Введение к работе
'
Актуальность работы
Являющиеся объектом исследования диссертации процессы, протекающие на межфазной границе самых различных гетерогенных систем газ-твёрдое тело, оказывают заметное влияние на многие их свойства. Особенно это относится к движению космических аппаратов в верхних слоях атмосферы, функционированию вакуумных и оптических приборов, процессам отделения радиоактивных примесей и дыхания в биологических мембранах, когда взаимодействие между газом и твёрдой стенкой становится определяющим.
Несмотря на то, что проблема построения адекватных граничных условий в подобных задачах возникла ещё в конце XIX века вместе с рождением самой молекулярно-кинетической теории, лишь в последние десятилетия выяснилось всё действительное многообразие и сложность физико-химических явлении, сопровождающих рассеян»!.; газовых частиц на поверхности твёрдого тела. Однако более чем двадцатилетнее бурное развитие межфазной динамики до сих пор не привело к созданию теоретической модели, описывающей поверхностные процессы рассеяния с единых позиции в любом режиме взаимодействия и одновременно имеющей достаточно простой для её практического применения вид.
Традиционные классические методы решения данной граничной задачи, хртя и удовлетворяют второму требованию, не способны интерпретировать сугубо, квантовые эффекты типа дифракции молекулярных пучков на поверхности монокристалла, что является их главным и принципиальным недостатком. Успехи ;ке обобщённых кваитово-мехаиических трактовок при описании отражения.от твёрдой границы выескоэнерге-' тичных галозых частиц сочетаются с серьёзными трудностями теории в области низких энергий налетающего газа и температур поверхности, когда характер поседения молекул в зоне их взаимодействия с атомами кристаллической решётки мало напоминает обычное столкновение и, как правило, включает в себя процессы термализации, адсорбции и десорб-
4 ции, сопроыккдающиеся" таїсим больший числом промежуточных состо; нніі, что динамические подходы становятся иросто неосуществимыми.
Таким образом, на современном этане развития газовой динамик очень актуальной является проблема создания полностью обоснованно модели рассеяния газовых частиц поверхностью, справедливой бо вес области изменения его условий, которая после усреднения но излишни микроскопическим параметрам будет иметь максимально простой дл эффективного её применения в практических расчётах вид. но сохрани принтом свою адекватность реальным явлениям и процессам, нротекак щим на твёрдой границе.
Приведённое в диссертации теоретическое исследование нредстаї
ляет собой один из возможных путей решения данной проблемы.
Цель работы - _
Анализ современного состояния и возможных перспектив развита исследований в области взаимодействуя газ-твёрдое тело, составление мі. иималыюго набора экспериментальных факто.!, правильную интерпретг цшо которых должна давать любая теоретическая модель межфазног взаимодействия, претендующая на всеобщность применимости.
Разработка общего подхода, к описанию процессов рассеяния газ на меясфазной границе, структурно отралсающего многократность стол* новений газовых частіш с атомами кристаллической решётки и сущесі венпо упрощающего теоретический, анализ рассматриваемой проблемы подавляющем большинстсе реальных ситуаций.
Построение теоретической модели граничного условия, которая бы ла бы справедливой во всей области изменения параметров межфазног взаимодействия и одновременно имела бы максимально простой вид дл. широкого практического применения.
Исследование возможностей реализованного подхода ири трактовк процессов рассеяния в наиболее интересном и слабо изученном теплово; режиме. Сопоставление предсказываемого теорией поведения рассмагри ваемьгх гетерогенных систем с данными соответствующих экспериментов
Научная новизна
В диссертации предложен новый способ построения граничного условия, который представляет процесс межфазного взаимодействия, как последовательность не связанных между собой событии (жёстких столкновений газовых ч истиц с атомами кристаллической решётки и последующей "их эволюции з области притяжения). Такой его вид структурно отражает возможность многократных столкновений молекул с поверхностью и. значительно упрощает теоретическиІЇ анализ в теплово:! режиме рассеяния.
На основе сокращенного статистического описания поведения газа в области потенциала притяжения построен полностью обоснованный многопроходный вариант ядра известного интегрального граничного оператора, не встречавшийся ранее в научной литературе.
Оригинальная структура многопроходного ядра рассеяния использована при создании его кзазннеетационарного аналога, позволяющего на практике изучать поведение различных характеристик систем газ-твёрдое тело во времени с помощью стационарных решений соответствующих эволюционных уравнений, что является уникальной особенностью реализуемого в работе подхода.
При анализе явлений, наблюдающихся с ходе рассеяния на поверхности моноэиергегнческого пучка газовых молекул, впервые получены бимодальные расчетные времяпродётпке распределения и индикатрисы рассеяния, достаточно точно повторяющие неоднократно наблюдаемые в экспериментах аналоги.
Предложенный подход к решению граничной задачи впервые позволив провести исследование процесса постепенной термализации захваченных поверхностью газовых частиц, в ходе которого обнаружено, что вопреки существующим взглядам це зависящее от начальных условий распределение по скоростям полностью термалнзооапного газа никогда не соответствует поверхностному максвеллиаиу.
Проведённое теоретическое моделирование процесса десорбции газа
6 с повер поста твёрдого тела при различных условиях выявило причины существования явления так называемой немаксвелловской десорбции, одна из форм которой была сравнительно недавно открыта экспериментально и до сих пор не получила своего детального объяснения.
Практическая ценность
Предложенный, в работе общий подход к описанию взаимодействия газ-позерхность является основой для создания целой серии конкретных граничных условий, которые будут полезны в научных и практических приложениях молекулярно-кинегической теории различной степени строгости.
Построенная и протестированная практическая модель многопроходного ядра рассеяния позволяет провести обоснованный расчёт обменных коэффициентов л коэффициентов аккомодации молекулярных признакоз на поверхности в газодинамических задачах, возникающих при моделировании вакуумных систем и анализе движения космических аппаратов в верхних слоях атмосферы.
Проведенное в работе исследование поведения газа вблизи межфазной границы расширяет научные представления о процессах, протекающих в природных и искусственных мембранах, что должно учитываться при их производстве и практическом использовании в технике, биофизике и медицине.
Применение разработанного подхода и конкретных моделей ядра рассеяния к анализу процессов захвата молекул газа на поверхности и их постепенной гермализации помогает глубже понять механизмы явлении домонослойной адсорбции и десорбции, что может Фыть «спользовано в технике создания различных покрытий, основанной на .методах молекулярной эпитаксии.
Автор защищает:
- общий теоретический подход к трактовке межфазного взаимодействия, представляющий процесс рассеяния газовой частицы на поверхности как последовательность одинаковых повторяющихся событий;
-общую форму многопроходного ядра рассеяния, соответствующую сокращённому статистическому описанию обеих подсистем гетерогенной системы газ-твёрдое тело;
-конкретный вид ядра рассеяния, основанный на предположении о диффузионном характере эволюции газа в поверхностной области, который позволяет не только получить конечный результат рассеяния, но и описать процессы захвата частиц в связанное'состояни", их постепенную термализацию и десорбцию;
результаты теоретического анализа процесса отражения от поверхности моноэнергетнческого коллимировашгаго пучка и их сопоставление с соответствующими экспериментальными данными;
способ анализа поведения гетерогенных систем газ-твёрдое тело во времени с помощью квазинестационарной модели ядра рассеяния, построенной на основе решений стационаоных эволюционных уравнений;
-результаты теоретического моделирования явлен:'Ч захвата газовых частиц в поверхностную потенциальную яму, их постепенную термализацию и десорбцию для разных условий межфазного взаимодействия.
Апробация работы
Результаты диссертационной работы были доложены на 15th International Symposium on rarefied gas dynamics (Grado, Italy, 1986 г.); на IX Всесоюзной конференции по динамике разреженных газов (Свердловск, 1Q87 г.); на'Всесоюзном семинаре по взаимодействию газов с поверхностью (Москва, НИИМеханики, МГУ, 1988 г.); на Международной школе-семинаре "Кинетическая теория'процессов переноса при испарении и конденсации" (Минск, 1991 г.); на 17th International Symposium on rarefied gas dynamics (Aachen, Germany, 1991 г.).
Публикации
Основные результаты исследований, представленных в диссертации, опубликованы в работах [1-8].
Структура и объём работы
Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка
- 8-. используемой литературы. Работа изложена на 238 страницах и включає' 45 рисунков. Список литературы содержит 85 наименований.