12. — С. 138–140.
4. Арутюнян З. Р., Деулин Е. А. Измерение слоя сорбата на поверхности — физические и практические возможности // Фундаментальные и прикладные исследования в современном мире. — 2015. — № 12–1. — С. 42–46.
5. Деулин Е. А. Физическое единство различных параметров «сухого» трения в вакууме и атмосфере // Трение и смазка в машинах и механизмах. — 2010. — № 9. — С. 43–47.
