Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Jak charakteryzować wysokie próżnie?

Szwemin P.

Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej. Elektronika

|

2005

|

z. 153

141-145

EN

The gas pressure and the gas temperature are commonly used for characterizing the vacuum environment. These macroscopic parameters were transferred to vacuum science and technology from classical thermodynamics. The aim of the paper is to show the statistical aspects of the most important phenomena in high vacuum. I would also proposed using the gas number density instead of pressure,since this macroscopic gas parameter, which comes from statistical physics, directly influences the phenomena that occur in high vacuum.

2

Porównanie wpływu strumienia wstecznego na generowaną koncentrację gazu w systemie wzorca IMGC, wyznaczonego na drodze pomiaru i symulacji Monte-Carlo

Calcatelli A., Niwiński M., Szwemin P.

Elektronika : konstrukcje, technologie, zastosowania

|

2004

|

Vol. 45, nr 10

37-38

PL

Metoda Monte-Carlo jest często stosowana do wyznaczania parametrów stanu gazu w systemach wzorców próżni. W pracy podjęto próbę weryfikacji założeń modelu symulacyjnego przy wykorzystaniu zestawienia wyników otrzymanych na drodze symulacji i pomiaru. Wyniki różnią się od siebie na poziomie 2x10⁻³, co potwierdza tezę o poprawności przyjętego modelu rozpraszania cząsteczek gazu na powierzchni ścian układu kalibracyjnego.

EN

The parameters of the gas state are often determined by the means of Monte-Carlo simulation. The main aim of this work was to verify the assumptions of simulation model by comparison the results obtained by measurement to the results of computations. The results obtained by experimental method and by simulation are in agreement wihin the 2x10⁻³. From this fact, we can conclude that the assumption of cosine law (which describes the scattering process) is reasonable.

3

Modelowanie przepływu gazu w układach wzorców wysokich próżni

Szwemin P.

Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej. Elektronika

|

2003

|

z. 148

5--206

PL

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.).

EN

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.).

4

Rozkłady powierzchniowe strumienia gazu na ścianach komory kalibracyjnej w układach z dynamiczną ekspansją gazu

Szwemin P., Szymański K.

Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej. Elektronika

|

2002

|

z. 143

105-110

EN

The possibilities of systematic uncertainties caused by non-uniform distributions of the gas flux on the calibration chambers walls of the standards with the dynamic expansion of gases were investigated in this work. The Monte Carlo method was used to study the gas flux distribution as well as the correction factors where the calibrated gauges are located. It was found that at the half of of the chamber height the gas flux density is equal to that computed as a mean value existing inside the chamber. Unproper gauge location may cause the relative systematic deviation of the generated pressure as high as the relative orifice area, which is significant. The results are valid also for relatively large orifices openings what enables decreasing the lower limit of generated number density.

5

Charakteryzacja wzorca wysokiej próżni z dynamiczną ekspansją gazu w oparciu o model globalny

Szwemin P.

Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej. Elektronika

|

2002

|

z. 143

33-44

EN

The paper is concentrated on the gas flow modeling in high vacuum standards with the dynamic expansion of gases. The weakness of traditional model, which bases on the electrical circit`s analogy, has motivated the author to elaborate a new, global model. The macroscopic parameters as the gas number density and the gas flux density in the local volumes of the calibration chamber are evaluate on the base of the molecules behavior in microscopic scale of this model. The molecules are traced in the whole space of the high vacuum standard. Its inner surfaces are described by the mathematics equations as close as possible as well as the gas molecules interactions are also described by experimentally well confirmed scattering law. Using this model it is possible to study even the influence of mutual relations between the system elements. By this way it will be also possible to find the source of systematic differences between the particular high vacuum standards.

6

Moly Flow..er Plus : program komputerowy do badania parametrów stanu gazu w układach metrologicznych bardzo wysokiej próżni

Niewiński M., Szwemin P.

Elektronika : konstrukcje, technologie, zastosowania

|

2001

|

Vol. 42, nr 8-9

91-93

EN

The dynamic expansion of gas is widely used method in the pressure (or the gas number density) standards. The accuracy of the standard depends, among the others, upon the accuracy of calculating the conductance and demands the ununiformities of the gas number density and of the gas flux distributions inside the calibration chamber. Usually during calculation of conductance one assumes the uniform distribution of the molecules at the entrance plane to the orifice system as well as cosine distribution of molecule direction vs. normal to this plane. Many works shows that it is not truth. Moly Flow..er Plus is the software, been development specially for research the parameters of gas flow in metrological systems. It uses Monte-Carlo method for calculating: gas flux distribution and angular distribution inside the calibration chamber and also the time of flight method for conductance of orifice. In this way the chamber shape influence on conductance can be found. Moly Flow..er Plus is full 32-bit program working under Windows 95/98 NT operating system with graphical user interface. In Monte-Carlo simulation, the quality of RNG highly influenced the results of simulation especially if high precision of this process is needed, so there is the possibility to choose Random Number Generator from 5 high quality generators implemented in the program. Program was used in many control application tests connected with comparison the simulation results with the values of Clausing factors for spherical cylindrical and conical elements. All the simulation results were well below 2s interval.

7

Przewodność diafragmy wzorcowej - porównanie obliczeń analitycznych i symulacyjnych

Niewiński M., Szwemin P.

Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej. Elektronika

|

1999

|

z. 123

87-92

EN

Different methods of calculating the orifice conductance's correction factor, an important factor for the determining the pressure in dynamic calibration system, have been compared in this paper. This value has been calculated for conductance system recently applied in Instituto di Metrologia Gustavo Colonetti (Italy). Comparison of analytical methods with Monte-Carlo simulations shows that the last method could be successfully use for metrological purposes with uncertainties of the order of 10-5.

8

Program komputerowy Moly Flow..ER dla Windows

Niewiński M., Szwemin P.

Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej. Elektronika

|

1999

|

z. 123

140-146

EN

The new computer program for calculation conductance of composite vacuum system is presented. The uncertainty of the results can be below l O-5. It has been obtained using a random number generator with better properties for longer Monte Carlo simulations. The principles of program have been presented with comparison of the results obtained for two different random number generators. The values of Clausing factors for elementary shapes are also presented for comparison.

9

Obliczeniowe problemy metrologii próżniowej - granice dokładności wyznaczania przewodności

Szwemin P.

Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej. Elektronika

|

1999

|

z. 123

26-38

EN

The weakness of analytical methods of conductance calculations from the point of view of precision needed for metrological purposes is shown at the beginning of the paper. To eliminate the simplifications of analytical models Monte Carlo (MC) method is proposed to solve the problem of correction factors calculation with very smali uncertainties. The important details of computer program are given in the paper as a necessary condition to obtain the high precision computation. The results of MC simulation with reference to the calculations based on the analytical models were also described.

10

Gas flux distribution in a new PTB primary standard for very low pressures

Szwemin P., Szymański K., Jousten K.

Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej. Elektronika

|

1999

|

z. 123

135-139

EN

The Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), Germany, has recently constructed a new primary standard of Iow pressures based on the continuous expansion method. The paper is concerned with the properties of the gas flow in one of the calibration chambers of this standard. To describe these properties it is essential to know, with the smallest possible uncertainty the local gas densities at points where the tested gauges are installed. The problem was handled by the Monte Carlo method. The gas flux density on the chamber walls and the correction factors for each gauge port were determined (the highest value of the factor was (-32.9š0.6)x10-4 (3 q)).

11

Współczesne problemy metrologii próżniowej

Hałas A., Szwemin P.

Elektronika : konstrukcje, technologie, zastosowania

|

1998

|

Vol. 39, nr 1

13-17

PL

W artykule opisano istotne problemy wynikające z analizy równania opisującego przepływ gazu w układzie wzorca bardzo niskich ciśnień. Dotyczą one m.in. wyznaczania natężenia przepływu, obliczania przewodności otworu kalibracyjnego, granic pomiarowych układu wynikających z desorpcji gazu ze ścian aparatury i skalowanych głowic.

EN

The gas flow equation describing the calibration system of the dynamic reduction of the pressure is discussed in the paper. The sources of possible uncertainties are the main topics of the paper. They are related to: gas density distribution (influenced by shape and dimensions of the measuring chamber), the possible errors of orifice conductance calculation and influences of the gas desorption (from the gauges and from chamber walls) on the lowest calibration pressure limit.