Способ определения коэффициента сублимации твердого вещества

 

Использование: изобретение относится к области экспериментальной физики и позволяет повысить точность определения коэффициента конденсации льда и других твердых веществ с высоким давлением насыщенных паров при температуре плавления. Сущность изобретения: предлагаемый способ заключается в том, что воздействуют на поверхность вещества, находящегося в вакууме, лазерным излучением с плавно возрастающей мощностью, измеряют давлением отдачи струи пара и определяют по нему коэффициент сублимации вещества в момент начала плавления. 1 ил.

Изобретение относится к области экспериментальной физики и может быть использовано для измерения коэффициента сублимации льда и других твердых веществ при температурах близких к температурам плавления.

Известен способ определения коэффициента испарения воды из экспериментов по нестационарному лазерному испарению. При этом поверхность воды испаряется под действием импульсного лазера. В эксперименте измеряется давление струи пара, действующее на воду и энергия лазерного импульса. Полученное значение максимального давления отдачи сравнивается с расчетным, получаемым путем решения нестационарной тепловой задачи, и определяется коэффициент конденсации. (Корнеев В.В. О возможности определения коэффициента конденсации воды из экспериментов по лазерному испарению. ТВТ, 1990, т.28, с.536- 539).

Недостатком указанного способа является то, что он позволяет определить значение коэффициента испарения с точностью до порядка его величины, так как давление отдачи при заданной энергии лазерного импульса слабо зависит от коэффициента испарения.

Известен способ определения коэффициента сублимации α при относительно низких температурах поверхности Т_s, когда давление насыщенных паров P_s(T_s) < 0,1 мм рт. ст. и поддерживаемая с помощью подложки постоянной температура поверхности может быть достаточно точно определена термопарой. В этом случае a определяется в результате сравнения экспериментального значения давления отдачи, возникающего при стационарном испарении в вакууме и определяемого с помощью крутильных весов, с расчетным значением давления отдачи (Кнаке О. Странский И. И. Механизмы испарения. Успехи физических наук, 1959, т.68, c. 261-305).

Недостатком данного способа является то, что он не позволяет определить a при более высоких температурах, когда точное определение температуры поверхности становится сложной проблемой из-за ее резкого изменения в малой области вблизи поверхности.

Задачей изобретения является повышение точности определения коэффициента сублимации льда и других твердых веществ с высоким давлением насыщенных паров при температуре плавления с погрешностью не более 10% Техническим результатом изобретения является способ измерения коэффициента сублимации льда и других твердых веществ с высоким давлением насыщенных паров при температуре плавления, позволяющий измерить его с погрешностью не более 10% Технический результат изобретения достигается тем, что определяют коэффициент сублимации твердого вещества путем воздействия на его поверхность в условиях вакуума лазерным излучением с плавно возрастающей мощностью, измеряют силу отдачи струи пара, и коэффициент сублимации определяют по давлению отдачи в момент начала плавления.

На чертеже представлена принципиальная схема устройства для реализации предлагаемого способа.

Предлагаемый способ состоит из следующих действий: нагревают поверхность куска льда, помещенного в вакуумную камеру, излучением СО₂- лазера переменной мощности, регистрируют давление отдачи струи пара в момент начала плавления льда, получают значение коэффициента сублимации путем сравнения с расчетной зависимостью.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит вакуумную камеру 1, тензовесы 2, амперметр 3 и СО₂-лазер 4, генерирующий излучение с длиной волны 10,6 мкм.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом. Кусок льда (5), имеющий гладкую поверхность, помещается в вакуумную камеру (1). На плоскую поверхность направляется луч СО₂- лазера (4). Под действием лазерного излучения лед начинает сублимироваться в вакуум. Возникающее давление отдачи фиксируется тензовесами (2). Одновременно измеряется электрическое сопротивление образца льда. Мощность лазера плавно увеличивают до тех пор, пока не происходит уменьшения электрического сопротивления образца, свидетельствующего о начале плавления. Сведения для выбора вакуумной камеры, лазера и тензовесов следующие.

Давление в вакуумной камере P_∞< 0,05 мм рт.ст. Максимальный расход льда Максимальная интенсивность лазерного излучения Максимальная скорость испарения льда v 0,7 мм/с Максимальное давление отдачи Р_отд= 2,5 мм рт. ст.

Характерный поперечный (лучу) размер образца должен быть больше 2 мм Максимальная величина шероховатости должна быть меньше 2 мкм Приближенная формула для определения коэффициента сублимации имеет вид α = 1,79·P_отд/P(T_пл)
где P(T_пл) давление насыщенных паров при температуре плавления, для льда Р(Т_пл)=4,5 мм рт.ст.

Пространственные и временные вариации интенсивности лазерного излучения могут быть уменьшены до 4% Погрешность в измерении давления отдачи составляет менее 1% Таким образом предлагаемый способ позволяет измерить коэффициент сублимации с погрешностью менее 10%

Формула изобретения

Способ определения коэффициента сублимации твердого вещества, включающий воздействие на поверхность вещества, находящегося в вакууме, лазерным излучением с плавно возрастающей мощностью, измерение давления отдачи струи пара и определения по нему коэффициента сублимации вещества, отличающийся тем, что на образец воздействуют лазерным излучением с плавно возрастающей мощностью и коэффициент сублимации определяют в момент начала плавления.

РИСУНКИ

Рисунок 1