Кинетические модели адсорбции и десорбции одноатомного газа поверхностью твердых тел тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

С!

КИНЕТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ АДСОРБЦИИ И ДЕСОРБЦИИ ОДНОАТОМНОГО ГАЗА ПОВЕРХНОСТЬЮ ТВЁРДЫХ ТЕЛ

Специальность 01.04.14. - Теплофизика и молекулярная физика

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Екатеринбург 1996

Работа выполнена в Институте промышленной экологии Уральского Отделен ля Российской Академии Наук.

Научный руководитель Научный консультант Официальные оппоненты

Ведущая организация

Защита диссертации состоится "¿и- /иС)__ 1996 г. в

часов 00 минут на заседании диссертационного совета К 063.14.11 при Уральском государственном техническом университете (УЛИ) в аудитории Ф-419, 5-й учебный корпус.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Ваш отзыв в одном экземпляре, заверенный гербовой печатью, просим направлять по адресу: €20002, Екатеринбург, К-2, УГТУ, учёному секретарю университета.

Автореферат разослан - /6 - аярт 1996 г.

- доктор физико-матс. ;атических наук, профессор Селезнёв В.Д.

- кандидат физико-математических наук, доцент Токманцев В.И.

- доктор физико-математических наук, профессор Устинов В.В.;

- кандидат физико-математических наук, доцент Довгопол С.П.

- Уральский государственный университет

Учёный секретарь диссертационного совета, к.ф.-м.н., доцент

Кононснко Е.В.

' ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 рассеянно 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 позиций 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 :;сс обобщённых кваптово-механпческих трактовок при описании отражения. от твёрдой границы высскоэнерге-' тичных галозых частиц сочетаются с серьёзными трудностями теории в области низки.Ч 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-

ции, сопровождающиеся таким большим числом промежуточных состо; кий, 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 при ртом свою адекватность реальным явлениям и процессам, протекак щим на твёрдой границе.

Приведённое в диссертации теоретическое исследование нредста! 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 м! иималыюго набора экспериментальных факта.!, правильную интерпрет; 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 отражающего многократность столп новений газовых частиц с атомами кристаллической решётки и сущест венно упрощающего теоретический, анализ рассматриваемой проблемы подавляющем большинстсе реальных ситуаций.

Построение теоретической >;одели граничного условия, которая бы ла бы справедливлй со всей области изменения параметров межфазног взаимодействия и одновременно имела бы максимально простой вид дл широкого практического применения.

Исследование возможностей реализованного подхода ¡¿ри трактовк процессов рассеяния в наиболее интересном и слабо изученном теплово; режиме. Сопоставление предсказываемого теорией поведения рассматри ваемых 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 "истин с атомами кристаллической решётки и последующей'их эволюции з области притяжения). Такой его вид структурно отражает созмолскость многократных столкновений молекул с поверхностью 1! значительно упрощает теоретический анализ в тепловоз режиме рассеяния.

На основе сокращённого статистического описания поведения газа в области потенциала притяжения построен полностью обоснованны!-: многопроходный вариант ядра известного интегрального граничного оператора, не встречавшийся ранее в научной литературе.

Оригинальная структура многопроходного ядра рассеяния использована при создании его квазинестационариого 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 моноэпергетичеасого 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 поз-волн.. провести исследование процесса постепенной термализации захваченных поверхностью газовых частиц, в ходе которого обнаружено, что вопреки существующим взглядам не зависящее от начальных условий распределение по скоростям полностью термализошшного газа никогда не соответствует поверхностному каксвеллиаку.

* .

Проведённое теоретическое моделирование процесса десорбции газа

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-кинетической теории различной степени строгости.

Построенная и протестированная практическая модель многопроходного ядра рассеяния позволяет провести обоснованный расчёт обменных коэффициентов л коэффициентов аккомодации молекулярных признаков на поверхности в газодинамических задачах, возникающих при моделировании вакуумных систем и анализе движения космических аппаратов в верхних слоях атмосферы.

Проведённое 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 использован и и в технике, биофизике и медицине.

Применение разработанного подхода и конкретных моделей ядра рассеяния к анализу процессов захвата молекул газа на поверхности и юс постепенной германизации помогает глубже понять механизмы явлении домонослойной адсорбции и десорбции, что может быть использовано 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 моноэнергетического коллимированного 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

• . s

использусмой литературы. Работа изложена на 238 страницах и включас 45 рисунков. Список литературы содержит 85 наименований.

OCHOJBHOE СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении прежде всего обосновывается актуальность и практи ческая значимость рассматриваемой проблемы. Далее делается вывод < большей перспективности квантово-кинетическнх подходов к её решении против квантово-динамических, даётся общая характеристика содержание работы и достигнутых результатов, а также приводятся основные поло жения, выносимые на защиту.

В первой главе анализируется современное состояние исследованш взаимодействия газ-твёрдое тело и важнейшие достигнутые при этом ре зультаты. '

Сначала проводится классификация основных каналов рассеяши газа поверхностью и явлений, сопровождающих движение молекул пс ним. Предлагается выделять наряду с двумя традиционными каналам! прямого рассеяния и адсорбционно-десорбционным ещё один промежу точный канал, названный квазиадсорбционно-десорбционным, которые зачастую (особенно в тепловом режиме взаимодействия) играет само сгоятельную и весьма заметную роль.

Даётся достаточно подробный обзор основных экспериментальны} данных о явлениях, сопровождающих рассеяние в разных его режимах представленная совокупность которых вполне может исполнять роль тес тового набора для теоретических моделей межфазного взаимодействия претендующих на .всеобщность описания. Среди них обнаруженные i опытах с молекулярными пучками лепестковое рассеяние, когда иптен спвпость отражённого потока представлена характерным лепестком; клас снческое радужное рассеяние, когда наряду с главным дебетном появ ляется один или несколько побочных; квантово-механическое радужное рассеяние и дифракция, когда распределение вылетающих частиц харак теризуется целым набором очень узких пиков, расположенных в про

странстве со строгой периодичностью.

В глубоком тепловом режиме мекфа.шого взалмодеЛстпия лепестковая индикатриса очень часто содержит вклад второй, более широкой составляющей, которая искажает форму первичного лепестка и связана с потоком частиц, захваченных поверхностью п ходе рассеяния и десорби-ровавшихся после полной тср.чализаиии.

Исследованию характеристик десорбции посвящено достаточно много работ, но лить в последние 20 лет были получены неопровержимые экспериментальные доказательства сё нетрнииатьностн. Вопреки долго господствовавшему убеждению о равновесности свойств десорбционного потока оказалось, что на самом деле распределения молекул в нём по направлениям вылета, скоростям и анергиям почти никогда не подчиняются законам Кнудсена, Максвелла и Больцмана.

Однако более необычна неоднозначность отклонений от них в различных ситуациях. Так,в одних случаях индикатриса десорбции оказывается вытянутой по сравнению с равновесной, а в других приплюснутой, хотя механизмы активации частиц, находящихся в связанном состоянии, должны быть едиными. • • . '

Набор экспериментальных данных па прямому рассеянию и десорбции дополнен хорошо известными и новыми результатами измерения таких обменных коэффициентов, как коэффициент аккомодации энергии и вероятность адсорбции. " -

Далее проведён анализ различных теоретических'подходов к интерпретации изан моде и стаи я газ-поверхность, отмечены их преимущества и недостатки. Начинается он с простейших феноменологических моделей ядра рассеяния и основанных на конкретных представлениях о структуре поверхности классических моделях твёрдых и мягких кубов. Упоминаются также подходы, представляющие собой прямые классические численные расчёты (точнее их можно назвать численным экспериментом).

Естественно, достаточное внимание уделяется квантсво-механической теории рассеяния в альтернативных её формулировках. Являясь полностью адекватными действительности,они, тем ие менее, имео* одни

серьёзный недостаток - чрсзвычайцс сложный шд при анализе сильно иеупругих процессов, который полностью не преодолен даже в наиболее прогрессивном квазикласслческом подходе, если применять его для глубокого теплового режима взаимодействия.

С этой точки зрения несомненное преимущество имеют рассмотренные последними неравновесно-статистические варианты интерпретации поверхностных процессов. В квазикласс)!ческом пределе они базируются на идее сокращённого описания системы газ-твёрдое тело, при котором решение задачи сводится к описанию эволюции одно-частичной функции распределения газовых частиц в пограничном ело:*, обусловленной их взаимодействием с фононами кристаллической решётки.

Следующее далее обсуждение основных недостатков существующих теорий приводит к выводу о том, что наиболее перспективным направлением развития теоретических представлений о поверхностных процессах следует признать последовательный кинетический «вантово-стагнсгическкй подход к решению проблем рассеяния, адсорбции и десорбции. Изложением основных его положений и заканчивается первая глава.

Вторая глава посвящена описанию предлагаемого общего подхода :с трактовке межфазного взаимодействия и принципов построения сначала обобщённой формулировки ядра рассеяния, а затем и конкретной его модели, рекомендуемой для практического' применения.

Предлагаемый способ деления рассматриваемых гетерогенных актом на пять составляющих её частей. (свободный объём газовой -фазы, области мягкого и жёсткого межфазного взаимодействия с потенциалами -и,(?) и Ц,(г), поверхностный сдой и термостат кристалла) даёт возможность значительно упростить решение граничной задачи за счёт вполне обоснованного использования сокращённого статистического описания отдельных подсистем. Анализ времён характерных процессов, протекающих при рассеянии, подтверждает правомерность этого предположения для свободного объёма и области мягкого притяжения в тепловом и переходном режимах, по одновременно свидетельствует, что ничего подобного

не наблюдается* ни в области жёсткого отталкивания, ни в обоих подсистемах кристалла. Таким образом, задача рассеяний газовых частиц на поверхности распадается на две взаимосвязанные задачи: вывод и решение кинетического уравнения для газовой, функции распределения в зоне действия потенциала притяжения и получение граничного условия к нему, учитывающего отражение молекул потенциалом отталкивания.

Возможность проведения раздельного описания двух выделенных подсистем газовой фазы позволяет изменить традиционный взгляд на процесс рассеяния, как на однократный акт. Именно большое число промежуточных состояний, которые проходят захваченные кристаллом частицы до своей десорбции, вызывает практически непреодолимые трудности при попытке использования в газодинамических расчётах обобщённых решений, полученных в рамках известных достаточно строгих квантово-механических подходов. Отсутствие же корреляционных связей между подсистемами газовой фазы позволяет представить движение молекул газа в области межфазного взаимодействия после захвата в потенциальную яму как цепочку последовательных столкновений с кристаллом, '

напоминающих своеобразные "скачки" (см. рис. 1).

•

р.с) р;ю

Рис. 1. Характер движения газовых части и области действия флуктуирующего потенциального поля кристалла

Математическая трактовка такой многократности столкновений с поверхностью в общем случае ириводит к граничному оператору, струк-

турно отражающему особенности эве попки газа в связанном состоянии и существенно упрощающему теоретическую трактовку межфазного взаимодействия. Он представляет собой ряд, каждый член которого характеризует частицы, испытавшие соответствующее число столкновений с атомами кристалла. При квазиклассичсском описании газа в области мягкого взаимодействия, что справедливо в подавляющем большинстве случаен, этот оператор можно свести к следующему ядру рассеяния, названному з работе "многопроходным",

где

ь-о

■ »

—<?) = ¡¿Г ¡¿т" .]<р")

»;>о

>1" С» "%«> «' -О» •'*11'>0

« ' •

г й, у;<о

Здесь Н(ф'-*ф) - ядро рассеяшгя в слое жёсткого отталкивания, (^(ф'-.-ф) и - функции рассеяния газа в .зоне "мягкого" взаимодействия,

определяющие при различном положении источника молекул - Д,, "К" - £2К) его результат на двух граничных поверхностях данной области

Большое внимание в главе уделяется выбору конкретных решении эволюционных задач для поверхностной части газовой фазы. Для области плавного изменения потенциала межфазного взаимодействия оп остановлен на хорошо известном решении Черчиньяки и Лэмпис уравнения Фоккера-Планка с моделью однородного в плоскости поверхности нотен-циала в виде прямоугольной ступеньки, что имеет достаточно убедительные предпосылки. Стремление к максимально простой форме граничного условия легло в основу предположения об аналогичном характере взаимодействия и в слое отталкивания. Конечно,формально справедливость

такого шага весьма сомнительна. Обоснованная трактовка этой части задачи должна опираться на кпамтово-мсханические или классические динамические подходы, примеры которых хорошо известны в литературе. Однако замечательная простота конечной формы решения в совокупности с' надеждой на •»ффектатаый учёт процессов отражения газовых частиц потенциалом отталкивания "ерез параметры диффузионной модели склоняет чашу ::сс?гг з пользу цыдгннутота предположения. .

Поэтому вторая глава заканчивается следующей конкретной формой ядра рассеяния, рекомендуемой для практического использования.

V) - с{чя- ••■;) 5{чу- V;) Г(уг± г ч^} , у. = <2130/т)'

!с> 1 ,

= "ехр

Г

2НТ5а,

: = х,у

- щ^^П—2ятл Дх^«*

. Ахкомсдгасокиые пароме : гюдедм ^ 'л должны определяться -¿а яшфоейоигееа^иго дсч.г-р.члогтных процессов или ла «»««Аве

иных соображений, а глубина потенциальной ямы во аяа:|;ло-ст^::;; газ-гордое тело ялдягтея .:!ндг?зндуальноП характеристакой ¿саддой конкретной гетгрогеиггол системы.

.5 третьей глп;;е результаты грактическсЛ. реализации предложенного общего подхода к гранично!; задаче используются для интерпретации данных многочисленных эксперименте» ко изучению взаимодействия мо-

"лекулярных пучков с поверхностью. Выбор в качество тестового объекта системы Аг/РЬ обусловлен несколькими причинами: популярность и соответственно наибольший объём имеющихся данных; простота структуры газовой молекулы; достаточная для эффективной адсорбции в тепловом режиме рассеяния глубина потенциальной • ямы и малая неоднородность потенциала межфазного взаимодействия вдоль поверхности.

Сначала рассмотрены опыты по изучению времяпролётных распределений, результаты которых легли в основу довольно важной для всех дальнейших приложений процедуры определения реперных-значений аккомодационных параметров теоретической модели. Последние "при этом подбирались из условия наилучшего согласования между расчётными и измеренными спектрами. Тем не менее, степень их совпадения всё равно нужно признать неожиданно высокой. Особенно это относится к результатам интерпретации очень тонких опытов по изучению влияния на характеристики основных каналов рассеяния температуры поверхности, в ходе которых были получены бимодальные времяпролётные распределения, появляющиеся в системе Аг/Рс только в специфических ситуациях.

. Большое внимание уделено анализу угловых распределений в отраженном газовом потоке, в том числе и явления лепестковосо рассеяния. Расчёты по многопроходной модели ядра рассеяния здесь сравниваются не только с экспериментальными данными, но и с данными других теоретических моделей. И если её предпочтительность перед однопроходной моделью Черчиньяни-Лэмпис, известной своими успехами при интерпретации именно лепесткового рассеяния, была вполне естественной, то превосходство над методами молекулярной динамики (см. рис. 2) оказалось неожиданным. '

К несомненным достоинствам предлагаемой многопроходной модели относится и возможность получения с её помощью изображённой на рис. 3 необычной бимодальной индикатрисы рассеяния Для подходящих систем и условий взаимодействия (например, для пары Хе/РО.

Ярким примерам нетрадиционных приложений предлагаемого в работе теоретического подхода является возможность нестационарного ана-

лиза процесса межфазного взаимодействия на основе лишь стационарного решения задачи об эполюнии газа в поверхностной области, воплощённая в один из модельных вариантов нестационарного ядра рассеяния.

Рис. 2. Срагиенне экснери.че|гт&1М!ЫХ уг.тогых распределений (светлые кружки) . интенсивности !ч'г н средней скорости V, с результатами численного моделирования методом стохастических траекторий (тёмные прямоугольники, соединённые локаники линиями) и предсказаниями многопроходном модели ядра рассеяния (сплошные кривые линии) при, отражении от монокристалла РЦШ) мояоэнергетического Пучка Дг (II, = 900 К, Е^ =305 К, Т,= 503К и 9'=43°)

-20* <Г 20* 40"

Рис. 3. Пример бимодального углссого рдспределен'.-л рассеянных в плоскости падения частиц при отражении мояоэнергетического пучка для Т, = 400 К. и, = 2000 К, Е, = 2500 К, 0.'= 60°: I - результирующая инднхатрнса; 2 - канал прямого рассеяния;; 3 - промежуточный жанал; 4 - адсорбци-онно-десорбнисикчй канал

Исследование с его помощью конкретной ситуации отражения импульсного (5-образного) моноэнергетичсского газового пучка от твёрдой поверхности показало, что бимодальные времяпролётные распределения могут возникнуть не только за счёт отличия средних скоростей частиц, двигающихся но двум основным каналам рассеяния, но и благодаря разным, характерным для них, средним временам жизни на поверхности.

Анализ зависимости последних от таких параметров взаимодействия, как глубина потенциальной ямы и температура твёрдого тела подтверждает существование определённого парадокса хорошей работоспособности известного выражения Аррениуса-Френкеля для скорости десорбции в равновесии. Этот факт уже неоднократно отмечался в литературе, однако дать ему объяснение можно лишь при детальном рассмотрении постепенной термализации молекул газа е связанном, состоянии, возможность проведения которого является одним из основных преимуществ многопроходных моделей ядра рассеяния (среди вероятных причин в работе называется обратно пропорциональное изменение числа частиц, покидающих кристалл на разных стадиях процесса термализации, и времени их жизни).

Несомненные достижения защищаемого подхода при интерпретации подробностей межфазного взаимодействия. вполне естественно должны стать достаточным условием успешности его применения для исследования интегральных характеристик. Это полностью подтвердилось при сопоставлении расчётных коэффициентов аккомодации энергии а£ и вероятности захвата с опытными данными в системах инертный газ-металл. Все рассмотренные экспериментальные зависимости легко повторяются, а существующие различии в значениях аЕ при однотипных измерениях учитываются незначительной вариацией аккомодационных параметров модели ядра рассеяния.

Однако более интересным является, видимо,обсуждение некоторых принципиальных и новых тем, проведённое в последнем разделе главы. В частности, там поставлен вопрСк о сохранении в процессе рассеяния моноэнергетичсского коллимированиого пуЧка значений молекулярных

признаков, соответствующих равновесному (при температуре твёрдого тела) состоянию, газового потока,- а также указано на существующую путаницу в определении и использовании коэффициентов массообмена и предлагается способ её устранения.

В четпсртой глапе представлена теоретическая трактовка процессов термализанин захваченных в потенциальную яму межфазного взаимодействия газовых частиц и явления фоноино-стимулирова^чой (термической) их десорбции, выполненная на основе построенной ранее многопроходной модели ядра.рассеяния. Прежде всего, уточняются такие понятия, как адсорбция, захват, равновесная и неравновесная десорбция, использование которых зачастую противоречивому

Выполненный затем детальный анализ хода термализации связанной газовой фазы выявил достаточное число интересных её особенностей. Среди них имеющее большое значение для результатов межфазного взаимодействия значительное различие в темпах аккомодац"и нормальной и тангенциальных компонент импульса молекул. В то время как первая из цих достигает своего стационарного значения уже после 10-15 проходов поверхностного слоя, двум другим на это требуется их более 100.

Однако более принципиальный результат связан с видом функции распределения, к которой стремится исходный газовый .поток. Открытость поверхностной газовой фазы приводит к тому, что она, вопреки существующим взглядам, никогда не совпадает с поверхностным максвеллианом (с,м. рис. 4). Причём само это установившееся распределение является уииперсалыюй функцией температуры кристалла, глубины потенциальной ямы и скорости аккомодации импульса, а для каждой конкретной пары газ-твёрдое тело - просто функцией температуры. Особенно примечательно, что это не зависящее от начального состояния.газа установившееся распределение в задаче межфазного взаимодействия занимает место равновесной максвелловской функции, поскольку характеризует то конечное состояние, к которому связанные частицы стремятся в ходе своей термализации на поверхности.

Рис. 4. Отклонение установившейся функции распределения по нормальным компонентам скорости £а1(£г) от поверхностного максиеллнана при различных температурах Т, в системе Аг/Р1. Все функции нормированы, чтобы давать одну и ту же плотность числового потока, а

Первой среди достаточно широкого круга рассмотренных в главе задач стала десорбция после полной термализации. Очень часто именно с этим её вариантом и связывают само понятие десорбции. Однако от других условий она отличается лишь тем, что образована исключительно молекулами, достигнувшими при. термализации своего установившегося распределения. Поэтому, учитывая отклонение последнего от поверхностного максвеллиана, вполне естественным оказалось и несоответствие расчётных результирующих характеристик десорбционного потока равновесным законам Кнудсега, Максвелла и Больцмана, обнаруженное сравнительно недавно экспериментально (см. рис. 5).

Главные причины .этих отклонений - существенное различие темпоа аккомодацгн нормальной и тангенциальных компонент импульса, а также открытость лозерхностнои газовой подсистемы - действуют в любых ' условиях и приводят к аналогичным результатам даже в случае десорбции молекул из полностью равновесного внутреннего источника, не говоря уже о 11 е изоте рм ичес к и х ситуациях,, когда разнообразие начальных состояний газа приводит к принципиально отличающимся друг от друга результатам.

при раз.':ичт»'Х температурах Т, (указаны на рисунке). Расчётные параметры соответствуют системе Лг/Р1, а с - с(0)/('_,к,Т,). Значками нанесены соответствующие экспериментальные данные.

В качестве наиболее показательного примера, условия которого легко могут быть реализованы з опыте, рассмотрена десорбция из максвел-лобского (но с температурой 7е, не равной температуре поаерхности Т5) ilcтoчниlca. В .-.оде. теоретического моделирования таких процессов в случае Т„>Т4 получены уже знакомые "приплюснутые" индикатрисы десорбции 41 монотонный рост средней .'иерпл; е(0) частиц при отклонении от нормали, тогда как при Т4<Т& первые иногда становятся вытянутыми, а зависимости е(9) могут содержать минимум или монотонно убывать с ростом 0 во всём диапазоне углов аылета.

Однако,. несмотря на принципиальную, возможность получения в рамках предлагаемой в работе трактовки межфазного взаимодействия! таких результатов, многопроходнсю ядро рассеяния не способно повторять обнаруженные в опытах по десорбции атомов Не с поверхности нихрома при низких температурах аномально вытянутые индикатрисы в рамках, казалось бы, адекватной условиям эксперимента Модели десорбции после быстрого нагрева поверхности. Полученные при разумных значениях аккомодационных параметров индикатрисы оказались значительно менее вытянутыми.

I" >, как это не сгранно, данный факт свидетельствует о правильности избранного подхода, поскольку после включения в модель десорбции некоторых вполне правдоподобных предположении о свойствах газа, покидающего состояние локализованной адсорбции, эти экспериментальны с данные нашли свою теоретическую интерпретацию (см. рис. 6).

Рис. 6. Угловые зависимости относительного потока (а) и средней энергии (С) атомов Не, десорбирующихся из .состояния локализованной адсорбции. Температура максвеллиана, характеризующего исходное распределение нормальных компонент скоростей молекул, равно T,=Tt=8K, а температуры соответствующих максвелл панов для тангенциальных компонент "Гж = Т; показаны на рисунках. Значками нанесены соответствующие.экспериментальные данные, а с = е(6)/(2к,Т,).

Одновременно подтвердилась ещё одна предполагаемая особенность данного варианта десорбции - вытянутые индикатрисы сопровождаются монотонным убыванием средней энергии, тогда как для "приплюснутых характерен такой же её рост.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведён анализ соврем того состояния исследований в области взаимодействия газ-твёрдое тело. Составлен минимальный набор экспериментальных фактов, отражающйх все основные свойства этих систем, включая данные, касающиеся адсорбции и "десорбции. Дана характерце-

тика имеющихся в литературе теоретических моделей межфазного взаимодействия. Показано, что ня одна из них не может приемлемым образом разрешить проблему интерпретации рассеяния газа твёрдой поверхностью в глубоком тепловом режиме и претендовать на всеобщность описания. Обоснован выбор кинетического квантово-статистического подхода, как наиболее перспективного.

2. Указаны условия сокращённого статистического описания рассматриваемых гетерогенных систем, при котором решаемая задача распадается на две части: квантово-кияетическое описание эволюции газовых частиц в области их притяжения к кристаллу и квантово-механическую трактовку жёстких межфазных столкновений в области отталкивания. Предложена оригинальная запись граничного оператора, представляющая процесс рассеяния, как последовательность идентичных и не зависящих друг от друга событий.

3. В ситуациях, когда поведение газа в области пр"тяжения может быть описано квазикласснчески, что действительно наблюдается в очень широком диапазоне изменения условий межфазного взаимодействия, построена квазиклассическая модель ядра рассеяния, включающая в себя все квантовые особенности гетерогенных систем в области отталкивания.

- 4. Рассмотрены возможные варианты решений эволюционного уравнения для одно-частичиой функции распределения газа а области притяжения и задачи его отражения потенциалом отталкивания, конкретизирующие вид общего ядра рассеяния. На их основе получена очень простая, но одновременно вполне адекватная дг-Ястзительности, классическая его модель для теплового режима взаимодействия, учитывающая процессы захвата газовых частиц в связанное состояние и способная описать их постепенную термализацига, адсорбцию и десорбцию.

5. Проведена интерпретация экспериментов, по рассеянию твёрдой поверхностью молекулярных пучков, в ходе которой получили своё объяснение причины появления бимодальных времяпролётных спектров и индикатрис рассеяния. Кроме того, показана структура отражённого

потока н проанализированы свойства к роль каждого из трёх составляющих его каналов. Продемонстрировано преимущество авторской трактовки данных явлений перед некоторыми другими подходами.

6. Предложена модель псевдонестационарного ядра рассеяния, позволяющая характеризовать изменение состояния газовой фазы во времени с помощью стационарных решений эволюционных уравнений. Выполненный на её основе расчёт зависимостей времён пребывания молекул газа в поверхностном слое от параметров системы подтверждает уже неоднократно отмеченный ранее несколько неожиданный факт хорошей работоспособности известной формулы Френкеля, что объясняется, главным образом, довольно быстрым прекращением дрейфа средней нормальной скорости частиц, перешедших в связанное состояние.

7.При сопоставлении результатов теоретического анализа поведения оОменных коэффициентов а системе инертный газ-металл с соответствующими экспериментальными данными получено практически полное их количественное совпадение. Даны обоснованные определения коэффициентов захвата и вероятности адсорбции, показаны явные различия между ними.

8. Подробно рассмотрены такие этапы рассеяния, как захват газовых частиц в потенциальную яму межфазного взаимодействия и их постепен-

. пая термализация. Показано, что не зависящее от начальных условий распределение по скоростям полностью тсрмализованного газа является универсальной для каждой отдельной гетерогенной системы функцией температуры кристалла п никогда не совпадает с поверхностным максвел-лианом, а лишь стремится к нему при уменьшении В общем случае на вид этой функции помимо оказывает влияние глубина потенциальной ямы ио и скорость аккомодации, которая в реализованном варианте решения задачи учитывается параметрами ядра рассеяния а((Т,).

9. Осуществлено теоретическое моделирование десорбционных процессов для нескольких типичных ситуаций. Оказалось, что десорбция полностью термализованиых частиц всегда сопровождается по сравнении:

: аналогичным максвелловским потоком дефицитом частиц и их средней жерпш в близких к нормали направлениях, который иногда может гости гать 20-40%. Свойства же нетермализованного газа значительно эазнообразнее и определяются как условиями десор'шн (в частности, температурами обеих фаз системы и начальным распределением адсор-5ата), так и деталями взаимодействия молекул с фононнон подсистемой кристалла (главным образом, различиями темпов релаксации газа в поверхностной области по нормальному и тангенциальным направлениям). 3 результате конкуренция между двумя основными десорбцнонными каналами в неизогермических ситуациях приводит к появлению наряду с приплюснутыми и вытянутых индикатрис, а средняя энергия молекул при отклонении от нормали может не только монотонно возрастать по и убывать.

10. Дополнительное привлечение вполне приемлемых предположений а свойствах газа, покидающего пространственно локализованное адсорбционное состояние, позволяет с помощью предложенного подхода к описанию межфазного взаимодействия легко повторить в определённой степени аномальные экспериментальные данные о десорбции атомов Не из гонких плёнок, осаждённых на металлической поверхности, которые свидетельствуют об узком конусе эмиссии газовых частиц и заметном убывании их средней энергии при увеличении угла вылета.

Основные результат i лкссертаиии опубликованы в работах:

1. Перенос тепла и мас_ч при свобод номалекулярпом движении газа в канале конечной длины / Александрычев И.П., Маркелов Ю.И., Породное Б .Т., Селезнёв В.Д. // ИФЖ. 1986. Т. 51, № 6. С. 977-985.

2. Free molecular nonisothermal gas flow üi a circular capillary of finite length at incomplete .accomodation / Porodcov B.T., Seleznev V.D., Markelov J.I., Alexandiycnev I.P.// FIFTEENTH International Symposium on rarefied gas dynamics. Book of abstracts. — Grado, Italy. Juni 16-20. 1986. P. 256-258.

3. Маркелоа 10.И., Александрычег. И.П. Эффект газодинамического на гревааия стыка кана.г-ш с различной поверхностью как перекрёстны» к эффекту аккомодационной откачки Ц Тезизы докладов IX Всесо юзной конференции по динамике разреженных газов. Свердловск 1987. T.I. С. 59.

4. Александрычев И.П. Модель нестационарного ядра рассеяния газа по верхностыо твёрдого тела // Материалы IX Всесоюзной конференцш по динамике разреженных газов. Свердловск, 1987. Т. II. С. 84 -90.

5. Неизотермическое движение газов в канале при неполной аккомо дации на стенках / Александрычев Й.П., Маркелов Ю.И., Пород нов Б.Т., Селезнёв В.Д. // ПМТФ. 1988. № 1. С. 96-105.

6. Celeznev V.D., Alexandrychev I.P., Akinshin V.D. The model of stead] non-maxwell desorptiori of atoms from surfaces // Proceeding of th< 17th International Symposium on rarefied gas dynamics. - Aachen Germany. Juli 8-14. 1990. P. 1398-1405.

7. Селезнёв B.B., Александрычев И.П., Акиньшин В.Д. Многократное^ столкновений с поверхностью и нестационарное ядро рассеяния npi отражении газа от твёрдого тела // Поверхность. 1990. Уа. 3. С. 5-14

8. Селезнёв В.Д., Токманцев В.И., Александрычев И.П. Кинетически' модели адсорбции и десорбции // Материалы международной школы семинара "Кинетическая теория процессов переноса при испарении i конденсации". Минск, 1991. С. 31-37.

1-С":длоано з печать II.C4.S5 Qopuar 6Сх84 I/I5

äjr.ns. тапогрхскаа Плоская печать Гсд.п.д. I, ЗЭ I,C9 li-xi IC0 Загаз 170 Бесплатно

Эо^актгло-гло-пзиатойъскзй отпел 7ГТ7 62CQ02, 3:<г.?ор:шбург, I.lnpa, 19 7117. 620СС2, Екатеринбург, Ыи pa, 19