Влияние сильного магнитного поля на адсорбцию газов

С.И. Кривошеев,1 Г.А. Шнеерсон,1 В.В. Платонов,2 В.Д. Селемир,2 О.М. Таценко,2
А.В. Филиппов,2 Е.А. Бычкова 2
1 Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого,
195251 Санкт-Петербург, Россия
2 Российский федеральный ядерный центр —
Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики,
607187 Саров, Нижегородская область, Россия

Показано влияние сильных импульсных магнитных полей на процесс адсорбции газов на диэлектрические
поверхности. Приведены описание методики эксперимента и его результаты, демонстрирующие существен-
ное увеличение поверхностной концентрации адсорбированного вещества при воздействии импульсных
магнитных полей с амплитудой индукции до 50 T. Наблюдено увеличение времени жизни и стойкости адсор-
бированного слоя. Показано, что эффект магнитоиндуцированной сорбции проявляется и при взаимодействии
паров йода с поверхностью диэлектриков.

Введение

Сильные магнитные поля находят широкое примене-
ние в различных областях физики, в ряде технологиче-
ских процессов, известен ряд химических и биологиче-
ских реакций, на которые влияет магнитное поле [1–6].
В ходе экспериментов, выполненных в СПбГПТУ и
РФЯЦ-ФНИИЭФ, впервые была обнаружена аномально
высокая адсорбция газов в присутствии сильного им-
пульсного магнитного поля. Предварительные резуль-
таты упомянутых экспериментов были доложены на
ряде конференций (например, [7–9]). Настоящая работа
является итоговой: в ней описаны исследования маг-
нитоиндуцирванной сорбции, рассмотрены возможные
применения этого эффекта и высказаны предположения
о химической природе этого вида адсорбции.
Эксперименты с азотом
В экспериментах исследовалась адсорбция газа на
стенки диэлектрического сосуда 1 (рис. 1). Для каждого
опыта использовался отдельный сосуд диаметром 18 mm.
Система включала в себя также открытый стеклянный
капилляр 2 диаметром 0.3 mm, внутри которого рас-
полагалась капля жидкости (индикатор). Ее положение
фиксировалось с помощью шкалы 3. Эксперимент прово-
дится следующим образом. Сосуд 1 размещался в поло-
сти магнита, создающего сильное импульсное магнитное
поле. В исходном состоянии производилась откачка
системы через клапан g4 при открытом клапане g1 и
закрытых g2 и g3. Затем перекрывался клапан g4, и про-
изводился напуск газа через открытые клапаны g2 и g3
при атмосферном давлении. Эта процедура повторялась
три раза. Перед разрядом система заполнялась иссле-
дуемым газом. Перед разрядом клапаны g1 и g3 были
открыты, клапаны g2 и g4 закрыты, а индикатор находил-
ся в начальном положении. Импульсное магнитное по-
ле создавалось путем разряда конденсаторной батареи.
После разряда отмечалось смещение индикатора внутрь
системы на расстояние от 1 до 20 mm. При неизменном
диаметре капилляра можно найти изменение объема
газа 1V и при неизменных давлении P и температуре T
рассчитать изменение числа частиц в системе
N = (1/(kT)) P · 1V. (1)
Убыль числа частиц можно считать следствием оса-
ждения их на стенках сосуда 1, площадь поверхно-
сти которого S много больше, чем у капилляра и
других элементов системы. Зная S, можно рассчитать
поверхностную концентрацию адсорбированных частиц
N′ = N/S. На рис. 2 показана зависимость числа частиц
азота, осажденных на поверхности стеклянного сосуда
после одного разряда, от амплитуды индукции. При
втором и следующих экспериментах со сменой газа
после каждого из них количество осажденных частиц
уменьшается: имеет место эффект насыщения адсорбци-
онной способности. Это позволяет ограничиться однимразрядом при исследованиях влияния магнитного поля
на адсорбционную способность материалов.
Опыты с азотом производились на двух установ-
ках: на одновитковом соленоиде (установка ГИТ-50/1.5
в СПбГПУ) и на спиральном соленоиде в РФЯЦ
ВНИИЭФ. В обоих случаях индукция поля, создава-
емого при разряде конденсаторной батареи на соле-
ноид, изменялась по закону затухающей синусоиды
B = Bm sin(2πt/Tmf )e−t/τ . На первой установке ампли-
туда индукции изменялась от 5 до 50 T, на второй
она составляла 12 T. Полученные результаты приведе-
ны на рис. 2. Размеры сосудов и методика экспери-
мента были одинаковы в обоих случаях. Характерно
резкое различие длительности импульса в этих опы-
тах. На первой установке импульс длился несколько
микросекунд (Tmf /2  5−7 μs, быстрый режим), а на
второй его длительность была в десятки раз больше
(Tmf /2  100−200 μs, медленный режим). Несмотря на
это, плотность частиц, осевших на поверхности при
одинаковой амплитуде индукции, не отличалась.
Есть основания исключить действие индуцированного
электрического поля. Радиус колбочек с газом был в
несколько раз меньше, чем радиус соленоида, поэтому
азимутальную напряженность электрического поля на
внутренней стенке колбы можно рассчитать по формуле
Eϕ =R2dBdt, (2)
где R — внутренний радиус колбы. В опытах с наиболь-
шей скоростью изменения индукции (около 2 · 107 T/s)
и при радиусе R = 5mm напряженность имела значения
порядка 1 kV/cm. Это поле слишком слабо, чтобы имели
место ионизационные явления на границе при нор-
мальном давлении газа, поэтому оно не может оказать
существенного влияния на возможные реакции, при-
водящие к адсорбции газов. Результаты экспериментов
дают основания предполагать, что на интенсивность
адсорбции определяющее влияние оказывает амплитуда
индукции, а не скорость ее изменения.
Характерна резкая зависимость поверхностной плот-
ности частиц от индукции: при ее изменении в 10 раз
(от 5 до 50 Т) поверхностная плотность возрастает при-
близительно в 100 раз, т. е. в этом диапазоне изменения
индукции плотность приблизительно пропорциональна
ее квадрату. Данные, приведенные на рис. 2, с погрешно-
стью менее 10% описываются эмпирической формулой
N′ = 8.4 · 1018B2, (3)
где N′ = Nad/s.
Увеличение адсорбции под действием магнитного по-
ля отмечено не только на стекле, но и на ряде других
диэлектрических материалов. К их числу относятся по-
лиэтилен, полиамид, капролон. Это открывает возмож-
ность создания препаратов, в которых для медицинских
целей используется адсорбированный йод.

Список литературы
[1] Steiner U.E., Gilch P. High Magnetic Fields. Science and
Technology. Ed. F. Herlach, N. Miura. World Scientific. New
Jersey, London, Singapure, Hong Kong, Taipei. 2003. Vol. 2.
P. 219−244.
[2] Украинцев В.Б., Мацура В.А., Потехин В.В. и др. // ЖОХ.
2005. Т. 75. Вып. 8. С. 1329−1332.
[3] Shiga M., Wada H., Mitsuda A. et al. // Physica B, 2001.
Vol. 294−295. P. 262−266.
[4] Khokhryakov K.A., Matsura V.A., Potekhin V.V. et al. //
7th international Symposium on Research in High Magnetic
Fields, Toulouse, France, 2003. P. 121.
[5] Сухарев Ю.И., Крупнова Т.Г., Апаликова И.Ю. и др. // Из-
вестия Челябинского НЦ УрО РАН. 2005. № 2. С. 73−77.
[6] Левин М.Н., Татаринцев А.В., Косцова О.А., Кос-
цов А.М. // ЖТФ. 2003. Т. 73. Вып. 10. С. 85−87.
[7] Proc. of 9th Intern. Conf. On Megagauss Magnetic Field
Generation and Related Topics. Sarov, Pussia, July 7−14,
2002. V.D. Selemir, L.N. Plyashkevich (Eds). Sarov: VNIIEF.
2004. 891 p.
[8] Krivosheev S.I., Selemir V.D., Shneerson G.A. et al. // IET
European Conference on European Pulsed Power 2009.
Geneva, Switzerland 21−25 September 2009. Printed by
Curran Associates Inc. 2010. P. 184−188.
[9] Krivosheev S.I., Platonov V.V., Selemir V.D. et al. //
Proceedings of the Thirteenth International Megagauss
Conference, Guzhou, China, 2011. P. 177−183.
[10] Radioiodine Removal in Nuclear Facilities Methods and
Techniques for Methods and Techniques for Normal and
Emergency Situations // IAEA Tech. Rep. Ser. № 201. 1980.
98 p.
[11] Kаbayashi Y., Kondo Y., Hirose Y. et al. // Proc. 21st
DOE/NRC Nuclear Air Cleaning Conf. USA, February 9−16,
1991. Vol. 2. P. 594−803.
[12] Selemir V.D., Tatsenko O.M., Platonov V.V. at al. // IEEE
Transactions on Plasma Science. Vol. 43. N 2. 1 Feb. 2015.
Article number 7005511. P. 688−691.
[13] Зельдович Я.Б., Бучаченко А.Л., Франкевич Е.М. // УФН.
1988. Т. 155. № 1. С. 3−45.
[14] Бучаченко А.Л., Салихов К.М., Молин Ю.Н., Сагдеев Р.З.
Магнитные и спиновые эффекты в химических реакциях.
Новосибирск: Наука, 1978. 296 с.
9 Журнал технической физики, 2016, том 86, вып. 1