Бурное развитие и все более расширяющиеся области применения вакуумного оборудования, например, для обеспечения технологических процессов в экспериментальных термоядерных установках, имитаторах космического пространства, ускорителях на встречных пучках, в микроэлектронике, физике твердого тела и т. д., обусловливают разнообразие и индивидуальность физических и эксплуатационных факторов, увеличивающуюся структурную усложненность, возрастающую ресурсоемкость действующих и, в еще большей степени разрабатываемых вакуумных систем. Таким образом, процесс проектирования современных вакуумных систем является сложной и разветвленной задачей, подверженной влиянию многих факторов, характеризующих специфичность и многообразие параметров функционирования вакуумной системы. Поэтому решение подобной задачи требует зачастую индивидуального подхода, так как современные реальные вакуумные системы являются сложными ресурсоемкими комплексами как с технологической, так и с экономической точек зрения и проведение исчерпывающих экспериментальных исследований на этапе проектирования затруднено или невозможно.

В связи с этим особое значение приобретает проведение предварительного анализа системы на этапе проектирования. Целями подобного анализа могут быть: получение предварительных данных о характеристиках агрегата; моделирование рабочих режимов для выявления наиболее ответственных частей проекта; оптимизация агрегата по заданным параметрам; сравнение нескольких альтернативных конструкций и т. д. Вышеупомянутые причины обусловливают необходимость развития таких идей и методов проектировочных расчетов сложных вакуумных систем, которые с одной стороны обладают максимально возможной степенью универсальности, то есть позволяют строить алгоритмы и продукты на их основе, не требующие доработки для анализа каждой конкретной системы, а с другой стороны дают возможность учитывать ключевые факторы, оказывающие существенное влияние на условия функционирования реальной вакуумной системы:

• наличие множественных распределенных источников и стоков газа;

• сильная структурная усложненность;

• наличие сильных температурных перекосов;

• нестационарность протекающих процессов.

Современная ситуация с использованием различных аналитических методик и подходов складывается следующим образом. Применение традиционных подходов для анализа реальных сложных вакуумных систем малоэффективно, так как эти подходы базируются на осредненных параметрах состояния разреженного газа и заимствованы из механики сплошных сред. Использование адекватных методов расчета, напротив, ориентировано на построение 3х-мерных полей дифференциальных характеристик газовой среды (молекулярная концентрация, плотности молекулярных потоков, и т. п.). Давняя и широкая известность большинства подобных методов анализа сформировали устойчивый стереотип о простоте решения большинства задач, которые могут встать перед проектировщиком вакуумной системы и, соответственно, о нецелесообразности дальнейшего развития существующих подходов.

Однако при попытке использовать для анализа конкретной вакуумной системы имеющиеся описания методов проектировщик сталкивается с их разрозненностью, половинчатостью, а зачастую и незавершенностью, что наряду с наличием чисто практических трудностей в освоении разветвленных и довольно громоздких математических аппаратов этих методов обусловливают сложность их непосредственного использования. Кроме этого, увеличивающиеся требования к точности расчетов и к более адекватному описанию процессов, протекающих в вакуумных системах обусловливают необходимость решения задач в нестационарной постановке, анализа систем со сложной, динамически изменяющейся геометрией, находящихся в существенно неравновесных условиях, учета влияния параметров взаимодействия молекул со стенками, и т. п. Также, особо актуальным представляется развитие подходов в направлении, позволяющем получать в результате анализа традиционные параметры вакуумных систем, такие как давление, концентрация и т. п., наиболее удобные и привычные для проектировщика с целью наиболее эффективного дальнейшего их использования в работе над проектом.

Наличие вышеозначенных вопросов, требующих решения, обусловливает актуальность обобщения имеющихся представлений и выработку на их основе и на базе необходимых модификаций единой, максимально универсальной методики для анализа вакуумных систем, ориентированной на решение современных задач, стоящих перед проектировщиком. Отдельной проблемой, также требующей решения, является приведение такой методики к виду, позволяющему создать универсальные программные продукты, которые позволят проводить комплексный анализ интегральных и дифференциальных характеристик любой вакуумной системы, причем не требуя участия проектировщика в реализации расчетных алгоритмов.

I.1. основные понятия вакуумной
техники

Главным объектом исследования при анализе вакуумных систем является разреженный газ и параметры, характеризующие его состояние. Разреженный газ близок по своим свойствам к идеальному газу. идеальными газами принято считать такие, у которых:

• молекулы можно представить как упругие материальные частицы (в силу этого часто вместо термина «молекула» используется понятие «частица»);

• между частицами происходят только упругие взаимодействия, то есть отсутствуют силы межмолекулярного взаимодействия;

• объем, занимаемый частицами пренебрежимо мал по сравнению со свободным объемом.

Одним их основных параметров, характеризующих совокупность молекул внутри объема, является молекулярная концентрация n. Концентрация показывает, сколько частиц (молекул) находятся в единице объема системы – n, [1/м³].

Поведение каждой отдельной молекулы характеризуется ее тепловой скоростью. Максвелл показал, что газ, не подвергающийся какому-либо постороннему механическому или температурному воздействию, всегда приходит в такое состояние, когда молекулы распределяются по скоростям теплового движения по вполне определенному статистическому закону.