ЦИФРОВАЯ МОДЕЛЬ ИМПАКТОРА И ДВИЖЕНИЕ ЧАСТИЦ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ВАКУУМА

DIGITAL MODEL OF AN IMPACTOR AND MOVEMENT OF PARTICLES UNDER THE INFLUENCE OF VACUUM

Dmitry Zherebtsov

Ph.D. student, Department of Physical chemistry NUST “MISiS”,

Russia, Moscow

АННОТАЦИЯ

Целью данной работы было создание цифровой модели импактора для выявления зависимости распределения частиц на поверхности подложки от геометрических параметров импактора. В качестве программного обеспечения для создания цифровой модели использовался SolidWorks 2021 с подключенным модулем flow simulation. Для анализа распределения были построены карты накопления частиц на подложке в зависимости от расстояния и угла наклона входного канала. Было определено, что для более равномерного распределения частиц по поверхности подложки оптимальными параметрами является угол 100° и расстояние 6 см от входного канала до подложки.

ABSTRACT

In this work, a digital model of the impactor was created to study the dependence of the distribution of particles on the substrate on the parameters of the impactor. To simulate the movement of particles in the impactor, SolidWorks 2021 software with a connected flow simulation module was used. To analyze the distribution, maps of particle accumulation on the substrate were constructed depending on the distance and angle of inclination of the input channel. It was determined that for a more uniform distribution of particles over the substrate, the optimal parameters are an angle of 100° and 6 cm from the input channel to the substrate.

Ключевые слова: импактор, анализ частиц, SolidWorks.

Keywords: impactor, particle analysis, SolidWorks.

Анализ отдельных частиц, нанесённых на поверхность подложки, изготовленной из известного материала, является достаточно распространённым инструментом для изучения материала и/или окружающей среды, частью которых являлись данные частицы [1]. Например, фиксацию частиц на подложке использует международное агентство по атомной энергетике для изучения окружающей среды и для ограничения распространения ядерных материалов [2].

Одним из наиболее распространённых методов нанесения частиц на подложку является использование вакуумного импактора, который представляет из себя трубу с зауженными концами с фиксатором подложки внутри, где один конец прислоняется к трубе с вытягивающим потоком воздуха, а другой конец прислоняется к салфетке, являющейся носителем частиц. В отличие от метода растворения или термического разложения специальной салфетки, несущей частицы, перенос частиц на подложку с помощью импактора не предполагает изменение физического или химического состояния материала частиц [3], что позволяет более точно характеризовать материал или процесс, участниками которого были изучаемые частицы.

В данной работе создавалась модель импактора, а также создавалась моделирование движения частиц внутри импактора для выявления зависимости распределения частиц по подложке от геометрических факторов импактора. В качестве программного обеспечения для создания цифровой модели использовался SolidWorks 2021 с подключенным модулем flow simulation. В качестве основы для геометрических размеров импактора был взят стандартный импактор МАГАТЭ. Отличие заключалось в изменении угла примыкания входного канала к основному объему импактора (90° в импакторе МАГАТЭ, в исследовании: 90°, 100° и 110°), в изменении расстояния от выходного канала до подложки (0.8 см в импакторе МАГАТЭ, в исследовании: 1 см, 3 см, 6 см, и 9 см), а также в длине трубки, которая составляла в исследовании 18 см против около 3см в импакторе МАГАТЭ (Рисунок 1).

Рисунок 1. Геометрия импактора (угол – 100°)

Для изучения влияния геометрии импактора на распределение частиц сначала моделировался поток воздуха (Рисунок 2).

Рисунок 2. Визуализация потока воздуха в объеме импактора (расстояние 3 см, угол - 100°)

Для визуального качественного анализа распределения частиц по подложке были сформированы изображения скорости накопления массы на подложке (Рисунок 3).

Рисунок 3. Визуализация распределения массы частиц по поверхности подложки (расстояние – 6 см, угол (А) –90°, (Б) - 100°)

Было выявлено, что для прямого угла распределение частиц менялось незначительно в зависимости от расстояния между входным каналом и поверхностью подложки.

Однако при увеличении угла распределение становилось более равномерным, а при 110° наблюдалось более широкое распределение, со значимым повышением концентрации частиц ближе к краю.

В результате поставленного цифрового эксперимента были выявлены закономерности распределения частиц по подложке в зависимости от геометрии импаткора. Было определено, что для более равномерного распределения частиц по подложке оптимальными параметрами является угол 100° и расстояние 6 см от входного канала до подложки.

Список литературы:

1. Dyukov V.G. et al. Improving the accuracy of the sem-eds analysis of microparticle composition with reduced electron probe energy and surface smoothing with an ion beam // J. Synch. Investig. 2015. Vol. 9, № 5. P. 917–922.
2. Salbu B., Lind O.C. Analytical techniques for charactering radioactive particles deposited in the environment // Journal of Environmental Radioactivity. 2020. Vol. 211. P. 106078.
3. Woelfl S., Mages M., Encina F. Cold plasma ashing improves the trace element detection of single Daphnia specimens by total reflection X-ray fluorescence spectrometry // Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy. 2003. Vol. 58, № 12. P. 2157–2168.