蒙特卡洛法计算钛升华泵抽气速率的结果与讨论
本文用蒙特卡洛法计算HIRFL-CSR 钛升华泵对于不同气体吸附系数在分子流条件下的吸附概率,并分析了挡板的形状、位置设置对于吸附概率的影响。通过实验测试,发现HIRFL-CSR 钛升华泵对H2的抽速与计算值接近,证明用蒙特卡洛法模拟计算、设计钛升华泵是可行的。
图2 是HIRFL-CSR钛升华泵的平面挡板直径为<120 mm、挡板位置在HIRFL-CSR钛升华泵的泵口上方145mm 条件下吸附系数与吸附概率的关系曲线。吸附系数减小时,气体分子在泵内反射次数增多,因而反射出泵口的概率增大。对H2 ,吸附系数为0.07 ,吸附概率为0.385。根据泵口短管(<200mm ×90mm)对H2的流导可求得该钛升华泵对H2的抽速为5300L/s。
图3 是HIRFL-CSR钛升华泵的平面挡板直径为<120mm、挡板位置距泵口的距离变化与吸附概率的关系曲线。考虑到该钛升华泵主要是抽除H2 ,故吸附系数取为0.07。挡板距泵口距离变化的同时,钛膜的面积也随之变化。离泵口远时,泵体圆筒壁处于挡板的阴影部分增大,因而减小了钛膜的面积。这样,分子在泵体内反射的次数增多,飞出泵口的概率也增大,所以吸附概率减小了。
图4 所示曲线是把挡板分成2 部分,中间部分为一直径<80 mm 的圆盘a ,另一部分为外径<120 mm、内径<80 mm 的圆环b。将圆环b 距泵口的距离固定为145 mm ,改变圆盘a 距泵口的距离,计算H2吸附概率的变化。从图4 的计算结果表明,圆盘a 位置的变化对于H2吸附概率的影响仅为5 %左右,因此挡板也可以做成环形。
图5 所示曲线是把挡板分成3 个圆环,圆环与平面的夹角为θ,计算θ从0～45°变化时对H2吸附概率的影响。从图5 所示的结果可见,圆环角度的变化对抽速的影响也很小。考虑到实际应用时加工、安装方便,沉积在挡板上的钛膜易于清洗等因素,故选用了平面挡板(θ为0°) 。
钛升华泵在超高真空条件下,当给定温度时,对一定气体的抽速与压力无关。实验也证明,在很大压力范围内(10 - 4～10 - 9Pa) 对H2抽速几乎没有变化 。因此,只需测量某个压力下的H2抽速即可。单独测量钛升华泵抽速比较困难,作者采用了图6 所示的钛升华泵抽速测试系统。
图6 钛升华泵抽速测试系统示意图
1. 钛升华泵; 2. 溅射离子泵(330 L/s) ; 3. 真空盒;4. 真空规管(IE514) ; 5. 抽速测试罩; 6. 小孔(<15) ; 7. 微调送气阀; 8. 隔断阀; 9. 涡轮分子泵(550 L/s) ; 10. 前级干泵(4 L/s) 。
钛升华泵和溅射离子泵分别接在矩形盒下部,矩形盒上部接ISO 标准测试罩。实测时先测量溅射离子泵的抽速,再测出溅射离子泵与钛升华泵同时工作时的抽速,将两者之差作为钛升华泵的抽速。用此方法测出在10-9Pa 时对H2抽速为5200L/s ,与计算结果5300L/s 相差约2%。使用这种简易的测量方法时引进了几项不稳定因素,其中主要是: (1)溅射离子泵抽速的变化; (2)残余气体成分的变化; (3) 矩形盒流导的影响,但是相对于钛升华泵的抽速以及导入气量而言,影响是很小的。
计算了HIRFL-CSR 钛升华泵对于不同气体吸附系数在分子流条件下的吸附概率,分析了挡板的形状和设置位置对吸附概率的影响,并得到了对H2抽速的计算与实验数据相接近的结果,证明用蒙特卡洛法在计算机上模拟计算、设计钛升华泵有关参数的可行性。
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