通过铂包覆技术防止铌薄膜中本征氧化层的形成

《Vacuum》：Preventing Native Oxide Formation in Niobium Thin Films Through Platinum Encapsulation

多级 Roots 干式真空泵的热力学过程仿真面临跨流态与复杂流域挑战，提出基于腔室模型的分步仿真方法：首先建立单级 Roots 泵工作过程模型，考虑气体稀释与流道结构影响的泄漏流，通过性能图谱计算；继而采用 PSO 优化算法求解各级间中介压力，实验验证表明该方法能有效分析多级泵内压力分布、功耗分配及泄漏特性，揭示间隙敏感性规律，为泵型优化提供理论支撑。

　　在现代工业与科研领域，真空技术扮演着至关重要的角色，尤其是在半导体制造、航空航天以及新能源等关键行业。其中，多级罗茨真空泵因其高集成度和高能效而被广泛应用。这类泵是一种正位移泵，其核心原理是通过泵腔内的气体体积被封闭并周期性地移动，从而实现从进气口到排气口的气体输送。罗茨真空泵通常由两个相互啮合的转子组成，这两个转子由同步齿轮驱动，在相反方向旋转，从而在泵体内形成一系列扩张和收缩的腔体。这种结构使得罗茨真空泵在中高真空范围内具有较高的抽气速度和稳定的工作性能。

随着半导体制造等高科技产业的快速发展，对高效、可靠真空设备的需求也日益增长。多级罗茨真空泵的出现正是为了满足这一需求，它不仅具有更高的抽气能力，还能在有限的空间内实现高效的气体输送。特别是在化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）和刻蚀等工艺过程中，多级罗茨真空泵因其良好的真空维持能力和紧凑的结构设计而成为首选设备。然而，尽管多级罗茨真空泵在实际应用中表现出色，其性能的进一步优化和提升仍然面临诸多挑战，尤其是在其热物理过程的准确模拟方面。

当前，多级罗茨真空泵的模拟技术主要依赖于计算流体力学（CFD）和直接模拟蒙特卡洛（DSMC）等方法。然而，这些方法在实际应用中也暴露出一定的局限性。例如，CFD方法基于纳维-斯托克斯（N-S）方程，这种方程依赖于连续性假设，因此在低真空条件下，如高真空入口压力时，连续性假设无法成立，导致模拟结果出现偏差。此外，CFD方法在处理复杂的流体-固体耦合结构时，尤其是在多级罗茨真空泵的结构变化方面，难以准确反映实际情况。而DSMC方法虽然在分子流条件下表现良好，但在粘性流模拟中却面临计算量过大、内存占用高以及算法复杂性高的问题，使得其在实际应用中难以推广。

因此，针对上述问题，本文提出了一种基于腔体模型的新型模拟方法，旨在解决多级罗茨真空泵在不同工况下的热物理过程模拟难题。该方法将模拟过程分为两个主要步骤：首先，计算每个罗茨级的性能图；其次，利用粒子群优化（PSO）算法求解各罗茨级之间的中间压力。通过这种方法，可以更准确地模拟多级罗茨真空泵在不同入口压力下的运行特性，从而为设备的设计和性能优化提供科学依据。

在性能图计算方面，本文首先建立了一个适用于单级罗茨真空泵的工作过程模型，该模型主要考虑了气体稀薄效应和通道结构对泄漏流的影响。通过这一模型，可以更精确地描述单级罗茨泵在不同工况下的性能表现。随后，基于该模型，进一步计算出多级罗茨泵中每个罗茨级的性能图。这一过程不仅有助于理解各罗茨级之间的气体流动特性，还能为后续的中间压力求解提供基础数据。

在中间压力求解方面，本文采用PSO优化算法，通过优化过程求解各罗茨级之间的中间压力。PSO算法作为一种智能优化方法，能够有效地在复杂的优化空间中寻找最优解，从而提高模拟的准确性。通过这一算法，可以更精确地模拟多级罗茨泵在不同入口压力下的运行特性，包括气体压力分布、功率分配、泄漏过程以及间隙敏感性等关键参数。这些参数的分析有助于深入理解多级罗茨泵的运行机制，为设备的优化设计提供理论支持。

为了验证本文提出的模拟方法的有效性，本文搭建了原型实验平台，并在不同入口压力条件下进行了实验测试。实验结果表明，基于腔体模型的模拟方法能够与实际运行数据保持高度一致，从而证明了其在模拟多级罗茨真空泵热物理过程方面的可靠性。此外，通过对实验数据的进一步分析，可以揭示多级罗茨泵在不同入口压力下的运行特性，包括气体流动路径、压力建立过程以及功率分布等关键信息。

本文的研究成果不仅有助于提升对多级罗茨真空泵热物理过程的理解，还为相关技术的发展提供了新的思路。通过基于腔体模型的模拟方法，可以更准确地预测多级罗茨真空泵在不同工况下的运行性能，从而为设备的优化设计和性能提升提供科学依据。此外，本文还分析了多级罗茨泵在不同入口压力下的气体流动特性，包括气体压力分布、功率分配、泄漏过程以及间隙敏感性等关键参数，这些分析结果对于理解多级罗茨泵的工作机制具有重要意义。

在实际应用中，多级罗茨真空泵的运行特性不仅受到入口压力的影响，还受到转子轮廓、通道结构以及热变形等因素的共同作用。因此，为了全面评估多级罗茨真空泵的性能，本文提出的模拟方法能够有效整合这些因素，从而提供一个更加全面和准确的模拟框架。这一框架不仅适用于多级罗茨真空泵的模拟，还能够为其他类型的真空泵提供参考。

综上所述，本文提出了一种基于腔体模型的新型模拟方法，该方法能够有效解决多级罗茨真空泵在不同工况下的热物理过程模拟难题。通过这一方法，可以更准确地计算每个罗茨级的性能图，并利用PSO算法求解中间压力，从而实现对多级罗茨真空泵运行特性的全面分析。实验结果表明，该方法在不同入口压力条件下的模拟效果良好，能够为多级罗茨真空泵的设计和性能优化提供科学支持。本文的研究成果不仅有助于推动多级罗茨真空泵技术的发展，还为相关领域的进一步研究提供了新的思路和方法。