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超强激光科学卓越创新简报

(第八百二十四期)

2026年9月15日

上海光机所在高真空系统中水蒸气动态行为的实验测量与数值仿真方面取得新进展

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光元件技术与工程部在复杂高真空系统中水蒸气动态行为研究方面取得进展，相关研究成果以“Experimental and simulation research on the dynamic characteristics of water vapor in high-vacuum systems”为题发表于Journal of Physics D: Applied Physics。

水蒸气是高真空系统中的主要残余气体成分，其吸附、解吸和输运行为直接影响激光科学、光学薄膜制备、表面科学和空间环境模拟等装置的局部真空环境。对于含有屏蔽板、百叶窗、防污板等复杂内部结构的大型真空腔室，水蒸气压强分布不仅受腔室内壁吸附-解吸过程影响，还与几何遮挡、分子反射路径、泵口位置和漏孔分布密切相关。传统模型多假设腔室内压强均匀分布，难以准确描述复杂结构条件下的局部真空环境变化，因此有必要建立经实验验证的水蒸气输运与局部压强评价方法。

针对上述问题，研究团队采用静态压升法测定腔室外部漏率，并在四种有/无百叶窗与防污板组合工况下获得水蒸气抽气曲线；基于COMSOL Multiphysics分子流模块，建立了耦合外漏效应、自由分子流输运和壁面吸附-解吸动力学的仿真模型，对Langmuir和Freundlich单分子层吸附模型进行实验校准与对比。结果表明，Langmuir模型主要适用于描述抽气中后期压强演化，而考虑表面异质性的Freundlich模型在初始快速抽气阶段及复杂结构工况下更具适用性。进一步分析发现，百叶窗、防污板和屏蔽板会改变水分子向泵口输运的直视通道和多次反射路径，在几何遮挡区域形成局部压强升高；漏孔位置差异也会显著影响局部水蒸气压强分布。该研究建立了“实验抽气曲线校准—分子流输运仿真—局部压强分布评价”相结合的方法，可为复杂高真空系统结构优化、局部真空环境评价和漏气诊断提供参考。

相关研究得到了上海市科技计划项目、上海市优秀学术带头人项目、上海领军人才项目和中国科学院战略性先导科技专项等支持。

原文链接

图 1：四种腔室工况下Freundlich模型仿真结果与实验数据的对比图。

图 2：抽气50小时时刻模型预测的水蒸气压强表面空间分布：（a）均匀分布，（b）位置A，（c）位置B，（d）位置C。四幅图采用相同的线性色标，色标范围为1.0–6.0×10-7 Pa。

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