科学家此前提出的爱因斯坦望远镜(ET)将是第三代引力波天文台，它将建立在现有已成功建立的激光干涉探测器的基础上。在过去的 5 年中，对合并黑洞(BHs)和中子星的研究已经有了突破性发现。这些发现将带领科学家进入引力波天文学的新时代。爱因斯坦望远镜将被建立在地下隧道中，该隧道呈三角形，臂长 10 公里。

2024 年左右，科学家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是被提议的可能建造位置。

在期待爱因斯坦望远镜到临之前，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了一个较小规模的研究设施，名为 ETpathfinder。它将容纳一个路径长度为 20 米的引力波探测器，测量设备将类似于爱因斯坦望远镜中的设备。

该设备将成为以下领域的国际研究中心:

• 引力天文学
• 高精度测量技术
• 隔震
• 测控软件
• 低温学
• 量子光学

ETpathfinder 的设计是由位于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科，一些规范将被测试和开发。

什么是 ETpathfinder?

下图为 ETpathfinder 的示意图。它由两条 20 米长的轨迹组成，其中包含作为振动腔运行的真空管。光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 研究的第一阶段，轨迹包含 FPMI。然后，利用小型光学元件，在每只臂上放置两个振动腔。这样，这两种轨迹可以被用于两种不同的激光波长和工作温度(15K 和 120K)下的研究。

镜像塔中的超高真空系统

低温和真空技术是通过仿真研究 ETpathfinder 的主要重点，特别是镜塔中的光学镜和低温屏蔽层，如下图所示。在 10^-9 mbar 的超高工作真空中，99% 的粒子都是水分子。这些水分子易于与表面结合并形成层(单层和多层)。如果在冷却到 10k 的镜表面形成这样一层，水分子就会冻结，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。

镜塔每年需要多次打开以进行维护和研究。恢复运行时，需要排出气体。为了加快这一过程，温度会被升高。由于所有电子设备和敏感材料都会在高温下膨胀，因此所以塔的温度不能超过 338K。

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。如果低温屏蔽层和反射镜同时冷却，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层和镜面的镜塔底部的横截面。冷却策略如下:首先用氦冷却绿色屏蔽，然后冷却蓝色屏蔽层。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。

超高真空仿真的验证与验证

到目前为止，只有一个由 Nikhef 公司的物理学家 H.J. Bulten 使用射线追踪编写的代码进行的模拟计算。尽管模拟的结果非常值得期待，但尚未将射线追踪代码与其他软件包进行比较。一项研究旨在为 ETpathfinder 超高真空系统中的压力找到一种可靠的计算方法。

在对实际 ETpathfinder 进行计算之前，已利用超高真空装置上的测量值对 COMSOL Multiphysics^® 软件进行了验证。这是本研究的第一部分，已经在 Nikhef 公布。

第二步是研究在打开系统进行维护或研究后，ETpathfinder 在排气过程中需要加热多长时间才能达到 10^-9mbar 的真空状态。

最后，我们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。将测量结果与射线追踪代码进行比较，并使用 COMSOL Multiphysics 软件的分子流模块进行模拟。

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 423K，由两个腔室组成:

1. 下腔室，有一扇门来装载测试样品，并由 O 形密封圈密封
2. 上腔室，其中包含四极杆质谱仪 (RGA)和稳定离子计

预计将有约 1.2·10^-14 mol/s 的水分子进入上腔室。这一估计数是基于:

• 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
• 上腔室的压力比另一个腔室低

在装置投入运行之前，先对其进行充气，然后是 22 小时的真空泵时间。之后，系统从 299K 加热到 344K，这是通过在真空室外部和绝缘屏蔽层之间循环暖空气来完成的。

记录温度，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。

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)。压力的计算基于粒子与壁面的碰撞，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，右侧网格用于计算。

与表面碰撞的粒子被吸附而不是反射的概率（黏附系数）取决于特定时间步长内单层的覆盖率。黏附系数是一个介于 0 和 1 之间的数字（1 是与表面结合的 100% 概率），并使用以下公式计算：

根据文献和专业知识，黏附系数 (sc) 设置为 0.2。n_吸附量(mol/m²) 是表面吸附颗粒的数密度，由 COMSOL Multiphysics 在每个时间步长内计算。n _位点 (mol/m²) 是表面上单层的最大分子数，设为 6.0·10^-5mol/m²。

在模型中，假设吸附的水分子在表面不解离，因此分子从表面解吸的速率 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 是一个常数。然而，在这种情况下，温度会上升，需要计算每个时间步长的 τ

其中，f 为束缚在金属上粒子的固有振荡频率(1.0·10¹³ Hz)， R (8.314J/(mol K) 为气体常数，T (K)为温度，E_b (J/mol)为束缚能。束缚能取决于材料的表面粗糙度。计算的数值范围为 0.9eV (86.840 kJ/mol)~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 仿真和射线追踪代码预测的加热循环结束时的压力低于 Stabil-ion 真空计的测量值。

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形圈的渗透性是不确定的，整体加热可能不均匀。因此，壁某些地方的排气量可能比理论模型预测的要低。

文献中提到了束缚能在 0.83eV~0.95eV 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，模拟结果更一致。这表明，在实际中，排气量比理论预测的要低。

步骤 2

ETpathfinder 的几何形状和参数

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。在模型中，这是三个单层屏蔽，其中的孔被插槽取代。这些插槽位于底部的内屏蔽层和顶部的第二屏蔽层中。

下图左侧显示了一个完整的镜像塔的 CAD 模型，在右侧显示了一个简化的模型，其中几何形状已经被倒置用来反映内部体积。

关于 ETpathfinder 的一些附加信息:它包含 13 个涡轮分子泵(3200l/s)和预抽泵。预计在 87.6 m² 的区域内，通过双差压泵 O 形环的渗透率为 1.5·10^-11 mol/m², O 形环之间的压力为 1mbar。

ETpathfinder 的点火(加热)

当镜塔打开后，必须达到 10^-9 mbar 的压力。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。

尽管在点火 25 小时后，压力远低于 10^-9mbar 的设计目标，但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，建议开火时间至少为一周。

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. 开火后直接冷却(下图左)
2. 内屏蔽层和镜面在 338K 的温度下保持较长时间，而第二个屏蔽层冷却到 80K(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%(38 倍)。对第二个防护层也进行了研究，但效果不如预期。

结论

仿真有助于增强对冷却策略的信心。然而，当然对仿真进行了假设，重要的是要对结果进行评判。由于以下几个因素，达到 10^-9mbar 的压力是一个真正的挑战:

1. 均匀加热和冷却
2. O 型环的渗透
3. 表面粗糙度
4. 微污染

仿真对特定情况的预期泵送曲线给出了很好的见解，但理论模型只是对现实的一种乐观表示。

正如 Karl Jousten 在一篇关于热脱气的论文的结论中所描述的：“在这篇评论的最后，应该指出的是，材料的脱气在理论和实验中都是一个非常生动的主题，它们被大量讨论，非常复杂，并且关于它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，在微观层面有许多未知的方面。部分由于这些未知因素，创建逼真的仿真是一项重大挑战。COMSOL Multiphysics 等软件包提供的功能和计算能力令人印象深刻。

特别感谢 Nikhef 的员工在我实习期间为我提供测试设备，并分享了他们在真空技术方面的专业知识。也感谢 NEVAC 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。她在阿姆斯特丹 Nikhef 实习期间首次接触真空技术和分子流模拟。她与 Nikhef 的员工（如物理学家 HJ Bulten 博士和真空专家 B. Munneke）密切合作，成功研究了 ETpathfinder 的自由分子流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, NEVAC blad 56-1 − maart 2018.
2. ET Pathfinder team, ETpathfinder Design Report. Science Park, Amsterdam, The Netherlands (2020). www.etpathfinder.eu/wp-content/uploads/2020/03/ETpathfinder-Design-Report.pdf
3. M. Ortino, “Sticking coefficients for technical materials”, master thesis, Politecnico Milano, CERN, Geneva, Switzerland, 2020. www.politesi.polimi.it/bitstream/10589/131905/1/Mattia%20Ortino%20Master%20Thesis.pdf
4. COMSOL Multiphysics, Molecular Flow Module User’s Guide, ver. 5.4, 2018. doc.comsol.com/5.4/doc/com.comsol.help.molec/MolecularFlowModuleUsersGuide.pdf
5. K. Jousten, “Thermal outgassing. Proceedings of the CERN Accelerator School”, Snekersten, Denmark, CERN report, S. Turner ed., pp. 111–125, 1999. cds.cern.ch/record/455558/files/open-2000-274.pdf

1. 左心室辅助装置

心脏衰竭，或称充血性心力衰竭，仅在美国就影响了超过 600 万成年人。当心脏不能向全身输送足够的血液和氧气时，就会发生这种常见的疾病。帮助缓解心力衰竭的一种方法是使用左心室辅助装置（LVAD），这是一种机械泵，植入胸腔后可提供循环支持。左心室辅助装置通常被称为 “移植的桥梁”，因为它们通常用于治疗等待心脏移植的病人。不仅如此，它们也可以被用作因客观医疗条件而无法接受心脏移植的病人的长期治疗方案。

正如预期的那样，左心室辅助装置的设计通常很复杂。他们需要：

• 足够的功率（大约10 瓦左右），可以正常运行
• 足够小，可以装进病人的胸膛
• 由与人体相容的材料制成

为了设计具备所有这些品质的左心室辅助装置，雅培实验室的研究人员使用了仿真技术。例如，他们使用 COMSOL Multiphysics 帮助设计了左心室辅助装置的离心泵。为了防止血液在泵内和泵周围凝结（设计 左心室辅助装置 时的一个常见挑战），研究人员在 左心室辅助装置 的设计中加入了一个磁悬浮转子。使用COMSOL，研究人员能够对 左心室辅助装置中的转子和湍流进行建模和分析。

磁悬浮转子的仿真（左上），泵腔内流体流动的 CFD 仿真（左下），以及 左心室辅助装置 的离心泵示意图（右）。

此外，研究人员还对左心室辅助装置的控制器进行了机械冲击分析，用于研究它的弹性。这个控制器有助于左心室辅助装置的供电、控制和性能监控。

“我每天都在使用 COMSOL Multiphysics，包括概念验证模型和模拟非常复杂的、具有详细 CAD 几何结构和多种相互作用的物理特性。我花费了数个月在一些复杂模型上以获得我所有需要的信息。”
– Freddy Hansen, 雅培实验室高级研发工程师

2. 疫苗储存

根据美国疾病控制和预防中心的说法，疫苗储存在减轻常见可预防疾病的传播方面发挥着重要作用。然而，由于严格的温度要求，许多疫苗在存储过程中会变质，从而造成浪费。

作为全球公益项目的一部分，Intellectual Ventures 公司创新设计了一种被动式疫苗储存装置，用于将疫苗安全地运送到世界各地。它的设计只需要使用一批冰就可以将疫苗保持在 0°C~10°C。它的外壳具有多层绝缘，包括反射铝薄层、低导电空间和非导电真空空间。被动式疫苗储存装置不需要外部电源就可以工作。

在 COMSOL Multiphysics 中进行的被动式疫苗储存装置热仿真。

在设计阶段，研究人员在一个与撒哈拉以南非洲地区温度相似的环境室中测试了几个被动式疫苗储存装置原型的性能。为了优化被动式疫苗储存装置系统的设计，在建造原型之前，该团队使用了 COMSOL Multiphysics 以及它附加的各种产品，包括传热模块和分子流模块。

通过实验和模拟，该团队能够设计出一种容易运输的被动式疫苗储存装置，可以将疫苗冷藏长达一个月，从而能够将疫苗安全运输到世界各地，甚至是在电力有限或没有电的地方。

3. 消融技术

2020 年，肝癌是全球癌症相关死亡的第三大常见原因，导致了超过 80 万人丧生。这种疾病有时用消融技术进行治疗。这是一种微创治疗，可以在不切除肝脏肿瘤的情况下破坏它们。治疗肝癌的两种消融术包括：

• 射频消融 (RF)，使用针状探针传递高频电流来加热和杀死肿瘤内的癌细胞
• 微波消融 (MW)，使用针状探针发送电磁波来破坏肿瘤内的癌细胞

许多执行这类消融治疗的医疗专业人员面临的一个共同挑战是，他们无法获得有关这些程序有效性的实时反馈。为了解决这各问题，射频和微波消融技术的领先开发商——美敦力公司的一个研究团队使用仿真设计了具有更强的可预测性和有效性的新型消融探针。在他们的工作中，该团队使用 COMSOL Multiphysics 和附加的射频模块来优化探头的发射和接收特性。

4.老花眼

随着年龄的增长，我们的眼睛会出现越来越难以聚焦近距离的物体的情况。这种情况被称为老花眼，会影响到世界上大多数年龄到了65岁的人。老花眼的主要原因是晶状体形状的变化，晶状体是眼睛内部的一个微小结构。在我们年轻的时候，晶状体很薄且有弹性，但随着时间的推移，它会逐渐变厚，弹性变差。如果不加以矫正，老花眼会是造成视力障碍的最常见原因。

老花眼可以通过使用眼镜、隐形眼镜或简单的放大镜来缓解。一种更深入的治疗形式是屈光手术。但是，所有这些选择都有其自身的缺点和限制。

用于帮助研究老花眼的人眼模型。

为了推进老花眼的研究并治疗老花眼的根本原因，瑞士医疗器械公司 Kejako 的研究人员创建了一个人眼的 3D 机械模型。使用 COMSOL Multiphysics，该团队能够模拟人眼的机械和光学特性。他们模型的最终设计准确地模拟了老花眼的自然发展过程。

5. Linac-MR

加拿大 Cross 癌症研究所的一个研究团队设计了一种创新设备，可以对人体内的癌细胞进行成像和治疗。该设备称为 Linac-MR，它将线性粒子加速器 (Linac) 和磁共振图像 (MRI) 整合到了一个系统中，目的是无论肿瘤是否转移都能靶向和治疗任何肿瘤，同时并避免损害肿瘤部位周围的健康组织。

为了优化这种复合型设备的设计，研究人员需要分析能够阻止 Linac -MR 发挥最佳性能的物理现象。为此，研究人员将目光转向了多物理学仿真。

Linac -MR 系统的配置。

该团队最早进行的一个仿真是确定 Linac -MR 中钢屏蔽板的最佳尺寸，这块板用于保护 Linac 免受 MRI 磁场的影响。他们使用 COMSOL Multiphysics 设计了一个半径为 30 厘米、厚度为 6 厘米的优化防护罩——其尺寸是原始设计的三分之一。

此外，研究人员希望设计一种能产生 10 兆电子伏电子束的 Linac-MR。这样该系统就能够治疗多种癌症类型。最初，他们估计 Linac 需要一个 70 厘米长的波导，系统才能产生 10 兆电子伏的电子束。通过仿真，他们了解到使用30 厘米的波导就足够了。通过减少波导的长度，研究人员可以建造一个更小的房间来容纳 Linac-MR ，从而在此过程中节省时间和金钱。

6. 血液学分析

实验室测试（例如血液学分析）的设计必须绝对准确，这一点至关重要，因为这些测试影响着当今多达 70% 的医疗决策。

HORIBA 医疗是一家医疗诊断设备、血液学和临床化学设备的全球供应商，它们在设计时考虑了以下标准：

• 速度
• 准确性
• 尺寸
• 使用方便

仿真使 HORIBA医疗能够满足这些设计要求。

ABX Pentra® 系列分析仪中的孔径电极系统示意图。

例如，通过仿真，HORIBA 医疗能够增强 Pentra^® 系列中的微孔电极系统，这是他们最先进的血液分析仪之一。他们使用 COMSOL Multiphysics 分析了该系统中发生的各种复杂物理过程，包括流体速度、通过孔的压降、热传递和电场。

“由于这是一个非常小的系统，因此很难通过实验进行任何测量。仿真使我们能够改进一些仅使用物理原型无法完成的流程。”

– Damien Isèbe，HORIBA 医疗科学计算工程师

7. 细胞分选仪

The Technology Partnership 的研究人员设计了一种微流控细胞分选设备，可用于帮助治疗癌症和各种其他疾病。他们设计的涡流驱动细胞分选器 (VACS)，包括一个输入通道，目的是将生物细胞分选到两个输出通道：

• 废细胞
• 感兴趣的细胞

与传统的细胞分选仪相比，涡流驱动细胞分选器更快、更于便携（尺寸为 1 mm x 0.25 mm）、更容易使用和处置。此外，与传统的细胞分选仪不同，涡流驱动细胞分选器使用热蒸汽泡脉冲技术来正常工作。

涡流驱动细胞分选仪的组件。

据 The Technology Partnership研究团队称，在涡流驱动细胞分选器的整个设计过程中都需要多物理场仿真。例如，使用流体动力学模型，他们模拟和分析了设备的热蒸汽泡技术的效果。通过这样做，该团队能够快速构建涡流驱动细胞分选器的工作原型——世界上最小的细胞分选仪之一。此外，仿真还有助于验证他们的设计。

8. 药物洗脱支架

当心脏中的动脉被斑块积聚阻塞时，就会发生冠状动脉狭窄。患有这种疾病的病人可能会出现呼吸急促、胸痛和头晕等症状。

为了治疗这种疾病，医疗专业人员有时会使用一个小型金属支架来保持堵塞的动脉畅通。然而，组织会在支架上生长，并在这个过程中使动脉重新变窄。帮助防止这种过度组织生长的一种方法是使用药物洗脱支架，这种支架上涂有药物，旨在减少动脉中的细胞增殖。为了更好地了解这些支架是如何工作的，创新的医疗设备开发商—— Boston 科学的一个工程师团队使用了多物理场仿真。

血管被斑块阻塞的示意图（左上）、插入的支架并在被斑块阻塞的血管中扩张（右上）以及支架在血管中的工作（下）。

在他们的工作中，Boston 科学团队对药物洗脱支架涂层的释放曲线进行了建模和研究。释放曲线是药物涂层溶解到血管组织中的速率。这项研究帮助团队设计了一种药物洗脱支架，该支架具有可根据患者自身需求定制的可控释放曲线。

COMSOL News 生物医学特辑

阅读我们的 COMSOL News 生物医学特辑，了解文中描述的 8 个示例以及另外 4 个有关示例的更多信息。

ABX Pentra 和 Pentra 是 HORIBA ABX SAS 的注册商标。

使用电荷交换单元改变离子束的电荷

电荷交换单元可以将带正电或带负电的离子束转换为中性粒子束。电荷交换单元的工作原理是使离子束通过稀薄气体进入一个真空室中。当离子与气体相互作用时，一部分离子发生电荷交换而离子束的能量或方向几乎没有损失；中性粒子束继续沿其原始路径前进，其余离子（未进行电荷交换的离子）通过带电板偏转。

仿真结果显示，电荷交换单元中的带电极板如何使发生电荷交换反应的离子继续向前前进，未进行离子交换的离子发生偏转。

由于具有使离子交换电荷的能力，这些单元被用在加速器（例如同步加速器）等设备中用于产生中性束，这对医学研究很有帮助。此外，它们还可用于离子注入过程，包括表面处理（例如人工关节）、钢的增韧（例如钻头），以及半导体制造（例如，金属氧化物半导体场效应晶体管或 MOSFET）等。在这些应用中，中性束是所需要的粒子，因为它不会在目标表面上累积大量的电荷。

为了使电荷交换单元高效工作，设备各个方面的优化都非常重要，例如：

• 使用的气体类型（氩气、氙气等）
• 气体数密度
• 腔室的形状和大小
• 带电板偏置电压的大小

这就是为什么我们需要仿真的原因，因为仿真能够使工程师优化这些参数从而降低原型制作成本。通常，测试不同的设计由仿真专家完成，但这会减少他们从事其他创新项目所需要的时间。另外，所有这些测试会在整个开发过程中造成瓶颈，因为只有少数人可以运行仿真分析。

创建一款仿真App是一种高效的选择。仿真App可以包含模型的所有物理特性，具有易于使用的界面，但可以仅显示我们想展示的功能。通过部署这样的仿真App，我们可以使不是仿真专家的团队成员能够分析和优化电荷交换单元设计；例如，计算电荷交换效率、所得粒子束的路径等。下面，我们来看一个使用COMSOL Multiphysics^® 软件以及附加的分子流模块和粒子追踪模块创建仿真 App 的示例。

注意：本文没有涉及基础模型的详细信息，我们可以在通过一个电荷交换室中质子束中和案例教程中找到这些信息。

通过仿真 App 简化电荷交换单元的设计

电荷交换单元模拟器可模拟电荷交换单元，将高能正离子束转换为中性束。为了使用户能够轻松地在各种情况下测试不同的设计，下面演示的仿真 App 包括三个选项卡，包含电荷交换单元的关键部分参数：

1. 真空参数
   • 真空室尺寸
   • 包含氩气的气室的流速
   • 泵速
2. 粒子束参数
   • 输入光束的Twiss参数和发射率
   • 离子总数
   • 离子最可几能量
3. 偏转电极参数
   • 偏转电极的尺寸及其之间的电位差

对于各种可用的参数，我们很难记住参数是否已更改。因此，仿真 App 中包含了有用的状态卡，使用户可以了解几何和解的状态。当其中一个几何参数被更改后，将出现一条消息，提示用户单击 更新/显示几何 按钮，确保用户正在查看对应的几何。此外，在上一个解被计算后，如果任何参数被更改，就会有一条单独的消息提示输入数据已更改，并且用户无法查看解或创建报告。这些措施有助于确保用户得到的结果与输入的参数相匹配。

该仿真 App 还包含许多其他选项用来控制仿真。例如，通过单击 高级设置 按钮，用户可以增加时间步的数量，以提高结果的准确性，这在高气压和发生频繁碰撞时特别有用；用户还可以指定仿真中的中性粒子和氩离子的数量；另外，与图形 窗口类似，如果没有足够的粒子用于模拟，系统将会自动显示警告消息。

电荷交换单元模拟器还为用户提供了选择生成仿真结果报告的格式，即以 HTML 或 Microsoft^® Word 格式显示。仿真 App 中还有一个按钮，使创建报告变得简单。创建的报告中详细说明了模型设置、输入参数的值和仿真结果。

演示仿真 App 的结果

根据需要调整仿真 App 设置后，用户可以单击计算按钮使电荷交换单元的各个方面可视化，包括：

• 真空室和包含氩气的内部单元壁上的气压
• 沿粒子束路径的气体数密度
• 带电板周围的电位分布
• 偏转离子和中性束的路径

此外，该仿真 App 还计算了设计效率。电荷交换单元的性能取决于被中和离子的百分比，这可以在仿真 App 的 数值结果 部分以及生成的报告中看到。此外，该报告将详细介绍模拟中的所有反应类型以及每种反应的数量，从而可以更深入地了解交换反应的产物。

通过使用该仿真 App，任何人都可以轻松地测试并优化电荷交换单元的性能，从而增强整体设计过程。

动手尝试

如果您想要获取电荷交换单元模拟器演示仿真 App，请单击下面的按钮转至 COMSOL 案例库 。通过有效的软件许可证，您就可以下载演示仿真 App 并查看其随附的说明文档。

Microsoft 是 Microsoft Corporation 在美国和/或其他国家的注册商标。

电荷交换室是如何工作的？

不同能量的中性粒子束是医学、科学仪器设计和材料加工等众多应用中的一个关键要素。要将中性粒子加速到极高的速度，我们可以重点关注电荷交换室的作用。

电荷交换室 是指位于离子束路径中的高密度气体区域。在这个区域中，离子束中的高速离子能与背景气体发生电荷交换反应，使部分离子会被中和，这种中和反应又可以在交换室出口处产生中性粒子束。

我们以充满中性氩气的电荷交换室为例来进一步分解这个过程。当质子通过气体介质被加速时，能够从提供的氩原子中捕获电子，这将产生一个快速逸出气体室传的中性氢原子，以及一个缓慢移动的氩离子。然而，这种捕获电子的概率相对较小。因此，许多带电粒子在离开气体室时仍留存在离子束中。

那么，我们如何通过这个过程获得完全中性的离子束呢？一种方法是在离子束到达目标之前使用一对带电板来偏转质子。通过仿真，我们可以研究气体室和带电板在中和过程中的作用。

电荷交换室的中和过程。

模拟电荷交换反应

电荷交换室模型是COMSOL案例库中的一个教程模型，用于分析离子束的中和过程。建立这个模型使用需要分子流模块和粒子追踪模块。

电荷交换室模型包含一个带真空系统的圆柱形气体室。气室中心有一个淋浴喷头圆环，用于发射中性氩气。淋浴喷头包含多个用于控制气室中中性气体密度的微通道，可以在仪器的主真空系统中产生一个高压区域。自由分子流 接口用于计算气室内氩气的数密度和压力。

电荷交换室内压力的表面图。

在这个示例中，用两个块表示带电板，给上板施加 200V 的电压，下板接地。使用静电 接口计算板之间的电势，然后将其用于偏转离子。

为了模拟入射离子束与中性气体的碰撞，使用了带电粒子追踪 接口。该接口包括一个弹性碰撞力，它采用了自由分子流 接口计算的气体密度，并使用它来确定碰撞频率。

中和效率

下图显示了离子通过电荷交换室时的轨迹。深灰色线表示离子的轨迹，其电荷数为 1。浅灰色线表示中性粒子的轨迹，其电荷数为 0。

模型中的粒子轨迹。该图像突出显示了一些离子在离开气室之前如何进行电荷交换反应。

我们还可以使用这个模型评估到达特定边界的粒子总数。通过将撞击接地板的粒子数量与模型中的颗粒总数进行比较，可以估计气室的中和效率。在这个示例中，确定的中和效率大约为 13.8%。请注意，该值在模型的不同运行中可能略有不同，因为离子和中性气体之间的电荷交换反应是随机发生的。

模型下载

• 电荷交换室模型

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。