Comparisons Using Methods of Continuum Mechanics and Monte Carlo at Differentially Pumped Chamber

Comparaciones utilizando métodos de mecánica continua y Monte Carlo en la cámara de bombeo diferencial

El artículo aborda el análisis de los flujos de gas en los canales bombeados en la cámara de bombeo diferencial del Microscopio electrónico de barrido ambiental (ESEM). El artículo compara y verifica los resultados existentes de la simulación de flujo de cámara bombeada diferencialmente del sistema ANSYS Fluent, que utiliza la mecánica del continuo, con los publicados por D. Danilatos utilizando el método Monte Carlo.

1. Introducción

El artículo analiza el flujo de gas dentro de la cámara de bombeo diferencial, que forma parte del Microscopio Electrónico de Barrido Ambiental (ESEM) [1]. Este tipo de microscopio está diseñado para estudiar muestras que contienen agua de forma natural [2]. El propósito de la cámara de bombeo diferencial es separar el área de alto vacío (el tubo del microscopio) del área de alta presión (la cámara de la muestra). Esta separación se consigue mediante dos aperturas PLA1 y PLA2, que impiden la rápida igualación de la presión del gas en todo el microscopio mientras se drena el tubo [3]. El tubo del microscopio se predrena con una bomba rotatoria y luego la presión del gas se estabiliza con una bomba de difusión. Otra bomba rotativa se encuentra en la cámara de bombeo diferencial, estabilizando la presión del gas a un valor requerido con un bombeo continuo.

El diseño y las condiciones límite que utilizamos son las mismas que las publicadas por G.D. Danilatos. Utilizó el método de Monte Carlo para lograr los mejores resultados de bombeo y las menores pérdidas posibles del haz de electrones. El método Monte Carlo se basa en la realización de numerosos experimentos aleatorios con el modelo del sistema donde su evaluación muestra la posibilidad de un efecto específico. En este manuscrito se comparan los resultados obtenidos mediante la aplicación del método de Monte Carlo con los resultados obtenidos mediante la aplicación del método que utiliza la mecánica del continuo utilizada para los cálculos de las simulaciones por el programa ANSYS Fluent [4]. Los principios matemáticos de este método se describen con más detalle en el capítulo dos. El tema de este trabajo es la comparación de los dos métodos mencionados y sus resultados con el fin de decidir cuál de ellos es más preciso y... Podría ser utilizado para cálculos de simulación adicionales con el propósito de mejoras adicionales en el diseño del microscopio tipo ESEM [5].

1. Interpretación matemática

Para la modelización de las aperturas individuales se utilizaron los programas SolidWorks y ANSYS Fluent, por lo que el flujo puede calcularse mediante el método de volúmenes finitos. ANSYS Fluent resuelve un sistema de tres ecuaciones diferenciales parciales complementadas con una cuarta ecuación de estado. Es un tipo de flujo tridimensional de fluido viscoso compresible. Las ecuaciones básicas que describen el flujo de fluido viscoso compresible escritas en forma conservadora son las tres leyes de conservación, la Ley de Conservación de la Masa, el Momento y la Energía completada con la Ecuación de Estado del fluido considerado [6].