Настоящий обзор является логическим продолжением нашего обзора "Кинетика проникновения водорода сквозь металлы ", вышедшего в 1980 году. За этот небольшой промежуток времени в СССР и за границей были опубликованы работы, внесшие принципиальные дополнения в существовавшие взгляды и возможности. Во всяком случае, можно утверждать, что на сегодняшний день созданы теоретические и экспериментальные основы для использования метода водородопроницаемости как достаточно универсального количественного метода определения диффузионных и адсорбционных параметров взаимодействия водорода с металлами. Именно этим методом удается получить наибольший объем информации о кинетике, в широких диапазонах температур и давлений, недоступных другим методам. Получение такой информации представляет большой интерес в первую очередь для практических расчетов дегазации и насыщения, водородного охрупчивания и утечки изотопов водорода. Только при наличии комплекса параметров, полученных в сопоставимых экспериментальных условиях, можно решать произвольную диффузионную задачу, в том числе и нестационарные задачи сорбции и дегазации с нелинейными граничными условиями. Последнее обстоятельство делает чрезвычайно важным развитие и применение метода проницаемости в производстве изделий электронной техники с целью оптимизации технологических процессов очистки, откачки, термической обработки и модификации поверхности материалов [1-4].
С точки зрения физики твердого тела наличие комплекса параметров взаимодействия водорода с металлами позволит строить существенно более строгие модели как в рамках статистической физики, так и в рамках электроники твердого тела.
Метод водородопроницаемости отличается большим разнообразием способов проведения экспериментов. После подготовки образца и вакуумирования объемов, прилегающих к входной и выходной сторонам образца, можно подать водород при давлении на входную сторону и измерять количество водорода, прошедшее сквозь образец, не откачивая его от выходной стороны. Этот способ называется "объемно-метрический вариант, режим прорыва". Можно уравновесить систему, то есть подать водород с обеих сторон, насытить образец, затем откачать водород с входной стороны и следить за изменением во времени количества водорода в замкнутом объеме, примыкающем к выходной стороне образца. Это обьемно-метрический вариант, режим откачки.
Динамический вариант отличается уем, что всегда ведется откачка водорода от выходной стороны. Если на входную сторону подается водород и на выходе регистрируется кривая установления стационарного потока, то это динамический вариант, режим прорыва. Если же после достижения стационарного состояния откачать водород с входной стороны и наблюдать за кинетикой уменьшения потока, то это динамический вариант, режим откачки.
В последнее время получают развитие различные импульсные методы осцилляции давления, прямоугольных импульсов давления, белого шума и т.п. Эти эксперименты также могут выполняться в режиме прорыва и откачки.
Кроме того, возможны другие варианты, связанные с заданием закона изменения температуры образца, состояния газа, исследованием энергетических и пространственных распределений десорбирующихся молекул и т.д.
При соответствующем уровне развитая каждой из этих методик и их комбинаций опыты по водородопроницаемости позволят не только всесторонне описать процесс взаимодействия водорода с металлом, но и получить информацию о структуре самого металла.
Выбор конкретного варианта связан с целью исследования. При этом следует помнить, что объемно-метрические варианты, хотя в принципе более чувствительны, "смазывают" информацию о механизмах диффузии, а вследствие широкого диапазона изменения давления водорода над выходной стороной для исследования поверхностных процессов вообще неприменимы. Кроме того, в обьемно-метрических вариантах затруднено использование современной масс-спектрометрической техники и поддержание достаточной степени чистоты образцов. По-видимому, эти варианты больших перспектив не имеют.
Динамический вариант, в особенности режим прорыва, позволяет обеспечить достаточную точность и чистоту эксперимента и дает возможность получить обширную информацию о комплексе параметров, характеризующих кинетику проникновения водорода сквозь металлические мембраны. Правда, в ряде случаев обработка результатов измерений достаточно сложна, однако применение вычислительной техники и автоматизированных экспериментальных комплексов позволяет решать эти задачи.
Всевозможные импульсные методы только начинают применяться.
Достоинством этих методов является их большая информативность. Однако сложности практической реализации пока очень велики. Во всяком случае постановка таких работ без применения ЭВМ, управляющих экспериментом, собирающих и обрабатывающих информацию, просто нецелесообразна.
На сегодняшний день известно большое количество работ по различным аспектам водородопроницаемости металлов. Обзор и библиография основных работ имеется в [5,6]. Однако, как ни странно, не существует книги или обзора, посвященного анализу теоретических основ методик и практической реализации экспериментов по водородопроницаемости. Частичное восполнение этого пробела и является целью настоящего обзора. При этом мы будем рассматривать лишь частный случай проникновения из молекулярной фазы, уделив основное внимание новым методикам, обеспечивающим проведение комплексного эксперимента.