Экспериментальное исследование фотофореза в газах

• Автор: Ковалев, Федор Дмитриевич
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Екатеринбург
• Количество страниц: 133 с.

Содержание
ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Обзор литературы по фотофорезу

1.1. Теория фотофореза

1.1.1. Электродинамическая задача

1.1.2. Т епл офизическая задача

1.1.3. Г азокинетическая задача

1.2. Экспериментальные исследования фотофореза

1.2.1. Измерение фоТофоретической силы, действующей на левити-

рующую в электрическом поле частицу

1.2.2. Осаждение частиц в поле оптического излучения и измерение
фотофоретической скорости
1.2.3. Модельные эксперименты
Выводы
ГЛАВА 2. Моделирование фотофореза
2.1. Корректность моделирования фотофореза с использованием 41 макроскопических модельных частиц
2.2. Учет погрешностей термопар
2.3. Теплопроводность модельных частиц
2.4. Оптические свойства модельных частиц
Выводы
ГЛАВА 3. Экспериментальная установка и методика измерений
3.1. Рабочая, камера
3.2. Система откачки, напуска и измерения давления
3.3. Крутильные весы
3.4. Калибровка крутильных весов
3.5. Источник излучения. Измерение интенсивности излучения
3.6. Методика измерений фотофоретической силы

Выводы
ГЛАВА 4. Результаты и их обсуждение
4.1. Зависимость фотофоретической силы от рода и степени раз-
реженности газа
4.2. Зависимость фотофоретической силы от размера частицы
4.3. Зависимость фотофоретической силы от относительной теп-
лопроводности частицы и газа
4.4. Зависимость фотофоретической силы от интенсивности излу-
чения и пределы применимости линейной теории
4.5. Наблюдение отрицательного фотофореза
4.6. Оценка возможности фотофоретической левитации аэрозоль-
ных частиц в атмосфере Земли
Выводы
Основные результаты
Литература
Приложения

ВВЕДЕНИЕ
Частицы взвешенных в газе аэрозолей при освещении их светом приходят в движение, которое в общем случае имеет сложный характер и зависит от интенсивности и длины волны падающего излучения, давления и рода газа, структуры и формы частиц, а так же от наличия внешних силовых полей. Это явление впервые было обнаружено Ф. Эренхафтом [1] в 1910 году в экспериментах по определению элементарного заряда и получило название фотофорез. Ф. Эренхафт назвал «положительным фотофорезом» движение частиц по направлению светового пучка и «отрицательным фотофорезом» - движение частиц против светового пучка, в направлении к источнику излучения. В экспериментах Эренхафту не удалось обнаружить зависимость фотофоретическо-го эффекта от рода и давления газа, в котором были взвешены частицы, поэтому им была предложена трактовка фотофореза как «электродинамического эффекта второго порядка».
Дальнейшие исследования этого явления [2, 3, 4] показали, что причиной вызывающей движение частиц, является их неоднородный нагрев излучением и взаимодействие с газом, т.е. фотофорез интерпретируется как проявление радиометрического эффекта, на котором основано действие радиометра Крукса [5, 6]. В общем случае радиометрический эффект заключается в возникновении силы, действующей со стороны газа на тело, помещенное в этот газ, в отсутствие теплового равновесия, которое может быть создано различными способами [7, 8]. В случаях радиомегра Крукса и аэрозольных частиц неравно-весность вызвана асимметричным нагревом лопастей радиометра или поверхности аэрозольных частиц вследствие поглощения излучения. Направление вращения радиометра - от темной стороны лопастей к светлой - и движения аэрозольных частиц определяется оптическими свойствами. У сильно поглощающих излучение частиц нагревается сильнее освещенная сторона, и имеет место положительный фотофорез; у слабо поглощающих частиц, особенно ее-

было судить о величине и направлении действовавшей на них фотофоретиче-ской силы. Частицы представляли собой агломераты сложной формы из графита, меди, алюминия и цинка, их плотность и теплопроводность оценивались косвенным способом, поэтому количественная интерпретация результатов затруднена. По мнению автора, для использовавшихся частиц обычный механизм возникновения фотофоретической силы, как следствия перепада температур на поверхности частицы, не может дать удовлетворительное объяснение наблюдавшейся картине. С его точки зрения, более существенную роль играет сила, обусловленная разностью коэффициентов аккомодации на противоположных сторонах частицы - так называемый «гравитофотофорез». Возможность такого эффекта якобы подтверждалась электронными микрофотографиями частиц. Эта сила по направлению связана с формой частицы и свойствами ее поверхности, а не с направлением луча света, который может в этом случае только определять пространственную ориентацию частицы. Сочетание этой силы, фотофоретической (в смысле проявления радиометрического эффекта) и, возможно, термоконвективной вызывало наблюдавшееся поведение частиц.
В целом, можно констатировать, что эксперименты с аэрозольными частицами реальных размеров демонстрируют большую, еще не достаточно исследованную область динамики аэрозольных частиц, основную роль в которой играют фотофорез и родственные эффекты. Однако в данной работе нас интересуют эксперименты, представляющие результаты, пригодные для количественного анализа и сравнения.
1.2.3. Модельные эксперименты
Радиометрическая природа фотофореза дает основание для использования макроскопических тел в качестве модельных частиц и, соответственно, низких давлений газа для того, чтобы обеспечить ту же степень разреженности (те же самые числа Кнудсена). Следует подчеркнуть, что фотофорез представ-