СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СЕЧЕНИЙ РАССЕЯНИЯ АТОМОВ И МОЛЕКУЛ Российский патент 1998 года по МПК G01T1/34 H05H3/00 

Изобретение относится к области молекулярной газовой динамики, преимущественно к способам определения интегральных сечений рассеяния атомов и молекул.

Известен способ определения эффективных сечений рассеяния атомов и молекул реального газа, включающий измерение вязкости разреженного газа и определение отсюда эффективных сечений рассеяния (Чепмен С., Каулинг Т. Математическая теория неоднородных газов. - М.: ИЛ. 1960. - С. 274).

Недостаток известного способа состоит в ограниченном диапазоне энергий атомов и молекул, так как энергия газовых частиц определяется температурой стенок сосуда по закону E=3/2 kT, где k - постоянная Больцмана, T - температура, а последняя для реальных материалов не может превышать 3000 К.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ определения интегральных сечений рассеяния атомов и молекул (Леонас В. В. Исследования короткодействующих молекулярных сил. - УФН. - 1972. - 107 - вып. 1 - С. 29-55/, включающий пропускание молекулярного пучка через газовую мишень с концентрацией газовых частиц n и длиной l и измерение интенсивностей молекулярного пучка N_о до прохождения и N после прохождения газовой мишени и определение интегральных сечений рассеяния из соотношения
.

Диапазон энергий газовых частиц при использовании молекулярных пучков практически не ограничен.

В заявленном изобретении так же, как в прототипе, молекулярный пучок пропускают через рассеивающий газ. Однако в известном способе из-за того, что измеряют интенсивность молекулярного пучка в целом, не представляется возможным определить интегральные сечения рассеяния отдельных компонент, что снижает его возможности.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования способа определения интегральных сечений рассеяния атомов и молекул, в котором измерение новой совокупности параметров молекулярного пучка и организации новых условий его прохождения через рассеивающий газ позволило бы определять интегральные сечения рассеивания газовых частиц отдельных компонент многокомпонентных молекулярных пучков и за счет этого расширить возможности способа.

Поставленная задача решается тем, что в способе определения интегральных сечений рассеяния атомов и молекул, включающем пропускание молекулярного пучка через рассеивающий газ, согласно изобретению, создают калиброванный встречный поток (т.е. поток с заранее известными характеристиками) рассеивающего газа, измеряют концентрацию отдельных компонент молекулярного пучка, скорость молекулярного пучка и интенсивность возвратного потока рассеивающего газа, а значения интегральных сечений рассеяния определяют из системы уравнений.

,
где
Nkb

- интенсивность возвратного потока рассеивающего газа;
i = 1, 2, 3,... M - номер компоненты молекулярного пучка;
σ_i - интегральное сечение i-той компоненты молекулярного пучка;
nki - концентрация i-той компоненты молекулярного пучка;
n(r) - концентрация рассеивающего газа;
τ - объем;
dτ - элемент объема;
- скорость молекулярного пучка;
- скорость рассеивающего газа;
- дифференциальное сечение рассеяния газовых частиц в телесный угол dΩ опирающийся на элемент поверхности dS.

Создание встречного потока рассеивающего газа и измерение таких параметров, как концентрация отдельных компонент молекулярного пучка, скорость молекулярного пучка и интенсивность возвратного потока позволяет воспользоваться системой уравнений (1), которая была получена при решении задачи расчета обратных потоков с газящей поверхности при известном сечении рассеяния (Басс В.П., Бразинский В.И. Численные алгоритмы для расчета процессов массопереноса в сильно разреженном газе. / Журнал выч. матем. и мат. физики. - 1988. - 28. - N 7. - С. 1078-1093).

Решение системы уравнений (1) позволяет определить интегральные сечения рассеяния для каждой компоненты молекулярного пучка в отдельности, что является существенным при решении ряда задач динамики разреженного газа и молекулярной газовой динамики.

На чертеже изображена принципиальная схема системы для определения интегральных сечений рассеяния атомов и молекул. Система включает источник 1 молекулярного пучка, напротив которого расположен источник рассеивающего газа, выполненный в виде равномерно газящей сферы 2. В сфере 2 выполнено входное отверстие 3 для масс-спектрометра 4. Источник рассеивающего газа выполнен в виде равномерно газящей сферы 2 на основании того, что в этом случае поле потока определяется точно (Robertson S.I. Bhatnagar-Gross-Krook model solution of back - scattering of outitgas flow from Spherical Spacecraft // Rarefied Gas Dynamics Techn. Rept. 10 the Internal Symposium, July, 1976. Amer. Inst. Aeronaut and Astronaut. N. Y., 1977, p. 479-489), а возвратные потоки к любой точке поверхности сферы легко рассчитываются. Но, в общем случае, можно использовать и другой калиброванный источник рассеивающего газа.

Заявленный способ осуществляется следующим образом.

Молекулярный поток, сформированный источником 1, направляют в сторону входного отверстия 3 масс-спектрометра 4. Создают встречный поток рассеивающего газа с поверхности 2. После этого измеряют с помощью масс-спектрометра 4 концентрации отдельных компонент молекулярного пучка и интенсивность возвратного потока рассеивающего газа. Производят также измерение скорости молекулярного пучка. Используя полученные значения указанных выше параметров и решая систему уравнений (1), определяют интегральное сечение рассеяния каждой компоненты молекулярного пучка.

Измерение интенсивности возвратного потока рассеивающего газа и концентрации компонент молекулярного пучка может осуществляться масс-спектрометрами МХ1302, МХ1303, МХ1304 и др. (Рафальсен А.Э., Шерешевский А.М. Масс-спектрометрические приборы. - М.: Атомиздат, 1968. - С. 136-153). Скорость молекулярного пучка может измеряться время-пролетным методом Зарвин А.Е., Шарафутдинов Р. Г. Генератор молекулярного пучка для исследований потоков разреженного газа. Динамика разреженных газов. - Сб. науч. тр. - Новосибирск: ИТФ СО АН СССР, 1976. - С. 24-28
Заявленный способ может быть реализован при исследовании течений смесей газов в различных задачах динамики разреженного газа и молекулярной газовой динамики.

К их числу можно отнести задачи:
- разделения компонент и диффузии в течениях смесей газов;
- уточнения физических и математических моделей формирования собственной внешней атмосферы (СВА) космических летательных аппаратов (КЛА) в верхних слоях атмосферы Земли и планет;
- создания активных и пассивных средств защиты научной и служебной аппаратуры наружной установки на борту КЛА от вредного воздействия факторов космического пространства и СВА в их окрестности;
- уточнения физических констант взаимодействия при исследовании столкновительных процессов в разреженном газе и ряд других.

Использование: в области молекулярной газовой динамики для определения интегральных сечений рассеяния атомов и молекул. Сущность изобретения: молекулярный пучок пропускают через калиброванный встречный поток рассеивающего газа. Измеряют концентрации отдельных компонент молекулярного пучка, скорость молекулярного пучка и интенсивность возвратного потока рассеивающего газа. Значения интегральных сечений рассеяния определяют путем решения системы уравнений

где Nkb

- интенсивность возвратного потока рассеивающего газа; i = 1,2,3. . .М - номер компоненты молекулярного пучка; σ_i - интегральное сечение i-той компоненты молекулярного пучка; nki - концентрация i-той компоненты молекулярного пучка; n(r) - концентрация рассеивающего газа; τ - объем; dτ - элемент объема; - скорость молекулярного пучка; - скорость рассеивающего газа; dσ/dΩ - дифференциальное сечение рассеяния газовых частиц в телесный угол dΩ , опирающийся на элемент поверхности ds. Данный способ позволяет определить сечение рассеивания для каждой компоненты молекулярного пучка в отдельности. 1 ил.

Способ определения интегральных сечений рассеяния атомов и молекул, включающий пропускание молекулярного пучка через рассеивающий газ, отличающийся тем, что создают калиброванный встречный поток рассеивающего газа, измеряют концентрацию отдельных компонент молекулярного пучка, скорость молекулярного пучка и интенсивность возвратного потока рассеивающего газа, а значения интегральных сечений рассеияния определяют из системы уравнений

где Nkb

- интенсивность возвратного потока рассеивающего газа;
j = 1, 2, 3, ... М - номер компоненты молекулярного пучка;
σ_i - интегральное сечение j-й компоненты молекулярного пучка;
nki - концентрация j-й компоненты молекулярного пучка;
n(r) - концентрация рассеивающего газа, τ - объем, dτ - элемент объема;
скорость молекулярного пучка;
скорость рассеивающего газа;
dσ/dΩ - дифференциальное сечение рассеяния газовых частиц в телесный угол dΩ, опирающийся на элемент поверхности dS.