Диссертация (1104349), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Работа содержит124 страницы печатного текста, 63 рисунка, 7 таблиц. Список литературывключает 110 наименований.Личный вклад автора.Автор внес существенный вклад в разработку и создание систем анализапучка кластерных ионов, в исследование закономерностей импульсногорежима работы ускорителя газовых кластерных ионов, в том числе,массового состава кластерного пучка. Автором самостоятельно исследованыи объяснены закономерности формирования кластеров в режиме импульснойподачи газа в зависимости от вида рабочего газа. Разработана системавизуализации сверхзвуковой струи и проведены исследования истеченияразличных газов из сверхзвуковых сопел.

Проведены эксперименты пораспылениюкластернымиионамииисследованиеприготовленныхколлекторов с помощью методики обратного резерфордовского рассеяния, атакже анализ полученных экспериментальных данных.8Глава 1. Обзор литературы.1.1.Принципы формирования пучка газовых кластерных ионов.В 1951 году Кантровиц и Грей теоретически показали [1], чтоинтенсивность молекулярных пучков, формируемых при расширении газачерез сверхзвуковое сопло, значительно выше, чем при использованииэффузионного расширения газа. Увеличение интенсивности достигается засчет того, что распределение молекул по скоростям в формируемом потокеменее широкое, а средняя скорость выше, чем в традиционном источнике;при этом распределение по скоростям может быть сделано более узким придостижении больших чисел Маха (рис.

1.1). В работе отмечается, что дляпотока газа с достаточно большим числом Маха необходима бОльшая посравнению с традиционным источником скорость откачки всех камер,определяемая потоком газа и требованиями к длине свободного пробегаОтносительная частотамолекул.ЭффузионныйисточникИсточникс сопломСкорость, 10 м/сРис. 1.1.

Распределение молекул по скоростям в коллимированном пучке. Сравнениеэффузионного источника и сверхзвукового сопла, температура Т=300 К, число Маха М=4.В том же году был реализован источник на основе сопла с сужающейсяи расширяющейся частями; было продемонстрировано, что интенсивностьформируемого пучка молекул аммиака более чем в двадцать раз превосходит9интенсивность традиционного источника при оптимальных условиях работы[2].Формирование кластеров в газовых потоках, проходящих черезохлажденное сверхзвуковое сопло, впервые изучено Беккером и др. дляиспользования в реакциях термоядерного синтеза.

В работе [3] былопоказано, что в зависимости от условий истечения формируются кластеры,содержащие от двух или трех атомов до, предположительно, несколькихтысяч атомов. Более детальное распределение кластеров углекислого газа поразмерам было получено Бентли в 1961 году с использованием техники массспектрометрии [4]. В потоке газа обнаружено присутствие кластеров (CO2)N+,гдеN=1÷23;однакоавторсчитаеттепловойэффектрасширениянедостаточным для формирования таких кластеров и предполагает, что ониизначально присутствовали в газе.Таким образом, становится понятно, что основным элементом дляполучения потоков газовых кластеров является сверхзвуковое сопло.Рассмотрим далее процессы, происходящие при расширении газа через такоесопло.1.1.1.

Расширение газа через сверхзвуковое сопло.Рассмотримадиабатическоетечениеидеальногогазапотрубепеременного сечения в соответствии с [5] и [6].Уравнение состояние идеального газа гласит:=,(1.1)скорость звука в таком газе дается формулой==.Уравнение Бернулли для стационарного течения имеет вид:+=,(1.2)10где энтальпия политропного газа==.Поскольку течение газа при условиях, необходимых для формированиякластеров, достаточно быстрое, чтобы не учитывать теплообмен со стенкамисопла, воспользуемся уравнением адиабаты:=(1.3)Наконец, запишем уравнение сохранения массы в виде=(1.4)Из уравнений (1.1)-(1.3) можно получить выражение параметров газа вданном сечении – его давления, температуры, плотности – через число МахаM, представляющее собой отношение скорости потока к местной скоростизвука:=1+−1,= 1+−1−1, = 1+−11−1,(1.5)где индекс «0» относится к условиям на входе в сопло (параметрыторможения или стагнации).

При этом местная скорость звука, как следует изуравнения (1.2), связана со скоростью потока следующим образом:=−.Далее, из интеграла Бернулли видно, что температура, а так же давлениеи плотность, падают с ростом скорости вдоль линии тока. Максимальнаяскорость газа достигается при истечении в вакуум и равна 2cpT0.

При этомисходя из формул для идеального газа получаем значение конечнойтемпературы T=0. В действительности же температура не достигает близкогок нулю значения, поскольку происходит конденсация (кластеризация) иобразование двухфазной системы.Значение скорости газа, равное местной скорости звука, называетсякритическим.

Из интеграла Бернулли, критическая скорость газа равна11крит=.Выражения для критических давления, плотности и температурыполучаются при подстановке v=vкрит= скрит, т.е. М=1, в уравнения (1.5), вчастности,критДляидеального−1=+1одноатомногогаза.(γ=5/3)pкрит=p0/2,05,длядвухатомного газа (γ=7/5) pкрит=p0/1,89.Рассмотрим уменьшение давления за сужающимся соплом pe отзначения pe=р0. При pe<pкрит падение давления до pe происходит внутрисопла, а критические значения, т.е.

скорость звука, не достигаются. Приpe=pкрит критические значения достигаются на срезе сопла, а при дальнейшемуменьшении давления за соплом давление на срезе остается равным ркрит(дальнейшее падение происходит уже во внешнем пространстве), то естьпадение давления в сопле остается неизменным, и сверхзвуковая скорость недостигается. Поток газа, выходящего из сопла, также остается неизменнымпри дальнейшем уменьшении выходного давления.(1.6)Наконец, дифференцируя (1.4), можно получить уравнение Гюгонио ввиде:=(− 1).(1.7)Из последнего уравнения видно, что при дозвуковой скорости потока(М<1) скорость увеличивается при уменьшении сечения сопла, а присверхзвуковой скорости течения (М>1) скорость увеличивается при12увеличении сечения. Однако, как уже было сказано, при истечении газа черезсужающееся сопло сверхзвуковая скорость внутри сопла не может бытьдостигнута. Для достижения сверхзвуковой скорости газа на протяжениисопла необходимо сопло сначала сужающееся, а затем расширяющееся.

Приэтом в самом узком его сечении (критическом сечении) скорость газа должнабыть равна местной скорости звука, то есть давление на входе в соплодолжно обеспечивать достижение критического давления в его перетяжке. Вэтом случае в расширяющейся части сопла произойдет переход ксверхзвуковому режиму течения, в соответствии с уравнением Гюгонио, газпродолжит ускоряться, а его температура – уменьшаться.Надо отметить, что для расчета использовалось уравнение адиабаты,которое нарушается при прохождении линии тока через ударную волну,поскольку в этом случае энтропия возрастает.

Поэтому сделанные выводыверны в области, в которой отсутствуют ударные волны.Итак, при адиабатическом расширении газа через сверхзвуковое сопловозможнодостижениенизкихтемператур,достаточныхдляначалакластеризации. Формирование кластера начинается с образования димера, иззакона сохранения энергии следует, что оно может произойти только притройном соударении [7]: A1+A1+A1 → A2+A1. Энергия, выделившаяся прислиянии атомов в димер, уносится третьим атомом.

Сформировавшиесядимеры играют роль ядер конденсации для дальнейшего роста кластеров.Если атомов значительно больше, чем кластеров, рост кластеров происходитпосредством присоединения мономеров, в противном случае преобладаетрост за счет агрегации кластеров [8]. Уменьшение размеров кластерапроисходит при его охлаждении за счет испарения мономеров с поверхности.Рост кластеров возможен, если соударения происходят достаточночасто, то есть плотность газа достаточно высока. В молекулярном режиметечения рост прекращается. Исходя из этих соображений, для получениякластерного потока выгоднее использовать коническое сопло. Такое соплоограничивает расширение потока вбок, повышая таким образом частоту13столкновений, и увеличивает, с другой стороны, поток на оси [9].

Кроме того,для эффективного отвода от кластеров энергии, выделяющейся приконденсации,частоиспользуетсядобавлениекрабочемугазутакназываемого буферного газа – легкого газа, вероятность конденсациикоторого невелика. Такой газ не встраивается в кластеры рабочего газа и необразует самостоятельных кластеров, но позволяет повысить количествокластеров рабочего газ более чем 2 порядка (рис.

1.2) [10].Еще один эффект, связанный с использованием буферного газа,обусловлен особенностями динамики газовой смеси. Если при расширениигаза происходит достаточное количество столкновений, то все егокомпоненты будут двигаться с одинаковыми скоростями, с которымидвигались бы частицы виртуального газа с усредненным значением массы ипоказателя адиабаты. Поэтому при расширении, например, азота в смеси сгелием, молекулы азота приобретут большую скорость, чем в случае чистогоазота, и следовательно, охладятся до низких температур [11]. Таким образом,эффект использования буферного газа определяется исходя из баланса междудополнительным понижением температуры и отводом тепла при большем егосодержании и высокой вероятности встречи частиц рабочего газа приинтенсивность1017 молек/(см2·с)меньшем.Рис.

1.2. Интенсивность кластерного пучка в зависимости от количества He в смеси.Количественной теории образования кластеров, позволяющей описатьформирование кластеров в расширяющемся через сверхзвуковое сопло14потоке газа, на сегодняшний день не существует. Однако возможноиспользование качественных соображений, эмпирических или численныхподходов к описанию. Так, в [12] приводятся следующие соображения (рис.1.3). Изначально система находится в точке А при давлении p0 и температуреT0. При расширении система по адиабате переходит в точку В, где адиабатапересекается с двухфазной линией. Однако последующее расширение напроисходит вдоль этой линии, а продолжается вдоль адиабаты в «сухую»область неравновесного перенасыщенного состояния. И уже после этого внекоторой точке С происходит разрушение неравновесного состояния, такчто система возвращается к равновесной линии pv(T).

Характеристики

Список файлов диссертации