真空校準室內(nèi)分子流場分布的理論分析與計算
在動態(tài)流量校準系統(tǒng)中，氣體分子流場分布非均勻性是造成被校規(guī)測量值出現(xiàn)偏差的原因，也是校準裝置系統(tǒng)誤差的來源。介紹校準室內(nèi)分子流場分布的理論計算方法，這種方法不僅能分析分子流場分布的非均勻性，還能夠直接計算被校規(guī)室內(nèi)的分子密度，給出規(guī)室內(nèi)分子密度與進入校準室氣體流量之間的函數(shù)關(guān)系。計算時考慮了校準室的幾何結(jié)構(gòu)，最大限度的減小了校準室結(jié)構(gòu)設(shè)計對分子流場分布帶來的影響。對返流比β 和有效抽速Seff的計算方法，為動態(tài)流量校準裝置系統(tǒng)參數(shù)的蒙特卡羅模擬提供了理論依據(jù)。
1、引言
動態(tài)流量法是將已知流量的氣體連續(xù)的注入到校準室中，通過已知流導(dǎo)抽氣，在校準室中建立起動態(tài)平衡壓力。這是運用于高真空和超高真空區(qū)間校準真空規(guī)的一種優(yōu)良的絕對方法。如圖1 所示。
20 世紀50 年代，隨著擴散泵抽速測量的研究和發(fā)展，對分子流理論進行了深入探討，這為動態(tài)流量法的發(fā)展創(chuàng)造了條件。1955 年，Dayton 首先把擴散泵抽速測量裝置進行改裝，在擴散泵與測試罩之間裝一限流孔板，建成“小孔法”校準系統(tǒng)。20 世紀60 年代，許多國家相繼建立了不同結(jié)構(gòu)形式的動態(tài)流量法校準系統(tǒng)。隨著真空獲得技術(shù)的進展，采用各種優(yōu)良抽氣手段和先進工藝的超高真空動流量法校準系統(tǒng)迅速發(fā)展起來,并廣泛而深入的開展了對誤差源的探討和對非平衡分子流理論的研究。
1960年，Davis首先將蒙特卡羅法應(yīng)用于圓管傳輸幾率的計算，從此，蒙特卡羅法開始廣泛用于真空計量領(lǐng)域。Davis 提出了基于蒙特卡羅方法進行分子流場分布的基本假設(shè)：校準室內(nèi)氣體流動處于穩(wěn)定狀態(tài)；氣體是分子流，氣體分子之間不發(fā)生碰撞；每個分子都在它與校準室內(nèi)壁的碰撞點處被反射；氣體分子飛離器壁時服從余弦定理；氣體分子在進入校準室入口之前處于平衡態(tài)，進入時的角度分布服從余弦定理。這些假設(shè)已經(jīng)成為對動態(tài)流量校準系統(tǒng)進行蒙特卡羅模擬的基礎(chǔ)。由于當時計算機運算速度的制約，影響了其深入的應(yīng)用研究。20 世紀80年代后期，各國相繼開展了超高真空計量技術(shù)研究，建立了相應(yīng)的超高真空校準裝置，有些國家還建立了極高真空校準裝置，這對分子流場分布的深入研究提出了更高的要求。
蒙特卡羅方法對分子流場分布的計算是通過模擬大量分子的運動，跟蹤微觀氣體的運動（即單個氣體分子的運動）來反映校準室內(nèi)氣體宏觀參量的性質(zhì)，一般分子流動可用分子流率(molecular flow rate)來表示，即單位時間內(nèi)通過單位面積的分子數(shù)。這與蒙特卡羅方法的本質(zhì)吻合。當以流量（Pa·m3/s）為單位來表示氣體的流動，即單位時間內(nèi)通過的氣體量時，流量可以轉(zhuǎn)換為分子流率。因為在溫度確定的條件下，相同的氣體量（Pa·m3）包含相同的氣體分子數(shù)，這與蒙特卡羅方法的本質(zhì)相符。
3、結(jié)論
作者介紹的校準室內(nèi)分子流場分布的理論計算方法適用于蒙特卡羅方法模擬校準室分子流場分布，精確計算校準室局部空間分子密度以及計算動態(tài)流量校準裝置系統(tǒng)參數(shù)返流比β 和有效抽速Seff。應(yīng)用該理論方法對動態(tài)流量校準系統(tǒng)進行蒙特卡羅分析，可以鑒別不同動態(tài)流量校準系統(tǒng)之間的微小差別，并研究這些差別的來源。在真空計量進入超高/極高范圍后，校準系統(tǒng)局部結(jié)構(gòu)、局部分子流場分布對整個校準系統(tǒng)參數(shù)的影響越來越明顯。本文介紹的理論計算方法將為校準系統(tǒng)局部與整體之間關(guān)系的精確計算提供理論依據(jù)�；谠摾碚撚嬎惴椒ǖ拿商乜_模擬存在的最大問題是過長的計算時間，這是影響它應(yīng)用的最大障礙。隨著計算方法的發(fā)展，計算時間有望大大縮短。這也會為更精確的真空計量研究提供有用的工具。
