模拟超高真空系统中的压力

今天，客座博客作者Vera架设加入我们，讨论使用仿真来了解具有天文应用的超高真空系统的操作…

拟议的爱因斯坦望远镜（ET）将是重力波的第三代观测值。它将基于现有激光干涉探测器的成功。在过去的5年中，有合并黑洞（BHS）和中子星的突破性发现。这些发现使科学家进入了引力波天文学的新时代。ET将在地下隧道中构造，以三角形的形状排列为10公里。

大约在2024年，将决定在哪里建造爱因斯坦望远镜。马斯特里赫特，荷兰和撒丁岛的边界地区都已提议在可能的地点。

预期ET，比利时 - 德国联盟已经开始在Maastricht附近的较小规模上建立一个名为Etpathfinder的研究设施。它将容纳一个重力波检测器，路径长度为二十米。测量设备将与ET中的设备相似。

该设施旨在成为国际研究中心：

• 引力天文学
• 高精度测量技术
• 地震隔离
• 测量和控制软件
• 低温学
• 量子光学元件

Etpathfinder的设计是由阿姆斯特丹的荷兰国家亚原理研究所（Nikhef）与马斯特里赫特大学合作进行的。将测试和开发几种原理，以便可以实现第三代重力波探测器，例如爱因斯坦望远镜的低温镜子的干涉仪。

什么是etpathfinder？

下图显示了EtPathfinder的示意图。它由两个轨迹组成，长度为20米，其中包含作为振动腔的真空管。光将在两个镜子之间反弹。这些镜子位于所谓的塔中，在真空中运行，相对于彼此，将其设置为10米。

在典型的重力波检测器中，轨迹中的两个振动腔相互相对于彼此的角度九十度角，例如在Fabry-Perot-Michelson干涉仪（FPMI）中。在ETPathfinder调查的第一阶段，轨迹包含FPMI。然后，使用小的光学组件，每个手臂都没有一个但两个振动腔。这样，这两个轨迹可用于在两个不同的激光波长和工作温度（15 K和120 K）的研究。

镜子塔中的超高真空系统

如下图所示，低温和真空技术是使用仿真，特别是镜子塔中的光学镜和低温盾牌，这是这项研究的主要重点，如下图所示。在超高操作真空中10^-9MBAR，所有存在的颗粒中有99％是水分子。这些水分子具有与表面并形成层（单层和多层）结合的趋势。如果在冷却至10 K的镜子表面上形成了这样的层，则水分子将冻结，因此，将折射激光束。光子将被镜子吸收而不是反射，从而导致镜子在局部加热并热变形，从而对干涉仪的质量产生不利影响。

镜子塔每年需要开放几次以进行维护和研究。恢复操作时，需要驱逐气体。为了加快这一点，温度将升高。由于在高温下扩展的所有电子和敏感材料，该塔可能不会提交到338 K以上的温度下。

冷却策略

不可避免的是，一旦到达真空，一些水分子仍将保留在真空室中。如果低温盾牌和镜子同时冷却，则这些分子会结合到镜面并在那里呆了很长时间（几个世纪）的可能性很高。为了防止这种情况的发生，已经设计了一种冷却策略。

下图显示了带有低温盾牌和镜子的镜塔底部的横截面。冷却策略如下：首先，将冷却（绿色）的盾牌，其次是氦气冷盾（蓝色）。假设是在镜面上存在较低的压力。因此，水分子将迁移到冷却较冷的氮冷表面。

验证和验证超高真空模拟

到目前为止，只有通过Nikhef员工和物理学家H.J. Bulten撰写的射线追踪代码的计算。尽管模拟的结果非常有前途，但尚未将射线跟踪代码与其他软件包进行比较。一项研究开始了，目的是在Etpathfinder的超高真空系统中找到一种可靠的计算方法。

在对实际ETPathfinder进行计算之前，使用超高真空设置上的测量值验证了ComsolMultiphysics®软件。188金宝搏优惠这已经在Nikhef提供，并构成了研究的第一部分。

下一步是研究在疏散气体时需要加热的ETPathfinder多长时间才能达到10^-9系统打开后的MBAR真空进行维护或研究。

作为最后一步，研究了冷却策略对镜面上水分子单层覆盖率的影响（在冷却至10 K之后）。

步骤1

验证理论模型

为了验证使用超高真空设置进行射线跟踪代码测量值，请参见下图。将测量结果与射线跟踪代码和使用分子流块模块，一个附加188金宝搏优惠comsol多物理学。

Ultrahigh真空设置旨在调查不同材料的量表。它可以加热到423K。它由两个腔室组成：

1. 下腔室有一扇门，可以装载测试样品并被O形圈密封
2. 上腔室，其中包含四极质谱仪（RGA）和稳定量表

预计大约1.2·10^-14水分子的摩尔/s将进入上腔室。该估计基于：

• 载荷门处的Viton O形圈的表面积和渗透常数
• 房间之间有一个手动操作阀的事实
• 上腔的压力低于其他腔室的压力

在设置进行运行之前，将其充气，然后进行22小时的真空泵时间。之后，将系统从299 K加热到344K。后者是通过在真空室的外部和绝缘防护盖之间循环温暖的空气来完成的。

记录温度，并显示在下图中。该图还包括插入射线跟踪代码和COMSOL多物理学的温度历史记录。188金宝搏优惠

真空设置的理论背景和参数

分子流是流量计算的一种特殊形式。超高真空中颗粒的自由路径长度比真空容器本身的尺寸大得多（Knudsen的数字> 10）。压力计算为对墙壁的碰撞，而不是粒子本身之间的碰撞。结果，对内部空间和容器的结构进行建模并不重要：仅考虑壁的内部几何形状就足够了。下图描述了超高真空设置，在右侧是计算的网格。

与表面碰撞的粒子被吸附而不是反射（粘性因子）的概率取决于在特定的时间步长期间单层的覆盖范围。粘性因子是0到1之间的数字（其中1是与表面结合的100％概率），并使用公式：计算：

基于文献和专业知识，粘性系数（SC）设置为0.2。n_吸附（mol/m²）是表面上吸附粒子的数量密度，并且在每个时间步骤中由Comsol多物理学计算。188金宝搏优惠n_站点（mol/m²）是表面单层中最大分子数，设置为6.0·10^-5mol/m²。

在模型中，假设吸附的水分子不会在表面上解离，因此从表面γ（mol/m²/s）取决于停留时间（τ）和吸附分子的密度：

在等温过程中，τ是一个恒定值。但是，在这种情况下，温度将升高，有必要计算每个时间步长的τ

这里，F是在金属上结合的粒子的自然振荡频率（1.0·10¹³Hz），通用气体常数r（8.314 j/（mol k）），温度t（k）和结合能e_b（J/mol）。结合能取决于材料的表面粗糙度。选择从0.9 eV（86.840 kJ/mol）到1.10 eV（106.130 kJ/mol）的值范围范围为0.05，以进行计算。

结果

测量和仿真结果如下图所示。comsol多物理188金宝搏优惠模拟和射线追踪代码在加热周期结束时的压力都比稳定量表的测量值较低。

在不同的时间持续时间和不同温度下的重复测量得出的结果相似。结论是，超高真空设置中的压力比文献中发现的标准脱气曲线降低了。原因可能是真空室实际上具有较大的表面积。例如，涡轮分子泵上的测量仪器，阀门和叶片可能具有重大贡献。同样，O形圈的渗透是不确定的，并且整体加热可能不均匀。结果，在某些地方，墙的量表可能低于理论模型的预测。

在文献中，提到了从0.83 eV到0.95 eV的结合能范围。但是，将模拟结果与真空设置的测量数据进行比较，很明显，当使用较高的结合能时，与模拟有更多的一致性。这表明，实际上，有比理论上预测的要低。

第2步

etPathfinder的几何和参数

为了对EtPathfinder进行实际模拟，必须简化其几何形状 - 就像在超高真空设置的情况下一样。下图显示了进行了哪些深远的简化。实际上，所有三个盾牌都由双板组成，其中孔相对于彼此没有同心。在模型中，这是三个单个盾牌，其中孔被插槽代替。这些插槽位于底部和顶部的第二个盾牌中的内盾牌中。

下图显示了左侧的完整镜塔的CAD模型，以及右侧的简化模型倒置以反映内部体积。

有关EtPathfinder的一些其他信息：它包含13个涡轮分子泵（3200 l/s）和预泵。预计对于87.6 m的面积²，将渗透1.5·10^-11mol/m²通过双差分泵送的O形圈，在1 MBAR的这些O形圈之间有压力。

EtPathfinder的射击（加热）

打开镜子塔后，压力为10^-9必须实现MBAR。进行了七个具有不同射击时间的模拟，以确定应加热Etpathfinder的镜像塔的时间。结果如下图所示。

尽管达到了低于10的压力^-9MBAR设计目标经过25个小时的射击，单层的很大一部分并没有燃烧。这花费了多达168小时或整整一周的射击。基于这些结果，建议是允许射击至少一周。

步骤3

测试当前的冷却策略

为了分析冷却策略的效果，模拟了两种情况：

1. 射击后直接冷却（在下图中留下）
2. 内部盾牌和镜面表面在338 K处保持更长的时间，而第二屏会冷却至80 K（在下图中）

直接冷却在镜面上的单层占3.333％，冷却策略留下0.068％（因子为38）。还研究了覆盖第二个盾牌，但其作用比预期的要小。

结论

模拟有助于对冷却策略充满信心。但是，当然是为模拟做出的假设，重要的是要批评结果。达到10的压力^-9MBAR是一个真正的挑战，因为诸如：

1. 均匀的加热和冷却
2. O形圈渗透
3. 表面粗糙度
4. 微观污染

模拟很好地了解了特定情况的预期抽水曲线，但是理论模型是现实的乐观代表。

正如卡尔·乔斯滕（Karl Jousten）在一篇关于热脱气的论文中所描述的那样：“在这篇综述的结尾，应该指出的是，理论和实验中的材料量超过材料是一个非常生动的主题，经过了沉重的讨论，并且非常复杂，并且非常复杂，并且是一个非常复杂的主题关于它仍然有很多要学习的知识。”

Ultrahigh真空工程是一个高度专业化的领域，在微观水平上有许多未知的方面。部分原因是由于这些未知数，创建现实的模拟是一个主要挑战。诸如Comsol多物理等软件包对它们提供的功能和计算188金宝搏优惠能力都令人印象深刻。

特别感谢Nikhef的员工为我提供了测试设置，并在实习期间分享了他们在真空技术方面的专业知识。还向内瓦克（Nevac）提供了机会发布我的研究及其所做的贡献。最后，致comsol能188金宝搏优惠够在客座博客文章中展示我的作品。

关于作者

Vera Erends是位于荷兰的应用科学大学的机械工程专业学生。她在阿姆斯特丹Nikhef实习期间首次被引入真空技术和分子流量模拟。与Nikhef员工紧密合作，例如物理学家H.J. Bulten博士和真空专家B. Munneke，成功地研究了Etpathfinder的自由分子流和她的第一个出版物。

参考

1. Het Ontwerp van de Grootstevacuüminstallatieop aarde：de Einstein望远镜，NEVAC BLAD 56-1 - MAART 2018。
2. ET Pathfinder Team，EtPathfinder Design报告。荷兰阿姆斯特丹科学园（2020）。www.etpathfinder.eu/wp-content/uploads/2020/03/etpathfinder-design-report.pdf
3. M. Ortino，“技术材料的粘附系数”，硕士硕士学位，米拉诺，塞纳瓦，瑞士日内瓦，瑞士，2020年。www.politesi.polimi.it/bitstream/10589/131905/1/mattia%20ortino%20master%20thesis.pdf
4. 188金宝搏优惠comsol多物理，分子流量模块用户指南，ver。5.4，2018。doc.188金宝搏优惠comsol.com/5.4/doc/com.comsol.help.molec/molecularflowmoduleusersguide.pdf
5. K. Jousten，“热吹气。Cern Accelerator学校的会议记录”，丹麦Snekersten，Cern Report，S。Turner编辑，第111-125页，1999年。cds.cern.ch/record/455558/files/open-2000-274.pdf