什么是分子流？

真空自然与深空的敌对环境相关。在地球上的人造环境中实现这样的环境是一项非常具有挑战性的任务，事实证明，甚至无法接近星际真空的低压。正是在这些低压下，分子流动发生。

许多高科技应用都需要真空技术

我们在哪里可以找到需要地​​球上真空的应用？首先，没有真空流程，计算机芯片的制造将是不可能的。事实证明，实际上有很多高科技应用程序真空技术至关重要或有益。其中包括质谱仪，用于掺杂半导体的分子束设备，用于薄光学涂层的化学蒸气沉积，电子显微镜，粒子加速器和卫星。当然，还有更多的“日常真空”应用，例如热水瓶的绝缘层或白炽灯灯泡的应用。

对于高科技真空应用，工程师使用一系列专门的高空泵从紧密封闭的真空室中拉出空气分子。

研究实验室中的典型真空室。

真空系统的工程问题

现在，要获得高真空吸尘器，您不能仅仅泵一会儿，然后将泵关闭。您的泵需要运行每时每刻。为什么？气体分子可以通过多种不同的方式渗入腔室，而更多的分子意味着增加压力 - 然后真空被破坏。那么这些气体分子从何而来？一个来源可能是腔室不是完美密封的。在这种情况下，由于几乎所有材料都会自然地将气体分子释放到周围环境中，因此您将气体分子进入您的房间。例如，构成真空室的金属和玻璃材料可能是破坏真空的罪魁祸首（对于高端系统而言，这不是一个问题）。

另外，密封剂，粘合剂和润滑剂正在释放许多分子。您可能知道橡胶的气味。这种气味来自释放的气体分子，如果您在真空室中有臭橡胶材料，它将破坏您的真空。释放到真空系统中的不需要分子的现象称为量大这是真空技术最具挑战性的工程方面之一：您需要选择不释放太多分子的正确材料。以您的室墙为例。您不能仅使用任何钢。它必须是不锈钢。不可允许的材料清单很长。一些超出问题问题的壮观情况涉及深空探针，例如这星尘彗星样品返回探针在摄像机传感器上凝结不需要的物质可降低图像质量。

真空系统的另一个引人入胜的工程问题是，当您打开房间以维修设备的服务时，水蒸气将进入。水蒸气倾向于在水上凝结在墙壁上，然后将水分子慢慢释放到室内。然后烤通过加热系统，真空系统过夜，以使水蒸发并可以抽出。

一旦获得了达到的压力，就可以将腔室用于其技术应用目的，例如使用离子束掺杂半导体材料。离子束太脆弱了，无法直接通过空气发送 - 离子将与空气分子碰撞并分散，因此需要高质量的真空吸尘器。确切需要哪些质量真空取决于应用程序，但是该表将为您提供一个想法：

应用	每厘米分子3（近似）
大气空气	1019
灯泡	1015
热水瓶	1013
高科技真空室	106
星际空间	10

复杂真空系统的稀有流量模拟工具

为了了解和设计复杂的真空系统，可以使用COMSOL®软件的稀有流量模拟工具。当分子的平均自由路径与流量的长度尺度相当时，就会发生稀疏气体流动。换句话说，设备的大小。气体分子的平均游离路径仅仅是在击中另一个气体分子之前，它平均行驶了多远。为了量化这一点，您可以计算Knudsen号码，这使您可以快速指示您正在查看的流量类型。knudsen数字kn是平均自由路径除以典型的长度比例。让我们看一下以Knudsen数字为特征的四个流动式：

• 连续流（KN <0.01）
• 滑动流量（0.01
• 过渡流（0.1
• 游离分子流（KN> 10）

这些流程度如下图所示：

一个图，显示了稀疏气体流动的主要流体流量。不同的机制被恒定的knudsen数字分开。气体的数量密度归一化为在1个大气压和0°C的压力下的理想气体的数量密度（N0）。

游离分子流动状态

典型的真空系统将在游离分子流政权。comsol®软件还具有用于过渡，滑倒的工具，当然还有连续流程，但让我们将该主题留在以后的博客文章中。如果您仔细检查上述Knudsen编号图，您会注意到，如果气体的压力比真空系统的压力更“正常”，但仅限于非常狭窄的通道（例如纳米尺寸），则流量也在自由分子流动区域。这意味着要研究孔非常狭窄的多孔材料的气体流动，所谓的纳米孢子，您还需要自由的分子流量模拟能力。一个这样的应用区域是页岩气勘探。

与敬业游离分子流仿真工具，您可以例如计算系统中每个点的单位体积分子数量。然后，您可以检查沿离子光束预期轨迹的数量密度，并决定是否需要以任何方式更改真空系统以降低数量密度。在里面游离分子流政权，分子沿直线行驶，随机弹跳到真空系统的壁上。这意味着分子的流动与光束相似，并且您可以设计系统的几何配置以达到阴影效果并利用这些效果来降低数量密度。实际上，用于comsolMultiphysics®中游离分子流的数值算法与红外辐射或热辐射计算具有许多共同点。但是，为了准确表示流程，它更为先进。

有关分子流量计算的实际示例，请参阅此信息离子植入器的型号教程。

使用COMSOL®软件模拟半导体离子植入器，以最大程度地沿离子束路径的压力。该图显示了真空系统表面的压力；已经取出了两个墙壁，以便可见腔室的内部。