Особенности имитации условий космического пространства при наземных испытаниях, страница 10

Для изучения поверхностных явлений, таких как сублимация, обмен энергии, адсорбция и т. п., требуются низкие давления (≤ 10^-7 торр). Для исследования таких процессов вакуумная система должна обеспечить не только низкое давление, но и низкий коэффициент возврата Z. Последнее требование можно записать и в следующем виде

τ^*_ф >>τ^*_i,

где τ^*_ф- время формирования монослоя, τ^*_i -время испарения монослоя.

При исследовании сублимации, когда имеют дело с наличием защитных окисных пленок на поверхностях испарения (например, у металлов), необходимо, чтобы скорость образования защитных пленок, т. е. скорость окислительных процессов на поверхностях, была меньше скорости их разрушения, ибо наличие или отсутствие окисных пленок может исказить исследуемую кинетику скорости испарения (сублимации).

При исследованиях оптических радиационных коэффициентов поверхности, кроме условия l >> L₀, существенно важно, чтобы за время опыта толщина наносимого слоя загрязнений не превышала длину световой волны, на которой ведется исследование.

Исследование «напыления» (переконденсации) требует, чтобы τ_s напыленного вещества было много меньше, чем τ_ф и т. п.

Известно, что мономолекулярный адсорбированный воздушный слой может образовываться (при C_c ≈ 1) на однажды очищенной поверхности:

Ø  при давлении р ~ 10^-6 торр за ~ 1 сек;

Ø  при давлении р ~10^-9 торр – за несколько десятков минут (что может быть достаточным для проведения ограниченного по продолжительности эксперимента);

Ø  при давлении р ~10^-10 торр - за несколько часов,

Ø  при предельно низких давлениях космического пространства — за несколько тысяч лет.

Следовательно, величина давления, необходимого для моделирования космического вакуума при изучении поверхностных процессов, если принять скорость образования монослоя окисла, равной скорости образования монослоя газа, может быть определена из следующего кинетического соотношения: скорость разрушения защитных окисных слоев должна быть равной или большей скорости их восстановления на поверхности испарения, определяемой в первом приближении уравнениями Кнудсена - Лэнгмюра (3.1.13)…( 3.1.18).

В действительности монослой окисла в результате процесса хемосорбции образуется за время, значительно большее, чем время формирования физадсорбированного газового слоя. Это происходит из-за того, что процесс хемосорбции протекает ступенчато: сначала – физадсорбция, а потом - хемосорбция. Вероятность каждого из этих процессов определяется своими показателями. Так, вероятность процесса физадсорбции определяется условием 0 ≤ С_с ≤ 1; вероятность процесса хемосорбции в соответствии с уравнением Аррениуса равна:

                                       (3.1.26)

где 0 ≤ W ≤ l, b' – постоянная (1…10²), Е_а – энергия активации, R₀ – универсальная газовая постоянная.

Следовательно, при С_с < 1 и W < 1 общая вероятность процесса образования окисла будет равна произведению вышеупомянутых вероятностей и будет много меньше единицы. Кроме того, восстановление защитных окисных пленок возможно лишь при наличии в составе остаточных газов кислорода или источников его выделения (за счет диффузии и диссоциации).

В космическом пространстве кислород (молекулы, атомы, ионы) встречается только на расстояниях, не превышающих несколько тысяч километров от поверхности Земли (ближний космос). Поэтому на больших расстояниях от поверхности Земли среда будет уже не окислительной, а скорее восстановительной (вследствие присутствия атомов водорода).

Следовательно, для расчетов продолжительности формирования защитной окисной пленки надо пользоваться величинами не суммарных, а парциальных давлений кислорода в среде остаточного космического газа.

В связи с тем, что вклад кислорода в суммарную концентрацию невелик и падает по мере удаления от поверхности Земли, времена формирования монослоя окисла будут значительно большими. Кроме того, важно также состояние частиц (молекулы, атомы, ионы) ввиду различия скоростей протекания физико-химических процессов для таких состояний.