Особенности установок для моделирования условий космического пространства, страница 4

Первичным актом процесса криоконденсации является соударение частиц откачиваемого газа с криоповерхностью. При этом частица либо прилипнет (физадсорбция) к криоповерхности (это явление носит название “конденсация”), либо отскочит от нее (это явление носит название “аккомодация”). Эти явления связаны с некоторой средней продолжительностью τ пребывания частиц на криоповерхности – т.н. “время жизни”.

Для отраженных частиц это время весьма мало (τ ~ 10^-13 сек) и соизмеримо с длительностью соударения двух молекул газа или периодом колебания атомов твердого тела около положения равновесия в решетке. Для адсорбированных частиц при низкой степени заполнения поверхности, этот период равен в среднем

                                              (3.2.2.)

где E_d - энергия десорбции, которая по порядку величины колеблется от единиц до десятков ккал/моль, a R₀ - универсальная газовая постоянная.

Десорбция - выделение адсорбированного вещества с поверхности адсорбирующего вещества.

В количественном отношении оба эти явления можно охарактеризовать коэффициентами аккомодации α_t и конденсации С_с соответственно.

Коэффициент аккомодации α_t – определяет степень обмена энергией между газом и криоповерхностью.

Коэффициент конденсации С_с - отношение числа конденсирующихся при первом соударении частиц к числу сталкивающихся с криоповерхностью.

Откачка с помощью криоконденсации, с учетом явлений аккомодации, конденсации и десорбции, характеризуется коэффициентом откачки

                                                   (3.2.3.)

где S и S_max - удельные эффективная и теоретическая скорости откачки соответственно (л·см^-2·сек^-1). Обычно принимается, что для десорбирующихся частиц газа коэффициент аккомодации близок к единице (т. е. за период времени τ* эти частицы принимают температуру ~T_s).

Теоретическая скорость откачки S_max в молекулярном режиме определяется величиной молекулярного потока к поверхности; она обозначает максимально возможное количество молекул, которые могут быть откачаны единичной площадкой криоповерхности в единицу времени при условии, что каждая молекула при соударении будет захвачена. Скорость откачки рассчитывается по формуле:

                              (3.2.4.)

где T_g - температура газов в К; М - молекулярный вес откачиваемого газа.

В таблице 3.2.1.приведены величины S_max для ряда газов.

Эффективная удельная скорость откачки – S при условии, что T_g>T_s и криоповерхность составляет малую часть стенок установки, а десорбция соответствует равновесным условиям, равна

                               (3.2.5.)

Если энергия падающих частиц распределена по закону Максвелла для температуры T_g, а T_s ≈ 0, то

                                      (3.2.6.).

где Е′_о - наименьшее значение энергии, при котором конденсация становится невозможной; Е′_о связано с энергией на поверхности конденсации и по порядку величины колеблется от десятков до сотен кал/моль.

При T_s ≠ 0 коэффициент откачки равен

                                  (3.2.7.), или, обозначив

                                (3.2.8.), получим

                                            (3.2.9.).

Уравнения (3.2.5.)…(3.2.9.) являются приближенными, пригодными лишь для качественного рассмотрения процесса криоконденсации.

В пределах молекулярного режима, по мере возрастания давления, удельная скорость откачки в соответствии с (3.2.5.) возрастает от нуля (для давления, равного давлению насыщенных паров конденсата) до S_mах (рисунок 3.2.3).

При давлениях, соответствующих молекулярно-вязкостному режиму, скорость откачки вновь возрастает до максимального значения, а затем в области вязкостного режима резко падает.

На рисунке 3.2.3.представлены экспериментальные зависимости удельной скорости откачки CO₂ на криоповерхности (77 К) от давления (T_g =300 К).

3.2.3.2. Криосорбция.