真空校准室内分子流场分布的理论分析与计算

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)兰州物理研究所 作者:龚伟

  在动态流量校准系统中,气体分子流场分布非均匀性是造成被校规测量值出现偏差的原因,也是校准装置系统误差的来源。介绍校准室内分子流场分布的理论计算方法,这种方法不仅能分析分子流场分布的非均匀性,还能够直接计算被校规室内的分子密度,给出规室内分子密度与进入校准室气体流量之间的函数关系。计算时考虑了校准室的几何结构,最大限度的减小了校准室结构设计对分子流场分布带来的影响。对返流比β 和有效抽速Seff的计算方法,为动态流量校准装置系统参数的蒙特卡罗模拟提供了理论依据。

1、引言

  动态流量法是将已知流量的气体连续的注入到校准室中,通过已知流导抽气,在校准室中建立起动态平衡压力。这是运用于高真空和超高真空区间校准真空规的一种优良的绝对方法。如图1 所示。

  20 世纪50 年代,随着扩散泵抽速测量的研究和发展,对分子流理论进行了深入探讨,这为动态流量法的发展创造了条件。1955 年,Dayton 首先把扩散泵抽速测量装置进行改装,在扩散泵与测试罩之间装一限流孔板,建成“小孔法”校准系统。20 世纪60 年代,许多国家相继建立了不同结构形式的动态流量法校准系统。随着真空获得技术的进展,采用各种优良抽气手段和先进工艺的超高真空动流量法校准系统迅速发展起来,并广泛而深入的开展了对误差源的探讨和对非平衡分子流理论的研究。

  1960年,Davis首先将蒙特卡罗法应用于圆管传输几率的计算,从此,蒙特卡罗法开始广泛用于真空计量领域。Davis 提出了基于蒙特卡罗方法进行分子流场分布的基本假设:校准室内气体流动处于稳定状态;气体是分子流,气体分子之间不发生碰撞;每个分子都在它与校准室内壁的碰撞点处被反射;气体分子飞离器壁时服从余弦定理;气体分子在进入校准室入口之前处于平衡态,进入时的角度分布服从余弦定理。这些假设已经成为对动态流量校准系统进行蒙特卡罗模拟的基础。由于当时计算机运算速度的制约,影响了其深入的应用研究。20 世纪80年代后期,各国相继开展了超高真空计量技术研究,建立了相应的超高真空校准装置,有些国家还建立了极高真空校准装置,这对分子流场分布的深入研究提出了更高的要求。

  蒙特卡罗方法对分子流场分布的计算是通过模拟大量分子的运动,跟踪微观气体的运动(即单个气体分子的运动)来反映校准室内气体宏观参量的性质,一般分子流动可用分子流率(molecular flow rate)来表示,即单位时间内通过单位面积的分子数。这与蒙特卡罗方法的本质吻合。当以流量(Pa·m3/s)为单位来表示气体的流动,即单位时间内通过的气体量时,流量可以转换为分子流率。因为在温度确定的条件下,相同的气体量(Pa·m3)包含相同的气体分子数,这与蒙特卡罗方法的本质相符。

3、结论

  作者介绍的校准室内分子流场分布的理论计算方法适用于蒙特卡罗方法模拟校准室分子流场分布,精确计算校准室局部空间分子密度以及计算动态流量校准装置系统参数返流比β 和有效抽速Seff。应用该理论方法对动态流量校准系统进行蒙特卡罗分析,可以鉴别不同动态流量校准系统之间的微小差别,并研究这些差别的来源。在真空计量进入超高/极高范围后,校准系统局部结构、局部分子流场分布对整个校准系统参数的影响越来越明显。本文介绍的理论计算方法将为校准系统局部与整体之间关系的精确计算提供理论依据。基于该理论计算方法的蒙特卡罗模拟存在的最大问题是过长的计算时间,这是影响它应用的最大障碍。随着计算方法的发展,计算时间有望大大缩短。这也会为更精确的真空计量研究提供有用的工具。

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