蒙特卡洛法計算鈦升華泵抽氣速率的結果與討論
本文用蒙特卡洛法計算HIRFL-CSR 鈦升華泵對于不同氣體吸附系數在分子流條件下的吸附概率,并分析了擋板的形狀、位置設置對于吸附概率的影響。通過實驗測試,發現HIRFL-CSR 鈦升華泵對H2的抽速與計算值接近,證明用蒙特卡洛法模擬計算、設計鈦升華泵是可行的。
圖2 是HIRFL-CSR鈦升華泵的平面擋板直徑為<120 mm、擋板位置在HIRFL-CSR鈦升華泵的泵口上方145mm 條件下吸附系數與吸附概率的關系曲線。吸附系數減小時,氣體分子在泵內反射次數增多,因而反射出泵口的概率增大。對H2 ,吸附系數為0.07 ,吸附概率為0.385。根據泵口短管(<200mm ×90mm)對H2的流導可求得該鈦升華泵對H2的抽速為5300L/s。
圖3 是HIRFL-CSR鈦升華泵的平面擋板直徑為<120mm、擋板位置距泵口的距離變化與吸附概率的關系曲線�？紤]到該鈦升華泵主要是抽除H2 ,故吸附系數取為0.07。擋板距泵口距離變化的同時,鈦膜的面積也隨之變化。離泵口遠時,泵體圓筒壁處于擋板的陰影部分增大,因而減小了鈦膜的面積。這樣,分子在泵體內反射的次數增多,飛出泵口的概率也增大,所以吸附概率減小了。
圖4 所示曲線是把擋板分成2 部分,中間部分為一直徑<80 mm 的圓盤a ,另一部分為外徑<120 mm、內徑<80 mm 的圓環b。將圓環b 距泵口的距離固定為145 mm ,改變圓盤a 距泵口的距離,計算H2吸附概率的變化。從圖4 的計算結果表明,圓盤a 位置的變化對于H2吸附概率的影響僅為5 %左右,因此擋板也可以做成環形。
圖5 所示曲線是把擋板分成3 個圓環,圓環與平面的夾角為θ,計算θ從0～45°變化時對H2吸附概率的影響。從圖5 所示的結果可見,圓環角度的變化對抽速的影響也很小。考慮到實際應用時加工、安裝方便,沉積在擋板上的鈦膜易于清洗等因素,故選用了平面擋板(θ為0°) 。
鈦升華泵在超高真空條件下,當給定溫度時,對一定氣體的抽速與壓力無關。實驗也證明,在很大壓力范圍內(10 - 4～10 - 9Pa) 對H2抽速幾乎沒有變化 。因此,只需測量某個壓力下的H2抽速即可。單獨測量鈦升華泵抽速比較困難,作者采用了圖6 所示的鈦升華泵抽速測試系統。
圖6 鈦升華泵抽速測試系統示意圖
1. 鈦升華泵; 2. 濺射離子泵(330 L/s) ; 3. 真空盒;4. 真空規管(IE514) ; 5. 抽速測試罩; 6. 小孔(<15) ; 7. 微調送氣閥; 8. 隔斷閥; 9. 渦輪分子泵(550 L/s) ; 10. 前級干泵(4 L/s) 。
鈦升華泵和濺射離子泵分別接在矩形盒下部,矩形盒上部接ISO 標準測試罩。實測時先測量濺射離子泵的抽速,再測出濺射離子泵與鈦升華泵同時工作時的抽速,將兩者之差作為鈦升華泵的抽速。用此方法測出在10-9Pa 時對H2抽速為5200L/s ,與計算結果5300L/s 相差約2%。使用這種簡易的測量方法時引進了幾項不穩定因素,其中主要是: (1)濺射離子泵抽速的變化; (2)殘余氣體成分的變化; (3) 矩形盒流導的影響,但是相對于鈦升華泵的抽速以及導入氣量而言,影響是很小的。
計算了HIRFL-CSR 鈦升華泵對于不同氣體吸附系數在分子流條件下的吸附概率,分析了擋板的形狀和設置位置對吸附概率的影響,并得到了對H2抽速的計算與實驗數據相接近的結果,證明用蒙特卡洛法在計算機上模擬計算、設計鈦升華泵有關參數的可行性。
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