СВЕТОИНДУЦИРОВАННЫЙ ДРЕЙФ РАЗРЕЖЕННЫХ ГАЗОВ В КАНАЛАХ
|
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
ЛИТЕРАТУРА
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
ЛИТЕРАТУРА
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ
Актуальность работы. Светоиндуцированный дрейф (СИД) разреженных газов заключается в возникновении макроскопического потока газа под действием света, поглощаемого частицами (атомами или молекулами) селективно по их скоростям. С тех пор, как в 1979 году СИД был предсказан теоретически [1], началось интенсивное исследование этого эффекта. Экспериментальные наблюдения показали, что явление СИД универсально в том смысле, что оно реализуется в типичных экспериментальных условиях и присуще широкому классу объектов: атомам, молекулам и ионам.
Явление светоиндуцированного дрейфа привлекло внимание многих исследователей благодаря тому, что оно существенно расширяет возможности исследования неравновесных свойств газов, позволяет получить сведения о сечениях столкновений возбужденных атомов и молекул, о параметрах взаимодействия возбужденных частиц с поверхностями твердых тел.
Изучение явления светоиндуцированного дрейфа представляет интерес и в связи с его возможным практическим применением. СИД может использоваться для разделения изотопов, для обнаружения и исследования веществ в малых количествах (СИД собирает микропримесь со всего объема и повышает этим эффективность регистрации). С помощью резонансного оптического излучения можно управлять процессами диффузии и теплопереноса в газах и тем самым оптимизировать многие технологические процессы. Также светоиндуцированный дрейф может использоваться в микро- и нанотехнологии (при дозировке микропримесей).
До недавнего времени существующие теоретические модели СИД носили лишь качественный характер. По сути, при разработке этих моделей ставилась задача понять механизмы этого явления. Первоначально был обоснован объемный (буферный) механизм светоиндуцированного дрейфа, возможный только при наличии буферного (не взаимодействующего с излучением) газа. При этом рассматривался безграничный пространственно однородный газ. Позднее был рассмотрен поверхностный механизм СИД однокомпонентного газа в каналах в условиях свободно-молекулярного и гидродинамического режимов.
Заметим, что ни одна из существующих теорий не описывала экспериментальные данные по скорости СИД разреженных газов в капиллярах в зависимости от давления не только количественно, но и качественно. Очевидно, теория, адекватная условиям реального эксперимента, учитывающая все основные механизмы СИД, должна быть основана на решении газокинетических уравнений Больцмана с подходящими граничными условиями. Построению такой теории явления СИД посвящена настоящая работа.
Работа выполнялась по планам научных исследований, проводимых на кафедре общей и молекулярной физики Уральского государственного университета. Работа поддерживалась грантами Международного научного фонда (1104000 и 1104300), Российского фонда фундаментальных исследований (№96-01-00756 и №99-01-00143) и грантом ’’Университеты России - фундаментальные исследования” (№472).
Цель работы состояла
- в разработке молекулярно-кинетической теории явления светоиндуцированного дрейфа однокомпонентного газа и бинарной газовой смеси в каналах при любых значениях числа Кнудсена (Лл);
- в описании экспериментальных данных по светоиндуцированной разности давлений и светоиндуцированному разделению бинарной газовой смеси в капилляре, и в разработке методики восстановления параметров взаимодействия возбужденных частиц с невозбужденными частицами поглощающего газа и с частицами буферного газа, а также с граничной поверхностью.
Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые
- раскрыты поверхностный и столкновительный механизмы СИД однокомпонентного газа на основе решения кинетических уравнений Больцмана во всем диапазоне чисел Кп;
- показано, что столкновительный механизм СИД однокомпонентного га-за является определяющим, так как именно он дает основной вклад в описание экспериментальной зависимости скорости СИД от числа Кп;
- на основе решения кинетических уравнений Больцмана во всем диапазоне чисел Кп раскрыты поверхностный и объемный (буферный) механизмы СИД бинарной газовой смеси;
- показана возможность и проведено исследование светоиндуцированного движения газовой смеси как целого.
Научная и практическая ценность работы. Полученные результаты
- предоставляют новые возможности и расширяют область исследований неравновесных свойств газов;
- могут служить основой для разработки принципиально новых методов разделения газовых смесей и изотопов в лабораторных условиях;
- могут быть использованы для экспериментального изучения параметров взаимодействия возбужденных частиц поглощающего газа с невозбужденными частицами, с буферными частицами и с граничной поверхностью.
Автор выносит на защиту:
1. теорию явления светоиндуцированного дрейфа однокомпонентного га-за в плоском и цилиндрическом каналах при произвольных значениях числа Кп;
2. теорию явления светоиндуцированного дрейфа бинарной газовой смеси в цилиндрическом канале при произвольных значениях числа Кп;
3. описание экспериментальных данных по светоиндуцированной разности давлений для однокомпонентного газа СН$Р и светоиндуцированному разделению бинарной газовой смеси (пары No - инертные газы) в капилляре и восстановление параметров взаимодействия возбужденных частиц с невозбужденными, с буферными частицами и с граничной поверхностью.
Апробация работы. Результаты исследований были представлены на научно-технической конференции ’’Вакуумная наука и техника” (Гурзуф, 1994), 3-м Международном форуме по тепломассообмену (Минск, 1996), Международной конференции ’’Неравновесные процессы в соплах и струях” (Москва, 1995), 18-м, 19-м, 20-м и 21-м Международных симпозиумах по динамике разреженного газа (Канада, 1992; Великобритания, 1994; Китай, 1996; Франция, 1998).
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 12 научных публикациях, список которых приводится в конце автореферата.
Объем и структура работы. Диссертация содержит 177 страниц машинописного текста, включая рисунки, приложения, таблицы и список литературы, состоящий из 75 наименований. Основной текст диссертации изложен на 140 страницах и состоит из введения, трех глав и заключения (основные результаты и выводы).
Явление светоиндуцированного дрейфа привлекло внимание многих исследователей благодаря тому, что оно существенно расширяет возможности исследования неравновесных свойств газов, позволяет получить сведения о сечениях столкновений возбужденных атомов и молекул, о параметрах взаимодействия возбужденных частиц с поверхностями твердых тел.
Изучение явления светоиндуцированного дрейфа представляет интерес и в связи с его возможным практическим применением. СИД может использоваться для разделения изотопов, для обнаружения и исследования веществ в малых количествах (СИД собирает микропримесь со всего объема и повышает этим эффективность регистрации). С помощью резонансного оптического излучения можно управлять процессами диффузии и теплопереноса в газах и тем самым оптимизировать многие технологические процессы. Также светоиндуцированный дрейф может использоваться в микро- и нанотехнологии (при дозировке микропримесей).
До недавнего времени существующие теоретические модели СИД носили лишь качественный характер. По сути, при разработке этих моделей ставилась задача понять механизмы этого явления. Первоначально был обоснован объемный (буферный) механизм светоиндуцированного дрейфа, возможный только при наличии буферного (не взаимодействующего с излучением) газа. При этом рассматривался безграничный пространственно однородный газ. Позднее был рассмотрен поверхностный механизм СИД однокомпонентного газа в каналах в условиях свободно-молекулярного и гидродинамического режимов.
Заметим, что ни одна из существующих теорий не описывала экспериментальные данные по скорости СИД разреженных газов в капиллярах в зависимости от давления не только количественно, но и качественно. Очевидно, теория, адекватная условиям реального эксперимента, учитывающая все основные механизмы СИД, должна быть основана на решении газокинетических уравнений Больцмана с подходящими граничными условиями. Построению такой теории явления СИД посвящена настоящая работа.
Работа выполнялась по планам научных исследований, проводимых на кафедре общей и молекулярной физики Уральского государственного университета. Работа поддерживалась грантами Международного научного фонда (1104000 и 1104300), Российского фонда фундаментальных исследований (№96-01-00756 и №99-01-00143) и грантом ’’Университеты России - фундаментальные исследования” (№472).
Цель работы состояла
- в разработке молекулярно-кинетической теории явления светоиндуцированного дрейфа однокомпонентного газа и бинарной газовой смеси в каналах при любых значениях числа Кнудсена (Лл);
- в описании экспериментальных данных по светоиндуцированной разности давлений и светоиндуцированному разделению бинарной газовой смеси в капилляре, и в разработке методики восстановления параметров взаимодействия возбужденных частиц с невозбужденными частицами поглощающего газа и с частицами буферного газа, а также с граничной поверхностью.
Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые
- раскрыты поверхностный и столкновительный механизмы СИД однокомпонентного газа на основе решения кинетических уравнений Больцмана во всем диапазоне чисел Кп;
- показано, что столкновительный механизм СИД однокомпонентного га-за является определяющим, так как именно он дает основной вклад в описание экспериментальной зависимости скорости СИД от числа Кп;
- на основе решения кинетических уравнений Больцмана во всем диапазоне чисел Кп раскрыты поверхностный и объемный (буферный) механизмы СИД бинарной газовой смеси;
- показана возможность и проведено исследование светоиндуцированного движения газовой смеси как целого.
Научная и практическая ценность работы. Полученные результаты
- предоставляют новые возможности и расширяют область исследований неравновесных свойств газов;
- могут служить основой для разработки принципиально новых методов разделения газовых смесей и изотопов в лабораторных условиях;
- могут быть использованы для экспериментального изучения параметров взаимодействия возбужденных частиц поглощающего газа с невозбужденными частицами, с буферными частицами и с граничной поверхностью.
Автор выносит на защиту:
1. теорию явления светоиндуцированного дрейфа однокомпонентного га-за в плоском и цилиндрическом каналах при произвольных значениях числа Кп;
2. теорию явления светоиндуцированного дрейфа бинарной газовой смеси в цилиндрическом канале при произвольных значениях числа Кп;
3. описание экспериментальных данных по светоиндуцированной разности давлений для однокомпонентного газа СН$Р и светоиндуцированному разделению бинарной газовой смеси (пары No - инертные газы) в капилляре и восстановление параметров взаимодействия возбужденных частиц с невозбужденными, с буферными частицами и с граничной поверхностью.
Апробация работы. Результаты исследований были представлены на научно-технической конференции ’’Вакуумная наука и техника” (Гурзуф, 1994), 3-м Международном форуме по тепломассообмену (Минск, 1996), Международной конференции ’’Неравновесные процессы в соплах и струях” (Москва, 1995), 18-м, 19-м, 20-м и 21-м Международных симпозиумах по динамике разреженного газа (Канада, 1992; Великобритания, 1994; Китай, 1996; Франция, 1998).
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 12 научных публикациях, список которых приводится в конце автореферата.
Объем и структура работы. Диссертация содержит 177 страниц машинописного текста, включая рисунки, приложения, таблицы и список литературы, состоящий из 75 наименований. Основной текст диссертации изложен на 140 страницах и состоит из введения, трех глав и заключения (основные результаты и выводы).
1. Разработана молекулярно-кинетическая модель явления светоиндуцированного дрейфа (СИД) однокомпонентного газа и бинарной газовой смеси в каналах при произвольных числах Кнудсена (Кп).
2. Впервые обоснована возможность светоиндуцированного гидродинамического потока бинарной газовой смеси в капиллярах и проведено его исследование.
3. Показано, что светоиндуцированный дрейф газов в каналах обусловлен тремя механизмами: а) поверхностным, связанным с различным взаимодействием возбужденных и невозбужденных частиц поглощающего газа с граничной поверхностью, б) объемным (буферным), обусловленным различием сечений столкновений возбужденных и невозбужденных частиц поглощающего газа с молекулами буферного газа, в) столкновительным, связанным с различием сечений столкновений возбужденных и невозбужденных частиц поглощающего газа между собой. В случае почти диффузного рассеяния частиц на стенках канала и при малом различии эффективных сечений столкновений возбужденных и невозбуж¬денных частиц поглощающего газа эти механизмы разделяются.
4. Исследована зависимость от числа Кп поверхностной и столкновительной составляющих скорости СИД однокомпонентного газа, а также поверхностной и буферной составляющих парциальных потоков бинарной газовой смеси. Установлено, что кинетический коэффициент, характеризующий поверхностную составляющую СИД, при переходе от свободно-молекулярного к гидродинамическому режиму монотонно уменьшается. Присутствие буферного газа усиливает это уменьшение. Кинетический коэффициент, характеризующий столкновительную составляющую СИД однокомпонентного газа, при Кп < 1 имеет максимум, при Кп » 1 - ми-нимум, а при промежуточных значениях Кп меняет знак. Кинетические коэффициенты, характеризующие объемную составляющую СИД, а так¬же поверхностную и объемную составляющие скорости буферного газа, имеют немонотонную зависимость от числа Кп с одним экстремумом при промежуточных значениях Кп.
5. Установлено, что с увеличением отношения частоты радиационного распада возбужденного уровня поглощаюших частиц к частоте их столкновений с буферными частицами скорости СИД бинарной газовой смеси монотонно убывает.
6. Показано, что направление поверхностных составляющих скорости поглощающего газа (СИД) и скорости буферного газа определяется знака-ми отстройки частоты излучения от центра линии поглощения и разности коэффициентов аккомодации невозбужденных и возбужденных частиц поглощающего газа. Направление столкновительной составляющей СИД однокомпонентного газа определяется не только знаками отстройки частоты излучения и разности эффективных сечений столкновений возбужденных и невозбужденных частиц, но и давлением газа в канале. Направление буферных составляющих скорости дрейфа компонентов газовой смеси определяется знаками отстройки частоты излучения и разности эффективных сечений столкновений возбужденных и невозбужденных частиц поглощающего газа с буферными частицами.
7. Разработана модель явления светоиндуцированной разности давлений (СРД) однокомпонентного газа в закрытом капилляре при любых числах Кнудсена. Проведено сопоставление с экспериментальными данными для молекул CH3F.Установлено, что столкновительный механизм является определяющим, так как именно он обусловливает немонотонную зависимость величины СРД от числа Кп, наблюдаемую в эксперименте.
8. На примере смесей паров Naс инертными газами (Не, Аг, Хе) показано, что сравнение полученных теоретических результатов с экспериментальными данными по светоиндуцированному разделению бинарных газовых смесей в капиллярах позволяет восстановить значения коэффициентов аккомодации и потенциальных параметров возбужденных частиц газа.
2. Впервые обоснована возможность светоиндуцированного гидродинамического потока бинарной газовой смеси в капиллярах и проведено его исследование.
3. Показано, что светоиндуцированный дрейф газов в каналах обусловлен тремя механизмами: а) поверхностным, связанным с различным взаимодействием возбужденных и невозбужденных частиц поглощающего газа с граничной поверхностью, б) объемным (буферным), обусловленным различием сечений столкновений возбужденных и невозбужденных частиц поглощающего газа с молекулами буферного газа, в) столкновительным, связанным с различием сечений столкновений возбужденных и невозбужденных частиц поглощающего газа между собой. В случае почти диффузного рассеяния частиц на стенках канала и при малом различии эффективных сечений столкновений возбужденных и невозбуж¬денных частиц поглощающего газа эти механизмы разделяются.
4. Исследована зависимость от числа Кп поверхностной и столкновительной составляющих скорости СИД однокомпонентного газа, а также поверхностной и буферной составляющих парциальных потоков бинарной газовой смеси. Установлено, что кинетический коэффициент, характеризующий поверхностную составляющую СИД, при переходе от свободно-молекулярного к гидродинамическому режиму монотонно уменьшается. Присутствие буферного газа усиливает это уменьшение. Кинетический коэффициент, характеризующий столкновительную составляющую СИД однокомпонентного газа, при Кп < 1 имеет максимум, при Кп » 1 - ми-нимум, а при промежуточных значениях Кп меняет знак. Кинетические коэффициенты, характеризующие объемную составляющую СИД, а так¬же поверхностную и объемную составляющие скорости буферного газа, имеют немонотонную зависимость от числа Кп с одним экстремумом при промежуточных значениях Кп.
5. Установлено, что с увеличением отношения частоты радиационного распада возбужденного уровня поглощаюших частиц к частоте их столкновений с буферными частицами скорости СИД бинарной газовой смеси монотонно убывает.
6. Показано, что направление поверхностных составляющих скорости поглощающего газа (СИД) и скорости буферного газа определяется знака-ми отстройки частоты излучения от центра линии поглощения и разности коэффициентов аккомодации невозбужденных и возбужденных частиц поглощающего газа. Направление столкновительной составляющей СИД однокомпонентного газа определяется не только знаками отстройки частоты излучения и разности эффективных сечений столкновений возбужденных и невозбужденных частиц, но и давлением газа в канале. Направление буферных составляющих скорости дрейфа компонентов газовой смеси определяется знаками отстройки частоты излучения и разности эффективных сечений столкновений возбужденных и невозбужденных частиц поглощающего газа с буферными частицами.
7. Разработана модель явления светоиндуцированной разности давлений (СРД) однокомпонентного газа в закрытом капилляре при любых числах Кнудсена. Проведено сопоставление с экспериментальными данными для молекул CH3F.Установлено, что столкновительный механизм является определяющим, так как именно он обусловливает немонотонную зависимость величины СРД от числа Кп, наблюдаемую в эксперименте.
8. На примере смесей паров Naс инертными газами (Не, Аг, Хе) показано, что сравнение полученных теоретических результатов с экспериментальными данными по светоиндуцированному разделению бинарных газовых смесей в капиллярах позволяет восстановить значения коэффициентов аккомодации и потенциальных параметров возбужденных частиц газа.