深冷氩霜低温吸附机理研究

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真空技术是低温工程领域一项关键技术。人类对自然界认识水平的提高和现代科学技术的飞速发展衍生了一大批大型的科学装置,如各种宇宙空间环境模拟装置、超导托克马克装置、高能加速器等。在这些装置中,真空技术是决定系统可靠安全运行的最关键的要素之一。低温吸附是获得高真空或超高真空的一种重要手段之一。传统的吸附剂,如活性炭,广泛应用于各种低温吸附泵中,然而随着各种设备对其工作环境的要求越来越苛刻,传统吸附剂存在的一些问题也浮现出来,例如吸附剂的粘接、吸附剂的再生更换问题等。低温霜是一种具有多孔结构的气体冷凝霜,它对氦气、氢气等难凝性气体具有很好的吸附作用,并且它能克服传统吸附剂的一些缺点,已经应用在一些大型科学装置中。然而关于深冷霜低温吸附的机理和特征公开的报道很少。本论文通过实验与理论相结合的方式,并利用分子模拟技术对低温氩霜吸附氦气的机理和吸附特征进行分析研究。  为了进行相应的实验研究,设计了一个低温氩霜吸附氦气实验平台,该实验平台主要由液氦低温恒温器、吸附室、缓冲室以及测量设备等组成。本文主要对系统的一些主要特点进行了介绍,并对该实验系统在测量以及数据处理方面进行了说明。  由于实验条件限制,本论文只获得了有限的实验数据。为了能比较全面的分析氩霜对氦气的吸附机理研究,在论文第三章我们结合相关文献得到的两组实验数据,利用Langmuir理论、BET理论和DR方程对三组实验数据进行分析研究,并计算了这些理论中的特征参数,发现DR方程能更好的对氩霜吸附氦气的过程进行描述。  分子模拟是根据物理和化学的基本原理,建立一种以计算数据来代替实验测量的研究方法,获取物质或者过程的相关物理和化学信息。通过分子模拟的方法对材料的结构进行模拟,对材料的性质进行计算,可以预测材料的行为,验证试验结果,更重要的是可以从微观角度来更深层次的了解认识材料。近代科技的发展,特别是计算机技术的发展,使得分子模拟作为科学研究的一种辅助工具在化学、化工、材料科学等领域获得了广泛的应用。论文第四章利用广泛应用于模拟吸附过程的巨正则蒙特卡洛(GCMC)方法对氩霜吸附氦气的机理进行了深入研究。首先论文介绍了GCMC模拟的基本原理,并对模拟过程中的一些关键点进行说明。介绍了模拟过程中的一些重要概念,如势能方程、化学势、局部密度分布、吸附热等。最后通过作者自己编写的FORTRAN程序对氦气在狭缝模型和圆柱模型中的吸附过程进行模拟。利用文献的数据对程序进行了验证。在狭缝模型中分析了压力变化对局部密度的影响,分析了孔宽和温度对吸附过程的影响。在圆柱孔模型中分析了孔径对吸附量的影响。分析结果表明氩霜对氦气的吸附过程是单层物理吸附。
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