CC BY
18
VI. Выводы и заключение
Планы второго этапа модернизации НПЗ в г. Панчево предусматривают ввод в эксплуатацию производственного комплекса по переработке нефти мощностью 2 тыс. т в сутки. Рекордная глубина переработки нефти в 99.2%, прекращение производства мазута с высоким содержанием серы и снижение содержания вредных примесей сероводорода в стоках ЭЛОУ позволит существенно улучшить как экономические, так и экологические показатели этого НПЗ.
Существенным отличием предлагаемого в данной работе технологического решения является снижение содержания примесей сероводорода в солесодержащих стоках электродегидратора путем удаления этих примесей водородом на существующем блоке отпарки. При минимальных капитальных и эксплуатационных затратах это дает возможность получения стоков требуемого качества и является преимуществом данного метода по сравнению с общепринятым использованием метода ректификации [5].
Список литературы
1. «Газпром нефть»: «Глубокая переработка» Панчево побьет мировой рекорд //Нефтянка. 25.10.2017. URL: http://neftianka. ru/gazprom-neft-panchevo/.
2. Отчет об устойчивом развитии за 2018 год. URL: https://www.nis.eu/ru/
3. Мозговой И. В., Давидан Г. М., Олейник Л. Н. Химия и физика нефти и газа: курс лекций. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2005. 199 с.
4. Пророков В. Н., Литова Н. А. Равновесия в растворах электролитов. Теория, задачи, эксперимент: учебное пособие. Иваново, 2009. 102 с.
5. Давидан Г. М., Мозговой И. В., Нелин А. Г., Скутин Е. Д. Основы проектирования и оборудование предприятий органического синтеза: учеб. пособие. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2008. 240 с.
УДК 621.372.412
СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА СТАБИЛИЗАЦИИ ЧАСТОТЫ КВАРЦЕВЫХ РЕЗОНАТОРОВ-ТЕРМОСТАТОВ
COMPARATIVE ESTIMATION OF QUARTZ THERMOSTAT RESONATORS STABILIZATION FREQUENCY
Т. В. Ложникова, А. М. Ярош, С. В. Ермоленко
Омский научно-исследовательский институт приборостроения, г. Омск, Россия
T. V. Lozhnikova, A. M. Yarosh, S. V. Ermolenko
Omsk Scientific-Research Institute of Instrument Engineering, Omsk, Russia
Аннотация. Стабильность частоты термостатированного генератора - одна из его значимых характеристик - зависит от стабильности частоты кварцевого резонатора-термостата (КРТ). В свою очередь, на стабилизацию частоты КРТ оказывают влияние состав газовой атмосферы в корпусе КРТ, сорб-ционные процессы, определяемые материалами, использованными для производства КРТ. Цель работы - оценить влияние отдельных компонентов газовой атмосферы в корпусе КРТ на нестабильность его частоты. В работе использовался метод пьезокварцевого микровзвешивания, масс-спектрометрический анализ. Проведена оценка количества адсорбированных молекул и количества молекул некоторых компонентов газовой среды для трех типов макетов КРТ, отличающихся методом монтажа элементов. Подтверждено заключение об обусловленности уходов частоты КРТ массопереносом с участием компонентов мягких припоев.
Ключевые слова: кварцевый резонатор-термостат, суточная нестабильность частоты, мягкие припои, клеевой монтаж, газовыделение, электрод, сорбционные процессы
DOI: 10.25206/2310-9793-7-3-164-169
I. Введение
Основным рабочим элементом термостатированного генератора является резонатор-термостат. К нему предъявляются достаточно строгие требования по величине долговременной нестабильности частоты [1]. В связи с этим задачей разработчика является получение высокостабильных (прецизионных) резонаторов-термостатов, изменение номинальной частоты которых в течение срока службы не превышает определенной величины. В свою очередь, долговременная нестабильность частоты (старение) резонаторов-термостатов во многом определяется составом газовой атмосферы внутри герметизированного корпуса.
В настоящее время в связи с общей тенденцией к миниатюризации электронной техники резонаторы-термостаты разрабатываются и изготавливаются в металлических корпусах, размеры которых не позволяют
использовать газопоглотители, использовавшиеся ранее в подобных изделиях для обеспечения достаточной степени вакуумирования и уменьшения влияния газовой атмосферы на параметры резонатора-термостата. В связи с этим вопросы состава газовой атмосферы и пути снижения ее влияния на параметры резонатора приобретают особую актуальность.
II. Постановка задачи
Резонатор-термостат представляет собой керамическую плату на теплоизолированных подставках и кварцевый пьезоэлемент (ПЭ), связанный с платой через держатели, размещенные внутри герметизированного корпуса. На плате сформирована схема электропитания и стабилизации температуры. Для соединения и крепления элементов КРТ применяется клеевой монтаж, пайка и точечная сварка проводников [2].
В работе [3] проведена оценка частотной нестабильности резонаторов-термостатов на 10 МГц в корпусах DIL-14. Были рассмотрены три типа макетов резонаторов-термостатов:
1) преимущественно с паяными соединениями (припои ПОС-61 и ПСрО 10-90) и пайкой к позолоченным выводам,
2) преимущественно с клеевыми соединениями (токопроводящие клеи типа ТОК-2) и соединением проводников контактной сваркой, паяные соединения полностью не исключены, пайка к позолоченным выводам заменена контактной сваркой,
3) с микроплатой из LTCC керамики, клеевыми соединениями элементов (ТОК-2, К-400), соединениями контактной сваркой.
Оценка процессов газообмена в корпусе макетов КРТ перечисленных типов была проведена с использованием метода пьезокварцевого микровзвешивания. Анализ газовой атмосферы образцов масс-спетрометическим методом позволяет уточнить и дополнить полученные данные.
В работе поставлена задача оценить возможность ухода частоты макетов КРТ второго и третьего типов в результате адсорбции на электрод «тяжелых» органических молекул (их осколков) с массовыми числами 36-60.
III. Теория
В [3] было предположено, что уходы резонансной частоты порядка 0,2 Гц в сутки (относительное изменение частоты ~ 2 * 10-8 в сутки) первого типа макетов резонаторов-термостатов обусловлены адсорбцией и хемосорбцией атомов и молекул (SnH4, CO, H2, H2S,C3H10,C2H5OH и др.) на электродах КРТ при термической десорбции этих частиц из припоев, клеев. Доминирующим механизмом сдвига частоты резонатора-термостата является перенос и рекомбинация на электродах молекул SnH4, образованных в присутствии кислотных остатков флюсов, H2O, групп OH и др. на поверхности припоев, в особенности на местах пайки на позолоченные выводы корпуса, где при отжигах, в свою очередь, образовались рыхлые соединения AuSn2, AuSn4. Перенесенное на поверхность электрода олово может образовать окисел SnO2, который при повышении температуры адсорбирует газовые молекулы CO, H2, H2S,C3H10,C2H5OH [4].
Рассчитан прирост массы электродов, приводящий к смещению частоты на указанную величину, по формулам [5]:
Af / f = - 2 p' h' / pKB hKB, (1)
где p', h' - плотность и толщина адсорбированного слоя молекул (атомов), ркв, h^ - плотность и толщина кварцевой пластины, Af / f относительное изменение частоты КРТ.
С учетом массы адсорбированных молекул и площади электродов (1) преобразуем в (2):
m' = Af s ркв h^ / 2f, (2)
где s - площадь электродов.
Для макетов КРТ первого типа m' = 2,34 * 10-10 г, что соответствует количеству адсорбированных молекул SnH4
N = m' / Msn = 1,18 * 1012
Отметим также, что давление в корпусе Р<10-5тор, что соответствует количеству молекул газа 3,5 * 1011. Даже в предположении адсорбции всех молекул из газовой фазы сдвиг частоты резонатора-термостата будет меньше наблюдаемого.
Для второго типа макетов резонаторов-термостатов при устранении основного механизма образования SnH4 суточная нестабильность частоты через полгода старения не более ±5х10-9 [6]. Соответственно, прирост массы электрода, рассчитанный по формуле (2), составляет 5,85 х 10-11 г. Лучшие образцы показали суточное старение ~3 х 10-11, что соответствует приросту массы 3,51 х 10-13 г.
Тем не менее образование и перенос на электрод КРТ летучего соединения 8пИ4 с его последующей рекомбинацией и образованием диоксида олова возможно и на «чистых» пайках. В свою очередь, образовавшийся диоксид олова адсорбирует газовые молекулы СО, Н2, Н28,С3Н10,С2Н5ОН. Золотое покрытие электродов также хорошо адсорбирует остатки органики СхНу.
Также были исследованы макеты третьей группы, которые полностью исключали паяные соединения. Переходя на клеевой монтаж и монтаж контактной сваркой, имеем относительное суточное изменение частоты ~2*10-10, а через полгода старения суточное изменение частоты достигает 3 * 10-12, что соответствует приросту массы электрода 3,51 х 10-14 г в сутки.
IV. Результаты экспериментов
В кооперации с ОмГУ на оборудовании университета (квадрупольный масс-спектрометр ЕхТогг ХТ100) был проведен масс-спектрометрический анализ остаточных газов в корпусе КРТ (корпус Б1Ь-14) при температурах от 20 °С до 160 °С (рис. 1, 2), установлены соединения, которые могут быть причиной кратко- и долговременного старения резонаторов (Н2О, ОН и углеводородные компоненты, такие как прорпаргил, хлорэтан, пропаргиловый спирт и др.) [7].
Рис. 1. Зависимость парциальных давлений газовых компонент с массовыми числами 36-40 от температуры зонда для образца КРТ второй группы
Рис. 2. Зависимость парциальных давлений газовых компонент с массовыми числами 36-41 от температуры зонда для макета КРТ третьей группы
V. Обсуждение результатов
Предположительно, основной вклад в долговременную нестабильность частоты КРТ вносит адсорбция остатков органики на электродах КРТ. Поэтому были проанализированы парциальные давления масс 36-60 при температуре 80 °С (температура резонатора-термостата в рабочем режиме генератора) и рассчитано количество молекул вещества каждой зафиксированной массы по известной формуле термодинамического равновесия в предположении идеального газа:
Р, = п, кт (3)
где Р1 - парциальное давление компонента, п1 = N / V - концентрация компонента (отношение количества молекул к объему), к - постоянная Больцмана, Т - температура. Объем КРТ составляет 0,7 см-3, объем камеры масс-спектрометра 28 см3.
Также рассчитана доля молекул каждой массы N / N и молярная масса смеси газовых компонент Е, (Мг, х N / №). Данные расчетов приведены в табл. 1.
ТАБЛИЦА 1
ПАРЦИАЛЬНЫЕ ДАВЛЕНИЯ, КОЛИЧЕСТВО МОЛЕКУЛ, ОТНОСИТЕЛЬНЫЕ МОЛЯРНЫЕ ВЕСА КОМПОНЕНТОВ ДЛЯ КРТ ВТОРОЙ ГРУППЫ
Отношение заряда к массе Парциальное давление в камере, тор Парциальное давление в корпусе КРТ х 10-7, тор Парциальное давление в корпусе КРТ х 10-5, Па N * 1011, молекул т *10-12, г Мг х
36 9 * 10-9 3,6 4,8 0,07 0,35 0,0413 1,49
37 2 * 10-8 8 10,6 0,15 0,81 0,0912 3,38
38 2,8 * 10-8 11,2 14,9 0,21 1,16 0,1282 4,87
39 4 *10-8 16 21,3 0,31 1,71 0,1833 7,15
40 3,1 * 10-8 12,4 16,5 0,24 1,36 0,1420 5,68
41 2,5 * 10-8 10 13,3 0,19 1,12 0,1145 4,69
42 1,5 *10-8 6 8,0 0,11 0,69 0,0689 2,89
43 9 * 10-9 3,6 4,8 0,07 0,42 0,0413 1,78
44 4 * 10-9 1,6 2,1 0,03 0,19 0,0181 0,80
45 1 * 10-9 0,4 0,5 0,01 0,05 0,0043 0,19
46 2,5 * 10-10 0,1 0,1 0,00 0,01 0,0009 0,04
47 5,5 * 10-10 0,2 0,3 0,00 0,03 0,0026 0,12
48 9,5 * 10-10 0,4 0,5 0,01 0,05 0,0043 0,21
49 1,5 * 10-9 0,6 0,8 0,01 0,08 0,0069 0,34
50 1,8 * 10-9 0,7 0,9 0,01 0,09 0,0077 0,39
51 2,2 * 10-9 0,9 1,2 0,02 0,13 0,0103 0,53
52 3 * 10-9 1,2 1,6 0,02 0,17 0,0138 0,72
53 4,5 * 10-9 1,8 2,4 0,03 0,26 0,0207 1,09
55 5,5 * 10-9 2,2 3,0 0,04 0,34 0,0258 1,42
56 4 * 10-9 1,6 2,1 0,03 0,24 0,0181 1,01
59 6 * 10-10 2,4 3,2 0,05 0,39 0,0275 1,63
60 6 * 10-10 2,4 3,2 0,05 0,39 0,0275 1,65
Всего 87,3 116,1 1,67 10,03 1 42,06
Общее давление и количество молекул в объеме КРТ по данным масс-спектрометрического анализа коррелирует с данными, рассчитанными ранее.
В то же время представляется возможным определить вклад каждой массы в процессы газовыделения в КРТ и оценить по этим данным количество адсорбированных молекул на электроде пьезоэлемента КРТ. Очевидно, что сорбционные процессы протекают на всех поверхностях внутри резонатора-термостата, однако основной вклад в изменение частоты КРТ вносит только масса веществ, осажденная на электроде. Также будем исходить из предположения, что находящиеся в объеме КРТ вещества сорбируются на электроде пропорционально их количествам в объеме КРТ, отсутствует избирательная адсорбция.
Количество молекул, которое оседает на электродах пьезоэлемента КРТ за сутки после старения в течение полугода:
N = т' х ^ / Е (Мп х N1 / N (4),
где ^ - число Авогадро, т' рассчитывается по формуле (2).
Количество органических молекул в объеме КРТ
N = 5,85 х 10"11 х 6,02 х 1023 / 42,06 = 8,4 х 1011.
Таким образом, количество молекул углеводородных соединений в корпусе КРТ по данным масс-спектрометрического анализа меньше, чем рассчитано по изменению частоты КРТ. Следовательно, основную роль в долговременной нестабильности частоты КРТ играют более тяжелые соединения, например соединения олова.
Для лучших по старению образцов КРТ (суточная нестабильность частоты 3 х 10-11) количество адсорбированных на электродах молекул составит
N = 3,51 х 10-13 х 6,02 х 1023 / 41,53 = 5,1 х 109
В этом случае предположение о доминировании адсорбции углеводородов на электроде КРТ может рассматриваться.
Аналогичные исследования и расчеты проведены для макетов третьей группы КРТ. Полученные данные приведены в таблице 2. Отметим, что массы 42-52, имеющие на порядок меньшие парциальные давления, в расчетах не учитывались.
Количество адсорбированных на электродах молекул составляет
N = 3,51 х 10-14 х 6,02 х 1023 / 44,05 = 4,8 х 108
Из полученных данных можно предположить, что долговременная нестабильность частоты КРТ третьей группы определяется количеством органических веществ (их осколков) в объеме КРТ.
На порядок меньшее количество молекул с массами 36-60 в объеме КРТ может быть обусловлено адсорбционными свойствами LTCC керамики, имеющей очень развитую поверхность.
ТАБЛИЦА2
ПАРЦИАЛЬНЫЕ ДАВЛЕНИЯ, КОЛИЧЕСТВО МОЛЕКУЛ, ОТНОСИТЕЛЬНЫЕ МОЛЯРНЫЕ ВЕСА КОМПОНЕНТОВ ДЛЯ МАКЕТОВ КРТ ТРЕТЬЕЙ ГРУППЫ
Отношение заряда к массе Парциальное давление в камере, тор Парциальное давление в корпусе КРТ, тор Парциальное давление в корпусе КРТ, Па N * 1011, молекул m* 10-13, г N/N Mr х Nj/N
36 9 * 10-11 3,6 * 10-9 9,2 * 10-/ 0,013 0,47 0,05352 1,93
37 7 * 10-11 2,8 * 10-9 3,7* 10-7 0,005 0,20 0,021931 0,81
38 2 * 10-10 8,0 * 10-9 10,6* 10-7 0,015 0,58 0,061664 2,34
39 4 *10-10 16 *10-9 21,2* 10-7 0,030 1,19 0,123328 4,81
40 7 * 10-10 28 *10-9 37,2* 10-7 0,053 2,14 0,216405 8,66
41 6 * 10-10 24 * 10-9 31,9* 10-7 0,046 1,88 0,185573 7,61
53 7 * 10-11 2,8 * 10-9 3,7* 10-7 0,005 0,28 0,021524 1,14
55 2,8 * 10-10 11,2 * 10-9 14,9* 10-7 0,021 1,18 0,086678 4,77
56 4 * 10-10 16 * 10-9 21,2* 10-7 0,030 1,70 0,123328 6,91
59 5,5 * 10-11 2,2 * 10-9 2,9* 10-7 0,004 0,25 0,01687 1,00
60 2,2 * 10-11 8,8 * 10-9 11,7* 10-5 0,017 1,01 0,068063 4,08
Всего 123,4 * 10-9 171,9* 10-7 0,247 10,89 1 44,05
VI. Выводы и заключение
Таким образом, можно сделать следующие выводы.
1. Долговременная нестабильность частоты КРТ с наличием паек мягкими припоями типа ПОС-61 ПСр010-90 обусловлена сорбционными процессами и процессами газообмена с участием компонентов этих припоев.
2. Долговременная нестабильность частоты КРТ с клеевыми соединениями и соединениями контактной сваркой обусловлена адсорбцией органических веществ (их осколков) на электродах КРТ.
3. LTCC керамика обладает высокой адсорбционной способностью за счет развитой поверхности и может выступать геттером в корпусе КРТ. Данный вывод требует дополнительной проверки.
Список литературы
1. Позднякова П. Г. Пьезоэлектрические резонаторы: справочник / Под ред. П. Е. Кандыбы. М.: Радио и связь, 1992. 288 с.
2. Бахтинов В. В., Петриди Д. И., Ярош А. М. Исследование внутреннего газообмена в миниатюрных кварцевых резонаторах и генераторах - термостатах // Техника радиосвязи. 2007. Вып. 12. С. 102-107.
3. Ярош А. М., Ложникова Т. В., Ермоленко С.В., Паленова А.С. Сорбционный механизм стабилизации частоты кварцевых резонаторов - термостатов // Радиотехника, электротехника и связь: сб. докл. IV междунар. научн.-техн. конф. 2017. С. 467.
4. Алейникова А. Ф., Гридчин В. А., Цапенко М. П. Датчики (перспективные направления развития). Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2001. С. 151-155.
5. Weiss K. Wysokostabilne Rezonatory Kwarcowe ciecia - Konstrukcja I Technologia // Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej, Electronika. 2003.147.
6. Карагусов В. И. Долговременная нестабильность кварцевых генераторов с резонатором - термостатом в металлостеклянном корпусе, изготавливаемом с применением лазерной сварки // Техника радиосвязи.
2016. № 4. С. 84-91.
7. Белоусов К. А., Струнин В. И., Худайбергенов Г. Ж. Исследование атмосферы остаточных газов под-корпусного пространства КРТ // Радиотехника, электроника и связь : сб. докл. IV междунар. научн. -техн. конф.
2017. С. 479-483.
УДК 51-73, 514.8
ДИНАМИКА ЧАСТИЦЫ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ: СИМПЛЕКТИЧЕСКАЯ РЕДУКЦИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ ОСОБЫХ ТРАЕКТОРИЙ
PARTICLE DYNAMICS IN A MAGNETIC FIELD: SYMPLECTIC REDUCTION AND CLASSIFICATION OF SINGULAR TRAJECTORIES
А. А. Магазев, М. Н. Болдырева
Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия
A. A. Magazev, M. N. Boldyreva
Omsk State Technical University, Omsk, Russia
Аннотация. В работе исследуется динамика классической нерелятивистской заряженной частицы, движущейся в суперпозиции бессилового и постоянного магнитных полей. С использованием первых интегралов задачи проводится симплектическая редукция соответствующих уравнений Ньютона-Лоренца к вспомогательной двумерной гамильтоновой системе. С помощью метода линеаризации приводится классификация типов особых точек редуцированной гамильтоновой системы. Полученные результаты применяются к задаче исследования траекторий исходной гамильтоновой системы, близких к особым траекториям.
Ключевые слова: бессиловое магнитное поле, гамильтонова система, симплектическая редукция, особые траектории.
DOI: 10.25206/2310-9793-7-3-169-176
I. Введение
Одной из классических задач современной теоретической физики является задача исследования движения заряженной частицы во внешнем магнитном поле. Данная задача, например, играет важную роль при рассмотрении эффектов тормозного и синхротронного излучения [1], [2]. К сожалению, случаи магнитных полей, допускающих явное аналитическое решение соответствующих уравнений движения (уравнений Ньютона-Лоренца в нерелятивистском случае), встречаются крайне редко. Именно поэтому подавляющее число исследований в этой области ведется с применением приближенных или численных методов (см., например, [3]-[5]). Тем не менее, точно интегрируемые модели все еще не теряют своей актуальности. Играя роль своеобразных тренировочных полигонов при анализе корректности и точности численных алгоритмов, они также часто выступают в роли начальных приближений в различных теориях возмущений (адиабатическое приближение, метод усреднения и т. д.).
В нашей предыдущей работе [6] была получена классификация всех постоянных электромагнитных полей, допускающих операторы симметрии стационарного уравнения Шредингера, лежащие в классе дифферен-
