Строительные исследования

(-аЕ/ах)упр = [2Nn(Z1Z2)2M1e4.ln(1+AE/B)]/ M2E,(5)

A= 2[M1M2/(M1+M2)2]1/2, B= 8e2(Z1Z2/0.8853na0)(Z11/2+ Z21/2)2/3(M1/M2)1/2,

где Z1 , Z2 , M1 , M2 - заряды ядер и массы налетающей частицы и частицы-мишени, соответственно, e - заряд электрона, a0 - Боровский радиус.

После подстановки численных значений для случая атома водорода и воды формула (5) принимает вид (ЕА1х)упр= (2.38*1010/E)ln(1+E/2370) эВсм-1. При Е ~ Епор доля упругих потерь энергии по длине составляет около 15 - 20 % от (-dE/dx)™™, а вдали от порога ионизации она становится пренебрежимо мала, т.е. в рассматриваемом энергетическом диапазоне преобладают неупругие потери. Зависимость числа геминальных пар, образованных одним ионом, от его начальной кинетической энергии в диапазоне до 1 кэВ, представлена на Рис.2.

101

100

ю-1

-2

0 200 400 600 800 1000 Е, эВ

Рис.2 Расчетные зависимости эффективности ионизации y± (числа образуемых одним ускоренным ионом геминальных пар) от кинетической энергии протонов Е в диапазоне до 1 кэВ: 1 - простая модель [4], 2 - уточненная модель [5].

В литературе отсутствуют экспериментальные данные по числу геминальных пар, образуемых при вхождении в воду протонов с калиброванной энергией в интересующем нас диапазоне. Энергии ионов, достигаемые в катодной области разряда достоверно не известны, но среднее их значение Еср не может превышать величину eVjj (Ук - падение потенциала в катодной области). Для разряда с электролитным катодом величина V1< составляет, как правило, 390 - 410 В [3, 14]. При давлениях порядка атмосферного основной токоперенос через границу тлеющий разряд - катод осуществляется ускоренными атомарными ионами молекулярного газа с Еср > (0.6 - 0.7) eV а для разряда в режиме полого катода с Еср « eVк [15]. Режим полого катода отмечен для газовых микроразрядов на поверхности погруженного в электролит вентильного анода [3], поэтому наиболее удобно использовать данные, полученные для таких систем. При воздействии микроразрядов на электролитный катод регистрировались как выходы сольватированных электронов ye , так и выходы

радикалов ОН - продуктов превращения водяных «дырок» Н2О+ в расчете на один ион yOH (фарадеевский выход по току) [1,3]. Наблюдаемые в опытах кинетические закономерности указывают на преимущественное образование этих продуктов за счет ионизации воды в треках ускоренных частиц, как при радиолизе водных растворов [1,17]. Данные получены для достаточно концентрированных растворов электролита, и наблюдаемый выход электронов может иметь отношение не только к распаду молекул воды, но и в значительной степени к распаду растворенного аниона. Поэтому можно считать, что выход радикалов ОН в этих условиях отражает эффективность образования геминальных пар Н2О+ - электрон более адекватно. Среднее значение выхода прорекомбинировавших ОН-радикалов, регистрируемое в системе с микроразрядами составляет 3.2 [17]. Полное число образовавшихся радикалов несколько выше, так как не все они успевают рекомбинировать вследствие быстрой диффузии из области с высокой локальной концентрацией [12], и достигает 4.2 - 4.4 согласно [1,17]. Число радикалов ОН, образующихся в расчете на один ион, определяется реакцией Н2О+ + Н2О - ОН + Н3О+. В эту реакцию вступают «дырки», возникшие не только при образовании геминальной пары, но также и в результате перезарядки протона (так же как и любого другого положительного иона с надтепловой или даже тепловой кинетической энергией) на молекуле воды в жидкости. Поэтому число пар, образованных одним ускоренным ионом y± должно быть на единицу меньше фарадеевского выхода ОН-радикалов,y± = yOH - 1, и можно считать y± « 3.2 - 3.4, рассматриваяy± = 2.2 как нижнюю оценку. Наблюдается приблизительное согласие экспериментальных значений y± с расчетными для Ук = 400 В (см. Табл.1). с точностью до коэффициента 2. В экспериментах регистрируется большее число геминальных пар. Однако, можно, по всей видимости, сделать вывод о вполне удовлетворительном описании экспериментальных данных, так как в реальных условиях ионизация воды может обеспечиваться не только ускоренными протонами, но и быстрыми атомами водорода, поступающими из разряда в раствор. Последние образуются в прикатодной области газового разряда в результате перезарядки ускоренных протонов в скользящих соударениях без потери скорости направленного движения. В эксперименте регистрируется только поток ионов Ii, и не учитывается поток нейтралов с сопоставимой энергией In, вклад которого может составлять значительную долю суммарного потока ионизующих частиц. Оценим вклад ускоренных нейтралов. Отношение потоков определяется толщиной области КПП разряда d и средней длиной перезарядки в газе X: In/Ii = d/X [16]. Для режима полого катода Еср « eV что соответствует d « X, то есть в грубом приближении можно считать, что полный поток ионизующих частиц приблизительно вдвое превышает регистрируемый поток ионов на катод. Таким образом, оценочное число геминальных пар, приходящихся в эксперименте на одну ускоренную частицу (ион или нейтрал), приблизительно равно 1.6 - 1.7.

Сравнение полученных численных значения у±(Е) (Табл.1) с экспериментальными для системы разряд - электролитный катод дает основание рассматривать ионизацию воды ускоренными ионами и нейтралами как основой канал в образовании первичных радикальных продуктов разложения воды. Это дополнительно подтверждает выдвинутую ранее гипотезу [1,3,14,17] о преобладающей роли механизма «электрорадиолиза» водных растворов в приразрядном слое электролитного катода. Расчетная энергетическая зависимость эффективности образования геминальных пар у±(Е) показывает, что в диапазоне 100 - 400 эВ протоны способны генерировать в воде число валентно-несвязанных электронов, вполне достаточное для поддержания тлеющего разряда за счет кинетической ионно-электронной эмиссии. При условии модельного учета соотношения ионов и нейтралов, поступающих из разряда в раствор, а также их энергетических распределений [16], зависимость у±(Е) можно использовать для экспериментальной оценки средней кинетической энергии ускоренных частиц Еср методом «молекулярного зонда». Эта величина не поддается непосредственному измерению, и единственный доступный путь ее

определения - сопоставление экспериментальных выходов первичных продуктов разложения воды с расчетной оценкой у±(Е).

Заключение.

Для оценки эффективности образования геминальных пар в водной среде медленными протонами, в работе обоснована и использована полуэмпирическая схема расчета пороговых энергий и сечений ионизации на основе совмещения квазиклассической модели Фирсова с экспериментальными данными по ЛПЭ протонов в жидкой воде. Полученные оценочные значения этих параметров удовлетворительно согласуются как с литературными данными для высокоэнергетической области, так и с данными эксперимента для области энергий ниже 500 эВ по образованию первичных продуктов воздействия тлеющего разряда на водные растворы. Расчетные оценки среднего числа геминальных пар, образуемых одним ускоренным протоном в этом диапазоне энергий, подтверждают гипотезу об определяющей роли радиолиза раствора ускоренными в разряде частицами при образовании первичных радикальных продуктов разложения воды и о поддержании разряда с электролитным катодом по механизму кинетической ионно-электронной эмиссии. Результаты расчетов можно использовать при экспериментальной оценке средней кинетической энергии частиц по выходу радикальных продуктов, с учетом соотношения ускоренных ионов и нейтралов, поступающих из разряда в раствор.

содержание:
[стр.Введение] [стр.1] [стр.2] [стр.3]