超高真空系统的压力模拟

作者形象
通过 维拉Erends
客人
2021年8月19日

今天,客座博主Vera Erends加入我们,讨论使用模拟来理解超高真空系统的运行与天文应用……

提出的爱因斯坦望远镜(ET)将是第三代引力波天文台。它将建立在现有激光干涉探测器的成功基础上。在过去的5年里,已经有了关于合并黑洞(BHs)和中子星的突破性发现。这些发现将科学家带入了引力波天文学的新时代。外星人将在地下隧道中建造,隧道呈三角形,臂长10公里。

2024年左右,将决定在哪里建造爱因斯坦望远镜。荷兰马斯特里赫特附近的边境地区和撒丁岛的一个地区都被提议作为一个可能的地点。

一个比利时-德国-荷兰财团已经开始在马斯特里赫特附近建造一个规模较小的研究设施,名为ETpathfinder。它将安装一个路径长度为20米的引力波探测器。测量设备将与ET中类似。

该设施旨在成为以下领域的国际研究中心:

  • 引力天文学
  • 高精度的测量技术
  • 地震隔离
  • 测控软件
  • 低温学
  • 量子光学

ETpathfinder的设计是由阿姆斯特丹的荷兰国家亚原子物理研究所(Nikhef)与马斯特里赫特大学合作完成的。为了实现第三代引力波探测器,如用于爱因斯坦望远镜的低温镜干涉仪,几个原理将被测试和发展。

什么是ETpathfinder?

下图显示了ETpathfinder的示意图。它由两条20米长的轨迹组成,其中包含了作为振动腔的真空管。光线会在两面镜子之间反射。这些镜子位于所谓的塔中,在真空中工作,彼此之间的距离为10米。

在一个典型的引力波探测器中,轨迹上的两个振动腔彼此呈90度角,就像法布里-佩罗-迈克尔逊干涉仪(FPMI)一样。在ETpathfinder的第一阶段研究中,轨迹包含FPMI。然后,利用小型光学元件,在每只手臂上放置两个振动腔。这样,这两种轨迹可以用于两种不同的激光波长和工作温度(15 K和120 K)下的研究。

一个典型的引力波探测器的示意图,两个振动腔用红色和蓝色表示。

镜像塔中的超高真空系统

低温和真空技术是本次ETpathfinder模拟研究的主要重点,特别是镜塔中的光学镜子和低温屏蔽,如下图所示。在超高工作真空10-999%的粒子都是水分子。这些水分子倾向于结合到表面并形成层(单层和多层)。如果在冷却到10k的镜子表面形成这样一层,水分子就会冻结,结果激光束就会折射。光子将被反射镜吸收而不是反射,导致反射镜局部升温和热变形,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。当恢复操作时,需要排出气体。为了加速,温度会升高。由于所有的电子设备和敏感材料在高温下都会膨胀,所以塔的温度不能超过338 K。

ETpathfinder的两个镜像塔之一的3D效果图,带有真空容器、低温防护罩、有效载荷和标记的镜子。

冷却策略

不可避免的是,一旦达到真空,一些水分子仍会留在真空室中。如果低温防护罩和反射镜同时冷却,这些分子很有可能会与反射镜表面结合并在那里停留很长时间(几个世纪)。为了防止这种情况发生,人们设计了一种冷却策略。

下图显示了带有低温屏蔽和镜子的镜塔底部的横截面。冷却策略如下:首先冷却护盾(绿色),然后是氦冷却护盾(蓝色)。假设镜面上存在较低的压力;因此,水分子会迁移到较冷的、被氮冷却的表面。

ETpathfinder中镜塔底部的横截面图,带有屏蔽层、镜子和其他组件的标记和着色。

超高真空模拟的验证与验证

到目前为止,只有通过射线追踪代码进行的计算,由Nikhef的雇员、物理学家H.J. Bulten编写。尽管模拟的结果非常有希望,射线追踪代码还没有与其他软件包进行比较。一项研究的目的是寻找一种可靠的计算方法的超高真空系统的压力的ETpathfinder。

在进行实际ETpathfinder的计算之前,COMSOL Multiphysics®软件在超高真空环境下进行了测量。这在Nikhef已经有了,这是研究的第一部分。

下一步是调查ETpathfinder在气体排出过程中需要加热多长时间才能达到10-9Mbar真空后,系统已打开维护或研究。

作为最后一步,研究了冷却策略对镜面单分子水分子层覆盖率的影响(在它冷却到10 K后)。

步骤1

理论模型验证

为了验证射线追踪代码,我们使用超高真空装置进行了测量,见下图。测量结果与射线追踪程序和使用分子流模块,附加物COMSOL多重物理量

超高真空装置的设计是为了研究不同材料的放气。它可以加热到423 K。它由两个室组成:

  1. 下腔室,有一扇门来装载试验样品,并由o形密封圈密封
  2. 上腔室,其中包含四极质谱计(RGA)和稳定离子计

并排的图片显示了超高真空系统的照片在左边和相同系统的示意图在右边。

预计约1.2·10-14年Mol /s的水分子将进入上腔。这一估计数是根据:

  • 装载门处Viton o形环的表面积和渗透常数
  • 事实上,在两个腔室之间有一个手动操作的阀门
  • 上腔的压力比另一个腔的低

在装置投入运行之前,先进行充气,然后进行22小时的真空泵时间。之后,系统从299 K加热到344 K。后者是通过在真空室外部和绝缘保护罩之间循环暖空气来完成的。

温度被记录下来,如下图所示。该图还包括插入到射线追踪代码和COMSOL Multiphysics中的温度历史。

对比记录的真空室温度(红线)、射线追踪软件(绿线)和COMSOL Multiphysics(蓝线)的线图。

真空装置的理论背景和参数

分子流动是流动计算的一种特殊形式。粒子在超高真空中的自由路径长度远远大于真空容器本身的尺寸(克努森数> 10)。压力计算为粒子与壁面的碰撞,而不是粒子之间的碰撞。因此,室内空间和容器结构的建模并不重要:它只需要考虑墙壁的内部几何形状就足够了。下图描述了超高真空的设置,在右边,网格用于计算。

在COMSOL Multiphysics模型中,左图显示模型几何形状,右图显示网格。

粒子与表面碰撞被吸附而不是反射的概率(粘附因子)取决于在特定时间步长的单分子层的覆盖范围。粘着系数是一个介于0到1之间的数字(1表示与表面粘着的100%概率),计算公式如下:

s = \ textrm {sc} * \大(1 - \压裂{n_ {\ textrm{吸附}}}{n_ {\ textrm{网站}}}\大)

根据文献和专业知识,粘性系数(sc)被设置为0.2。n吸附(摩尔/米2)为吸附颗粒在表面的数量密度,由COMSOL Multiphysics计算每个时间步长。n网站(摩尔/米2)为表面单分子层的最大分子数,设为6.0·10-5摩尔/ m2

在模型中,假设吸附的水分子不会在表面解离,则分子从表面的解吸速率Γ (mol/m2/s)取决于停留时间(τ)和吸附分子的密度:

\ Gamma_ {\ textrm{解吸}}= \压裂{n_ {\ textrm{吸附}}}{\τ}

在等温过程中,τ是一个常数。然而,在这种情况下,温度会上升,有必要计算τ /时间步长

f \τ= \压裂{1}{}\ exp \离开(\压裂{E_ \ textrm {b}} {RT} \右)

在这里,f粒子的固有振荡频率是否束缚在金属上(1.0·1013赫兹),通用气体常数R(8.314 J/(mol K)),温度T(K)和结合能Eb(J /摩尔)。结合能取决于材料的表面粗糙度。计算范围从0.9 eV (86.840 kJ/mol)到1.10 eV (106.130 kJ/mol),间隔为0.05。

结果

测量和仿真结果如下图所示。COMSOL Multiphysics模拟和射线追踪代码预测的加热周期结束时的压力比用stabilion计测量的压力要低。

用离子计(红线)、射线追踪软件(绿线)和COMSOL Multiphysics(蓝线)进行真空室压力比较的折线图。

在不同时间和不同温度下的重复测量得到了相似的结果。结论是,超高真空装置中的压力下降速度比文献中发现的标准脱气曲线似乎预测得要慢。原因可能是真空室实际上有更大的表面积。例如,测量仪器、阀门和涡轮分子泵上的叶片可能有重大贡献。此外,o形环的渗透是不确定的,整体加热可能不是均匀的。因此,壁面某些地方的放气量可能比理论模型预测的要低。

文献中提到了结合能在0.83 eV ~ 0.95 eV的范围。然而,将模拟结果与真空装置的测量数据进行比较,可以清楚地看到,当使用更高的束缚能时,模拟结果更符合。这表明,在实际中,放气量比理论预测的要低。

步骤2

ETpathfinder的几何和参数

对于ETpathfinder的实际模拟,必须简化其几何形状——就像超高真空设置的情况一样。下图显示了这些意义深远的简化。实际上,所有三个屏蔽层都由两层板组成,其中的孔彼此并不同心圆。在模型中,这是三个单护盾,其中的孔被槽取代。这些槽位于底部的内屏蔽层和顶部的第二屏蔽层中。

ETpathfinder模型几何形状的并排图像,左边显示完整,右边显示简化。

下图显示了一个完整的镜像塔的CAD模型,在左边,和一个简化的模型在右边,几何形状已经被倒置来反映内部的体积。

镜像塔模型几何形状的并排图像,左边显示完整,右边显示简化。

关于ETpathfinder的一些额外信息:它包含13个涡轮分子泵(3200 l/s)和前置泵。预计面积为87.6米2,则渗透为1.5·10-11年摩尔/ m2通过双差压泵的o形环,这些o形环之间的压力为1mbar。

发射(加热)ETpathfinder

当镜塔打开后,压力为10-9必须达到Mbar。进行了7次不同发射时间的模拟,以确定ETpathfinder的镜塔应该加热多长时间。结果如下图所示。

在不同的发射时间下,ETpathfinder镜塔的压力曲线图。

尽管压力已经远远低于10-9Mbar的设计目标是,在25小时的燃烧后,单层膜的很大一部分没有气体排出。这需要长达168个小时或整整一周的时间。根据这些调查结果,建议解雇时间至少为一周。

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. 烧成后直接冷却(下图左)
  2. 内屏蔽层和镜面在338 K的温度下保持较长时间,而第二个屏蔽层冷却到80 K(下图右)

直接冷却在镜面上留下3.333%的单分子层,而冷却策略留下0.068%(因子38)。覆盖第二个防护层也进行了研究,但效果不如预期。

对比直接冷却和镜塔上更多样化的冷却策略的并排图表。

结论

模拟有助于获得对冷却策略的信心。然而,模拟当然是有假设的,重要的是要对结果进行批判。达到10的压力-9Mbar是一个真正的挑战,因为以下因素:

  1. 均匀加热和冷却
  2. 渗透的o型环
  3. 表面粗糙度
  4. 微污染

模拟给出了一个很好的洞察预期泵送曲线的特定情况,但理论模型是一个乐观的现实表示。

作为他的结论在一篇论文中描述卡尔Jousten热脱气:“本文的末尾,应该注意的是,材料的出气都在理论和实验中是一个非常生动的主题,讨论,和非常复杂的,而且还有很多东西要学习。”

超高真空工程是一个高度专业化的领域,在微观层面上存在许多未知因素。部分由于这些未知因素,创造一个真实的模拟是一个主要的挑战。像COMSOL Multiphysics这样的软件包因其提供的能力和计算能力而令人印象深刻。

特别感谢Nikhef的员工在我实习期间为我提供了测试设备,并分享了他们在真空技术方面的专业知识。也感谢neac给我机会发表我的研究和他们所做的贡献。最后,感谢COMSOL能够在一篇客座博客文章中展示我的工作。

关于作者

Vera Erends是荷兰乌得勒支应用科学大学机械工程专业的学生。她第一次接触真空技术和分子流动模拟是在阿姆斯特丹的Nikhef实习期间。与Nikhef的员工密切合作,如物理学家H.J. Bulten博士和真空专家B. Munneke,成功地研究了ETpathfinder的自由分子流动,并发表了她的第一篇论文。

参考文献

  1. Het ontwerp van de grootste vacuüminstallatie op aarde: de Einstein Telescope, neac blad 56-1−maart 2018。
  2. ET探路者团队,ETpathfinder设计报告。荷兰阿姆斯特丹科学园(2020年)。www.etpathfinder.eu wp-content /上传/ 2020/03 / ETpathfinder-Design-Report.pdf
  3. M. Ortino,“技术材料的粘着系数”,硕士论文,米兰理工大学,CERN,日内瓦,瑞士,2020。www.politesi.polimi.it比特流/ 10589/131905/1 Mattia % 20 ortino % 20 % 20 thesis.pdf大师
  4. COMSOL多重物理量,分子流模块用户指南,版本。5.4, 2018。doc.comsol.com/5.4/doc/com.comsol.help.molec/MolecularFlowModuleUsersGuide.pdf
  5. K. Jousten,《热逸出》。欧洲核子研究中心加速器学校学报”,Snekersten,丹麦,欧洲核子研究中心报告,S. Turner编辑,111-125页,1999。cds.cern.ch /记录/ 455558 /文件/打开- 2000 - 274. - pdf

评论(2)

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Chandraprakash C
Chandraprakash
2021年8月24日

感谢分享这篇深刻的文章。请问分子流模块是否也能解释温度的变化?

问候,

Chandraprakash

丹尼尔•史密斯
丹尼尔•史密斯
2021年9月23日

非常棒的作品,谢谢分享!有一件事可以解释stabilion压力表和COMSOL模型结果的不同(步骤1部分的第二张图),那就是离子压力表并没有真正直接测量压力,它测量的是n*k*T,其中n是数字密度。p=n*k*T的关系并不总是保持在非常低的压力,或如果有小的观察因素之间的排气源和探测器位置。你可以尝试的一件事是添加一个“数字密度重建”功能,并从COMSOL模型和离子测量计绘制n*k*T的结果。在用户指南第2章的“旋转板”应用程序库示例和“数字密度/压力的实验测量”部分可以找到一些相关的背景知识。

这也可能是实验测量的一个实际问题。氢气很难泵送,所以即使最初的气体非常干净,离子计灯丝中也可能有氢气甚至一氧化碳,对测量的压力有贡献。气压低于1E-8[mbar]的气体RGA谱可以证实这一点,但校准可能是个问题。如果只使用水的实验分压可能会得到更好的结果。

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