真空校準室內分子流場(chǎng)分布的理論分析與計算
在動(dòng)態(tài)流量校準系統中，氣體分子流場(chǎng)分布非均勻性是造成被校規測量值出現偏差的原因，也是校準裝置系統誤差的來(lái)源。介紹校準室內分子流場(chǎng)分布的理論計算方法，這種方法不僅能分析分子流場(chǎng)分布的非均勻性，還能夠直接計算被校規室內的分子密度，給出規室內分子密度與進(jìn)入校準室氣體流量之間的函數關(guān)系。計算時(shí)考慮了校準室的幾何結構，最大限度的減小了校準室結構設計對分子流場(chǎng)分布帶來(lái)的影響。對返流比β 和有效抽速Seff的計算方法，為動(dòng)態(tài)流量校準裝置系統參數的蒙特卡羅模擬提供了理論依據。
1、引言
動(dòng)態(tài)流量法是將已知流量的氣體連續的注入到校準室中，通過(guò)已知流導抽氣，在校準室中建立起動(dòng)態(tài)平衡壓力。這是運用于高真空和超高真空區間校準真空規的一種優(yōu)良的絕對方法。如圖1 所示。
20 世紀50 年代，隨著(zhù)擴散泵抽速測量的研究和發(fā)展，對分子流理論進(jìn)行了深入探討，這為動(dòng)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(jìn)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。20 世紀60 年代，許多國家相繼建立了不同結構形式的動(dòng)態(tài)流量法校準系統。隨著(zhù)真空獲得技術(shù)的進(jìn)展，采用各種優(yōu)良抽氣手段和先進(jìn)工藝的超高真空動(dòng)流量法校準系統迅速發(fā)展起來(lái),并廣泛而深入的開(kāi)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用于圓管傳輸幾率的計算，從此，蒙特卡羅法開(kāi)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(jìn)行分子流場(chǎng)分布的基本假設：校準室內氣體流動(dòng)處于穩定狀態(tài)；氣體是分子流，氣體分子之間不發(fā)生碰撞；每個(gè)分子都在它與校準室內壁的碰撞點(diǎn)處被反射；氣體分子飛離器壁時(shí)服從余弦定理；氣體分子在進(jìn)入校準室入口之前處于平衡態(tài)，進(jìn)入時(shí)的角度分布服從余弦定理。這些假設已經(jīng)成為對動(dòng)態(tài)流量校準系統進(jìn)行蒙特卡羅模擬的基礎。由于當時(shí)計算機運算速度的制約，影響了其深入的應用研究。20 世紀80年代后期，各國相繼開(kāi)展了超高真空計量技術(shù)研究，建立了相應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(chǎng)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(chǎng)分布的計算是通過(guò)模擬大量分子的運動(dòng)，跟蹤微觀(guān)氣體的運動(dòng)（即單個(gè)氣體分子的運動(dòng)）來(lái)反映校準室內氣體宏觀(guān)參量的性質(zhì)，一般分子流動(dòng)可用分子流率(molecular flow rate)來(lái)表示，即單位時(shí)間內通過(guò)單位面積的分子數。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(lái)表示氣體的流動(dòng)，即單位時(shí)間內通過(guò)的氣體量時(shí)，流量可以轉換為分子流率。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，這與蒙特卡羅方法的本質(zhì)相符。
3、結論
作者介紹的校準室內分子流場(chǎng)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(chǎng)分布，精確計算校準室局部空間分子密度以及計算動(dòng)態(tài)流量校準裝置系統參數返流比β 和有效抽速Seff。應用該理論方法對動(dòng)態(tài)流量校準系統進(jìn)行蒙特卡羅分析，可以鑒別不同動(dòng)態(tài)流量校準系統之間的微小差別，并研究這些差別的來(lái)源。在真空計量進(jìn)入超高/極高范圍后，校準系統局部結構、局部分子流場(chǎng)分布對整個(gè)校準系統參數的影響越來(lái)越明顯。本文介紹的理論計算方法將為校準系統局部與整體之間關(guān)系的精確計算提供理論依據�；谠摾碚撚嬎惴椒ǖ拿商乜_模擬存在的最大問(wèn)題是過(guò)長(cháng)的計算時(shí)間，這是影響它應用的最大障礙。隨著(zhù)計算方法的發(fā)展，計算時(shí)間有望大大縮短。這也會(huì )為更精確的真空計量研究提供有用的工具。
