Wyniki wyszukiwania - BazTech

Ograniczanie wyników

Znaleziono wyników: 1

Liczba wyników na stronie

Wyniki wyszukiwania

Wyszukiwano:
w słowach kluczowych: molecular gas flow

Sortuj według:

Ogranicz wyniki do:

Modelowanie przepływu gazu w układach wzorców wysokich próżni

Szwemin P.

Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej. Elektronika

2003

z. 148

5--206

Zasada działania wzorców wysokich próżni oparta jest na dynamicznej ekspansji gazu z komory kalibracyjnej wzorca do jego komory pomocniczej z pompą. Pracę poświęcono zagadnieniom modelowania przepływu gazu w warunkach molekularnych w układach takich wzorców, w celu znajdowania rozkładów koncentracji i gęstości strumienia gazu, z dokładnością niezbędną w metrologii. Do rozwiązania tego zagadnienia posłużono się metodą Monte Carlo, gdyż z uwagi na złożoność struktury geometrycznej wzorca, znalezienie rozwiązań równania Boltzmanna w postaci analitycznej nie było możliwe. W pierwszej części pracy omówiono kwestię wyboru odpowiedniego modelu oddziaływania cząsteczek gazu z powierzchnią komory. Zarówno charakter (utlenionych i pokrytych zaadsorbowanym gazem) powierzchni tych układów jak i stan gazu w warunkach przepływu (zbliżony do stanu równowagi statystycznej) pozwalają przyjąć założenie kosinusowego prawa rozpraszania cząsteczek gazu na powierzchniach komór wzorca, jako warunku brzegowego - właściwego dla rozpatrywanych w pracy zagadnień przepływu. Zwrócenie uwagi na szczegóły procesu symulacji pozwoliło na zwiększenie precyzji obliczeń i osiągnięcie bardzo malej ich względnej niepewności (nawet poniżej 10-9). Wyniki prac autora oparte na obliczeniach symulacyjnych wykazują taką zbieżność do wyników obliczeń opartych na znanych rozwiązaniach analitycznych (dla przewodów próżniowych o elementarnych kształtach). W dalszej części pracy dokonano analizy właściwości powszechnie stosowanego modelu przeplywu gazu przez układ wzorca, modelu opartego na analogii do przepływu prądu w układzie elektrycznym o stałych skupionych. Jednakże komór wzorca nie można traktować jako elementów analogicznych do węzłów sieci, gdyż stwierdzono, że rozkłady koncentracji i strumienia gazu nie są w ich obrębie jednorodne. Wykazano, że niedostatki modelu tradycyjnego są na tyle duże, iż nie jest możliwe z jego pomocą znajdowanie przyczyn systematycznych różnic między koncentracjami generowanymi przez poszczególne wzorce. Skłoniło to autora do stworzenia kilku modeli opartych na wyznaczaniu średnich parametrów torów cząsteczek gazu w układzie wzorca, a następnie na wyznaczaniu parametrów makroskopowych charakteryzujących wzorzec. Posługując się tymi modelami analizowano wpływ kształtu i rozmiarów komory kalibracyjnej na parametry wzorca. Badano rozkłady gęstości strumienia gazu na ścianach takiej komory. Poszukiwano optymalnego położenia wzorcowanej głowicy bądź wyznaczano odpowiednie współczynniki korekcyjne dla określonego położenia takiej głowicy w istniejącym już układzie. We wszystkich tych przypadkach stwierdzono systematyczne odchylenia analizowanego parametru wzorca (np. generowanej koncentracji gazu) od obliczeń opartych na modelu tradycyjnym. Wykazano, że różnice te zawierają się od 2.10-4 do 6.10-4, są one istotne i powinny być uwzględniane w bilansie niepewności, gdyż ich suma zbliża się do 10-3 - jest zatem porównywalna z szacowaną dotychczas niepewnością złożoną wzorców. Uogólnieniem opisanych w pracy modeli jest model globalny wzorca. Zamyka on dotychczasowy dorobek autora w omawianej tematyce. Wiąże on lokalną koncentrację gazu w objętości wzorcowanej głowicy próżniomierza z mierzonym strumieniem gazu dopływającego do komory kalibracyjnej. Współczynnik proporcjonalności w wyprowadzonym wzorze, przez wyznaczane w procesie symulacyjnym średnie parametry torów cząsteczek (średni czas przelotu lub średnią drogę w objętości wzorcowanej głowicy), odzwierciedla wpływ wszystkich elementów próżniowych wzorca i ich rozmiarów geometrycznych. Te średnie parametry mikroskopowe są zależne od całej struktury geometrycznej wzorca. Opierając się na tym ostatnim modelu można wyprowadzić globalny współczynnik korekcyjny wzorca wysokiej próżni. Pozwala on znacząco zmniejszyć złożoną niepewność wyznaczania generowanej wielkości, a także wziąć pod uwagę zjawiska dotychczas nie uwzględniane (zderzenia międzycząsteczkowe, rozkłady temperatury itp.).

High vacuum standards operate on the principle of continous (dynamic) expansion of gas from the calibration chamber of the standard into its pumping chamber. The study is concerned with modeling the molecular gas flow in these standards with the aim to determine the distributions of the number density and the gas flux density at the accuracy suitable for metrological purposes. The problem was handled using the Monte Carlo method, since the complexity of the standard geometry made it possible to solve analytically the Boltzmann equation. The first part of the study discusses the problems associated with the selection of the appropriate model that would describe the interaction between the gas molecules and the surfaces of the chambers. Taking into account both the character of the surfaces (oxidized and covered with absorbed gas) of the chamber and the state of the gas under the given flow conditions (close to the statistic equilibrium state), the boundary condition was taken to be the cosine law that governs the gas molecule scattering on the surfaces of the standard chambers. The detailed analysis of the simulation process performed in the study permitted increasing the caIculation accuracy and achieving a very smali relative uncertainty of the caIculation results (even below 10-9). The simulation results obtained by the present author are convergent with the results of analytical caIculations (obtained for vacuum connections of elementary shapes). The next part of the study is concerned with an analysis of the commonly used model of the gas flow through the standard system, a model which is based on an analogy to the flow of electric current through electric circuits. As however shown in the study, the chambers of the standard cannot be considered to be analogous to the circuit nodes, since the distributions of the number density and the gas flow appear to be inhomogeneous within them. It has been shown that the drawbacks of the traditional model are so severe that it is unsuitable for analyzing the reasons of the systematic differences in the number densities generated by the individual standards. This has inspired the author to construct a series of models in which first the mean parameters of the gas molecule paths within the standard system are determined, and then the macroscopic parameters of this standard are found. These models were used for analyzing how the shape and the dimensions of the calibration chamber affected the parameters of the standard. The distributions of the gas flow densities on the walls of this chamber were examined. The optimum position of the gauge to be calibrated was sought, or the appropriate correction factors for the position of the gauge in an existing system were determined. In all the cases examined, the analyzed parameter of the standard (e.g., the generated gas number density) appeared to show systematic deviations from the results obtained with the traditional model. These deviations range from 2.10-4 to 6.10-4 and, thus, they are significant enough to be taken into account in the uncertainty budget: their sum approaches 10-3 which is comparable with the complex uncertainty of the standards as estimated thus far. A generalization of the models described in the present study is a global model of the high-vacuum standard, which is the completion of the research work the author has done in this field. lt relates the local number density of the gas within the calibrated gauge of a vacuum meter with the measured value of the gas flux that inflows into the calibration chamber. Through the mean parameters of the molecule paths (the mean time of flight or the mean path within the volume of the calibrated gauge) determined by the simulation, the proportionality factor that occurs in the formula derived in the study includes the effects of all the vacuum components of the standard and of their geometrical dimensions. The values of these microscopic mean parameters depend on the whole geometrical structure of the standard. Based on this global model, we can derive the global correction factor for a high vacuum standard, which permits reducing the combined uncertainty in the determination of the generated quantity, and also taking into account the phenomena that have not been considered thus far (such as intermolecular collisions, temperature distributions etc.).