什么是分子流?

提到真空环境，大家可能很自然地会想到外太空的恶劣环境。在地球上建立人工真空环境是一项非常具有挑战性的任务。事实证明，我们甚至无法实现星际真空的低压，分子流就是发生在这种低压环境下。

许多高科技应用都需要真空技术

在地球上什么地方可以找到需要真空的应用？计算机芯片就是其中一个，如果没有基于真空的工艺，就不可能制造出芯片。实际上，真空技术对相当多的高科技应用都至关重要或者有益，包括质谱仪、用于半导体掺杂的分子束设备、用于薄光学涂层的化学气相沉积工艺、电子显微镜、粒子加速器和卫星。当然，还有更多“日常真空”应用，例如保温瓶的绝缘层或白炽灯泡。

在高科技真空应用中，工程师会使用一系列专业高真空泵从密闭的真空室中抽出空气分子。

研究实验室中的典型真空室。

真空系统的工程问题

要获得高真空环境，不能只抽一段时间气然后关闭泵，需要每时每刻 运行泵。因为气体分子可以通过多种不同的方式渗入腔室，分子越多压力就会增加，从而破坏真空系统。那么，这些气体分子从哪里来的呢？其中一个来源可能是腔室没有完全密封。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，因此气体分子会进入腔室。例如，构成真空室的金属和玻璃材料可能是破坏真空环境的罪魁祸首（对于高端系统来说，这并不是问题)。

此外，密封剂、黏合剂和润滑剂业会释放大量分子。比如，橡胶材料的气味。这种气味来自释放的气体分子，如果真空室内有含臭味的橡胶材料，真空会被破坏。不需要的分子被释放到真空系统中的现象称为放气，这是真空技术最具挑战性的工程问题之一：你需要选择不会释放大量分子的合适材料。以腔室壁为例，不是什么钢都可以使用，必须使用不锈钢材料。真空室不允许使用的材料可以列一个很长清单。外太空探测器就是一个令人瞩目的放气问题案例，例如，美国的星尘号 彗星样本返回探测器上不需要的物质会凝结在相机传感器上，导致图像质量降低。

真空系统的另一个令人着迷的工程问题是，当你打开真空室维修设备时，水蒸气会进入。水蒸气倾向于在壁上凝结成水，然后缓慢地将水分子释放到腔室中。工程师会通过通宵烘烤 加热系统，来使水蒸发并可以抽出。

获得所需的压力后，真空室就可以用于技术应用，例如使用离子束掺杂半导体材料。离子束太脆弱，无法直接通过空气发送——离子会与空气分子碰撞并分散，因此需要高质量的真空。究竟需要什么质量的真空取决于应用，下表给出了一些常见应用的参考:

适用于复杂真空系统稀薄气体流动的仿真方法

了解和设计复杂的真空系统，我们可以使用 COMSOL^® 软件的稀薄流动模拟工具。 当分子的平均自由程等于流动的长度，换句话说，当分子的平均自由程等于设备尺寸时，就会出现稀薄的气流。气体分子的平均自由程就是它在撞击另一个气体分子之前平均行进的距离。为了量化这一点，你可以计算克努森数，用于快速指示你正在查看的流动类型。克努森数 Kn 是平均自由程除以典型长度尺度。让我们看一下用克努森数表征的四种流态:

• 连续流（Kn < 0.01)
• 滑移流（0.01 < Kn < 0.1)
• 过渡流量（0.1 <Kn < 10)
• 自由分子流 (Kn > 10)

这些流动状态如下图所示:

该图显示了稀薄气体流动的主要流体流动状态。不同的流态由常数克努森数线分隔。气体的数密度标准化为 1 个大气压、0°C 的理想气体时的数密度 (n0)。

自由分子流

典型的真空系统的气压完全在自由分子流 状态。COMSOL^® 软件还提供用于过渡流、滑移流以及连续流的模拟方法，但我们将在以后的博客中讨论这个主题。如果仔细观察上面的克努森数图，你就会注意到，如果气体具有比真空系统更“正常”的压力，但被限制在非常狭窄的通道（例如纳米尺寸）中流动，那么流动也在自由分子流动区域。这意味着要研究气体流过孔隙非常狭窄（即所谓的纳米孔）的多孔材料，还需要自由分子流模拟功能。页岩气勘探就是一个这样的应用领域。

例如，借助 COMSOL 中专门的自由分子流 功能，你可以使用仿真计算系统中每个点每单位体积的分子数，还可以检查沿离子束预期轨迹的数密度，并决定是否需要以任何方式改变真空系统以降低数密度。在自由分子流 状态下，分子沿着直线行进，在真空系统的壁上随机弹跳，这意味着分子流的行为与光束类似，你可以通过设计系统的几何配置来获得一些阴影效果，并利用这些效果来降低数密度。事实上，COMSOL Multiphysics^® 中用于自由分子流的数值算法与红外辐射或热辐射计算有许多共同点。然而，它在准确表示流动路径方面比较先进。

有关分子流计算的真实案例，请参阅离子注入真空系统中的分子流教程。

使用 COMSOL^® 软件模拟半导体离子注入机，以最大限度地降低离子束路径上的压力。该图显示了真空系统表面的压力；去除了两个壁面，以查看腔室的内部。