Экспериментальное исследование фотофореза в газах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Обзор литературы по фотофорезу

1.1. Теория фотофореза

1.1.1. Электродинамическая задача

1.1.2. Тепл офизическая задача

1.1.3. Газокинетическая задача

1.2. Экспериментальные исследования фотофореза

1.2.1. Измерение фоТофоретической силы, действующей на левити- 25 рующую в электрическом поле частицу

1.2.2. Осаждение частиц в поле оптического излучения и измерение 32 фотофоретической скорости

1.2.3. Модельные эксперименты

Выводы

ГЛАВА 2. Моделирование фотофореза

2.1. Корректность моделирования фотофореза с использованием 41 макроскопических модельных частиц

2.2. Учет погрешностей термопар

2.3. Теплопроводность модельных частиц

2.4. Оптические свойства модельных частиц 53 Выводы

ГЛАВА 3. Экспериментальная установка и методика измерений

3.1. Рабочая, камера

3.2. Система откачки, напуска и измерения давления

3.3. Крутильные весы 64 3 .4. Калибровка крутильных весов

3.5. Источник излучения. Измерение интенсивности излучения

3.6. Методика измерений фотофоретической силы

Выводы

ГЛАВА 4. Результаты и их обсуждение

4.1. Зависимость фотофоретической силы от рода и степени раз- 80 реженности газа

4.2. Зависимость фотофоретической силы от размера частицы

4.3. Зависимость фотофоретической силы от относительной теп- 99 лопроводности частицы и газа

4.4. Зависимость фотофоретической силы от интенсивности излу- 100 чения и пределы применимости линейной теории

4.5. Наблюдение отрицательного фотофореза

4.6. Оценка возможности фотофоретической левитации аэрозоль- 106 ных частиц в атмосфере Земли

Выводы

Основные результаты

Частицы взвешенных в газе аэрозолей при освещении их светом приходят в движение, которое в общем случае имеет сложный характер и зависит от интенсивности и длины волны падающего излучения, давления и рода газа, структуры и формы частиц, а так же от наличия внешних силовых полей. Это явление впервые было обнаружено Ф. Эренхафтом [1] в 1910 году в экспериментах по определению элементарного заряда и получило название фотофорез. Ф. Эренхафт назвал «положительным фотофорезом» движение частиц по направлению светового пучка и «отрицательным фотофорезом» - движение частиц против светового пучка, в направлении к источнику излучения. В экспериментах Эренхафту не удалось обнаружить зависимость фотофоретическо-го эффекта от рода и давления газа, в котором были взвешены частицы, поэтому им была предложена трактовка фотофореза как «электродинамического эффекта второго порядка».

Дальнейшие исследования этого явления [2, 3, 4] показали, что причиной вызывающей движение частиц, является их неоднородный нагрев излучением и взаимодействие с газом, т.е. фотофорез интерпретируется как проявление радиометрического эффекта, на котором основано действие радиометра Крук-са [5, 6]. В общем случае радиометрический эффект заключается в возникновении силы, действующей со стороны газа на тело, помещенное в этот газ, в отсутствие теплового равновесия, которое может быть создано различными способами [7, 8]. В случаях радиометра Крукса и аэрозольных частиц неравновесность вызвана асимметричным нагревом лопастей радиометра или поверхности аэрозольных частиц вследствие поглощения излучения. Направление вращения радиометра - от темной стороны лопастей к светлой - и движения аэрозольных частиц определяется оптическими свойствами. У сильно поглощающих излучение частиц нагревается сильнее освещенная сторона, и имеет место положительный фотофорез; у слабо поглощающих частиц, особенно еели их размеры сопоставимы с длиной волны падающего излучения, более нагретой может оказаться теневая сторона, и возникнет отрицательный фотофорез.

О. Прайнинг [11] анализируя результаты ранних качественных экспериментов по фотофорезу предложил следующую эмпирическую классификацию, основанную на характере движения аэрозольных частиц и возможных его причинах:

1. нерегулярный фотофорез (отсутствует выделенное направление движения частиц),

2. простой фотофорез (одно выделенное направление), а) чистый (радиометрический) фотофорез (по световому лучу), б) гравитофотофорез (по направлению силы тяжести), в) электро- и магнито- фотофорез (по направлению силовых линий электрического или магнитного поля),

3. сложный фотофорез (имеется по крайней мере два выделенных направления движения частиц).

Рассматривая влияние целого комплекса силовых механизмов, характерных для различных экспериментальных условий, О. Прайнинг показал принципиальную возможность описания всех видов наблюдавшихся фотофоретических движений аэрозольных частиц.

Наряду с радиометрической интерпретацией фотофореза появилась так же «аккомодационная» трактовка фотофореза, предложенная Г. Рохачеком [9, 10]: так называемый «Да-гравитофотофорез». Согласно этой концепции, аэрозольная частица имеет существенно отличающиеся аккомодационные свойства на различных сторонах своей поверхности (различные коэффициенты аккомодации энергии), а так же смещенный относительно геометрического центра центр тяжести. Под действием излучения и силы тяжести частица ориентируется в пространстве таким образом, что различие аккомодационных свойств ее поверхности обеспечивает устойчивое движение или левитацию под действием «гравитофотофоретической» силы. Остается, однако, непонятным происхождение такого рода частиц в реальных условиях.

Таким образом, на сегодняшний день имеется две принципиально различных точки зрения на природу фотофореза аэрозолей в газах (радиометрическая и аккомодационная). Для описания «Аа-гравитофотофореза» Г. Рохаче-ком [9, 10, 12, 13] предложены эмпирические формулы, однако, модели рассматриваемые в этих работах и методы получения результатов выглядят неубедительно. Исследованию радиометрического фотофореза посвящено гораздо большее число как экспериментальных так и теоретических работ, результаты которых обсуждаются в первой главе.

Можно констатировать, что радиометрический фотофорез представляет собой комплексный эффект, обусловленный взаимодействием излучения с веществом аэрозольной частицы, что приводит к неоднородному нагреву ее поверхности, и переносом импульса и энергии с поверхности частицы в окружающий газ. Его теоретическое описание в полном объеме возможно на основе электродинамической теории Ми [14, 15] и кинетической теории газов [16, 17, 18]. В настоящее время имеется целый ряд теоретических моделей для предельных случаев, отличающихся граничными условиями на поверхности частицы и применимых для разных диапазонов параметров частиц и газов. Для описания фотофореза в широком диапазоне изменения всех практически важных параметров в настоящее время имеется одна теория [19, 20].

Однако вопрос о справедливости теории остается открытым из-за недостатка достоверных экспериментальных данных. В силу комплексного характера фотофоретического эффекта для корректного сравнения теоретических моделей с экспериментом наряду с измерением фотофоретической силы, действующей на частицу, или скорости частиц, требуется определение размеров, плотности, оптических и теплофизических свойств частиц, интенсивности излучения, давления газа, что является сложной экспериментальной задачей.

С появлением генераторов аэрозольных частиц, развитием методов левитации частиц в переменных электрических полях и обработки видеоизображений появилась возможность более детального и всестороннего изучения фо-тофореза. Тем не менее, большинство развитых к настоящему времени методик позволяет исследовать прежде всего оптический аспект явления.

Многие трудности снимаются в так называемых модельных экспериментах, когда аэрозольная частица моделируется частицей макроскопической, но используются соответственно более низкие давления газа, чтобы обеспечить ту же степень разреженности [21, 22]. Боголеповым А.И., Быстраем Г.П. и др. [23 - 26] показано, что модельная методика является мощным и эффективным средством экспериментального исследования газокинетического аспекта фо-тофореза, в то же время, с точки зрения электродинамики, в модельном эксперименте реализуется предел геометрической оптики, так как в видимом диапазоне электромагнитного излучения невозможно получить то же соотношение длины волны излучения и размеров, что и для частиц аэрозоля. Однако авторам [21 - 26] не удалось в полной мере реализовать всех преимуществ этого метода.

Использование различных экспериментальных методик позволяет в принципе исследовать различные аспекты фотофореза и его проявления в различных предельных случаях. Тем не менее, большинство известных экспериментальных работ носят качественный и несистематический характер, в тех же работах, где в широких пределах варьировались параметры эксперимента велика погрешность определения теплофизических и оптических свойств частиц, интенсивности излучения, что позволяет на основе их результатов подтвердить все существующие модели фотофореза. Таким образом, систематическое экспериментальное исследование фотофореза в широком диапазоне изменения параметров остается актуальной задачей.

Интерес к фотофорезу вызван так же его большими потенциальными возможностями в прецизионных аэрозольных технологиях [27] и нанотехнологиях, газоочистке [28], в лабораторных методиках удержания частиц в ловушках [29, 30] и т.д. Значимую роль фотофорез играет и в динамических процессах с атмосферными аэрозолями [9, 12, 31 - 34], В частности, при поглощении частицами солнечного и уходящего с земной поверхности инфракрасного излучения могут возникать интенсивные вертикальные перемещения атмосферных аэрозолей определенных типов (в первую очередь, сажевых частиц) на больших высотах (в верхней тропосфере и стратосфере). Такого рода эффекты могут существенно влиять на радиационный баланс атмосферы [35] pi должны корректно учитываться в моделях вертикального переноса аэрозолей в стратосфере.

Целью данной работы является совершенствование известных модельных методик исследования фотофореза для достижения точности измерений, необходимой для корректного сравнения экспериментальных результатов с теорией и проведение измерений фотофоретической силы в широком диапазоне определяющих параметров. Настоящая работа является продолжением экспериментальных исследований, начатых на кафедре общей и молекулярной физики УрГУ Боголеповым А.И., Быстраем Г.П. и др. [23 - 26], анализ результатов которых позволил определить направление совершенствования экспериментальной методики и модернизации экспериментальной установки.

В частности:

1. усовершенствована схема измерения фотофоретической силы с помощью крутильных весов в условиях вакуума (разработана система подстройки нулевого положения, использован стабилизированный //-'-генератор в качестве датчика смещения, разработана дополнительная методика градуировки, что позволило снизить чувствительность метода к точности электростатической компенсации измеряемой силы; для повышения стабильности весов и достижения хорошей воспроизводимости результатов применена отличная от [25, 26] система подвешивания коромысла и модельной частицы);

2. разработана оригинальная методика измерения интенсивности излучения в условиях вакуума, что привело к снижению погрешности определения этой величины в 1,5 - 2 раза по сравнению с [23 - 26];

3. произведен обоснованный выбор материалов модельных частиц, что обеспечивает широкий диапазон изменения относительной теплопроводности частицы и газа и исключает возможность возникновения сил, отличных от фотофоретической, за счет газовыделения из объема частиц и деградации сажевого покрытия поверхности модельных частиц, использовавшегося в [23 - 26] для увеличения поглощения излучения;

4. в независимых экспериментах определены теплофизические свойства модельных частиц, что снижает в среднем общую погрешность при сравнении с теорией на 7 - 10 % по сравнению с [23 - 26];

5. разработана оригинальная методика независимого экспериментального определения факторов поглощения и асимметрии поглощения для модельных частиц, что позволило отказаться от необходимости чернить поверхность модельных частиц сажей, свойства которой в [23 - 26] не исследовались;

6. исследовано температурное ноле на поверхности модельных частиц, испытывающих фотофорез, в зависимости от времени (с момента включения источника излучения), давления газа, интенсивности излучения;

7. впервые с использованием модельной методики проведены измерения сил отрицательного фотофореза при различных интенсивностях излучения и давлениях газа.

Работа состоит из введения, четырех глав и приложений.

Во введении кратко дается история исследования фотофореза, современное состояние вопроса, возможные приложения фотофореза и формулируется цель работы.

Первая глава содержит обзор теоретических и экспериментальных работ, посвященных фотофорезу. Теоретические работы анализируются с точки зрения подходов к решению задачи о фотофорезе и границ применимости результатов. Выясняются основные зависимости фотофоретической силы от свойств частиц, газов, интенсивности излучения, определяются диапазоны изменения параметров. Экспериментальные работы рассматриваются с точки зрения возможности качественного и количественного сравнения их данных с теоретическими моделями и результатами настоящего исследования.

Вторая глава посвящена модельным частицам. Обосновывается корректность моделирования аэрозольных частиц макроскопическими объектами, производится отбор материалов модельных частиц, описывается методика вспомогательных экспериментов по определению теплофизических и оптических параметров модельных частиц и приводятся их результаты.

Третья глава содержит описание экспериментальной установки для измерения фотофоретической силы в широком диапазоне давлений газов и ин-тенсивностей излучения, методики измерений, обсуждается воспроизводимость результатов и погрешности измерений.

В четвертой главе представлены и обсуждаются полученные результаты для фотофоретической силы как функции различных параметров эксперимента, проводится сравнение с теорией и известными результатами других авторов.

В приложениях приведены таблицы полученных экспериментальных данных.

L Восстановлена и усовершенствована экспериментальная установка, воз ляющая измерять малые силы, действующие на образец, находящийся в газе в широком диапазоне давлений, при помощи крутильных весов с ем костным датчиком смещения коромысла и электростатической компенса цией измеряемой силы. Минимизированы погрешности в определении оптических и теплофизических свойств частиц, интенсивности излуче ния.2. Корректно поставлена и решена задача экспериментального исследования явления фотофореза при известных значениях определяющих парамет ров. Впервые получены систематические результаты измерения фотофо ретической силы в диапазоне чисел Кнудсена Кп=0.00\-г20 в одноатом ных и многоатомных газах при изменении отношения теплопроводности частицы к теплопроводности газа от 6 до 380, интенсивностей излучения от 500 до 3000 Вт/м1

3. Проведено моделирование положительного и отрицательного фотофореза с помощью модельных частиц с различными факторами асимметрии по глощения излучения.4. Зависимость фотофоретической силы от степени разреженности газа име ет характерный куполообразный вид с максимумом в области АГл=0,2-^

0,5. На положение максимума влияет относительная теплопроводность частицы и газа, род газа и состояние поверхности частицы. В свободно молекулярном режиме зависимость фотофоретической силы от числа Кнудсена обратно пропорциональная, в вязком со скольжением - прямо пропорциональная.5. Экспериментально установлена предсказываемая теориями обратно про порциональная зависимость фотофоретической силы от относительной теплопроводности частицы и газа,

6. Исследована зависимость силы от интенсивности оптического излучения.Экспериментально подтверждены границы применимости линейной тео рии.7. Обнаружена выраженная зависимость фотофоретической силы от харак тера взаимодействия молекул газа с поверхностью частицы. Показано, что коэффициенты аккомодации энергии и нормального импульса моле кул газа на поверхности частицы оказывают совместное влияние на фо тофоретическую силу, которое может быть формализовано введением «радиометрического» коэффициента аккомодации.8. Исследована зависимость фотофоретической силы от размера частицы при фиксированном давлении газа. Показано, что зависимость степенная, с показателем степени, монотонно возрастающим от единицы до трех при переходе от вязкого со скольжением к свободномолекулярному режиму.Для модельных частиц в свободномолекулярном режиме монотонность нарушается из-за существенной роли радиационного теплообмена нагре той частицы и окружающей среды.9. Проведено сравнение полученных результатов с известными теориями фотофореза. Установлено, что результаты расчетов Береснева А, Чер няка В.Г и Фомягина Г.А. [19, 20] - наиболее общая и единственная при менимая ко всему диапазону чисел Кнудсена теория - хорошо согласуют ся с экспериментальными данными при реальных значениях коэффици ентов аккомодации для технических поверхностей во всем исследован ном диапазоне определяющих параметров, за исключением нелинейного по интенсивности излучения случая.10.Проведена оценка возможности фотофоретической левитации аэрозоль ных частиц в атмосфере Земли. Показано, что радиометрический фото форез может быть причиной длительного пребывания сажевого аэрозоля в стратосфере Земли.

1. Hettner G. Neuere experimentelie und theoretishe Untersuchungen uber S.209-234. 4 5 6 7 8 Epstain P.S. Zur Theorie des Radiometers. 1929. Z.Phys. V.37, P.

2. Дэшман Научные основы вакуумной техники. М., "Мир", 1971, 716 Яккель Р. Получение и измерение вакуума. М.: ИЛ, 1952, 343 Brock J.R. On radiometer force. J. Colloid Interface Sci., 1967. V.25. No,4. -P.564-

3. Вынужденная конвекция однофазной жидкости. М,: Изд. МЭИ, 1998. 150-153. 78 Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел. М.: «Наука», 1964, 230-236. 79 Ковалев Ф.Д., Гулин М.В. Из.мерение коэффициентов теплопроводности