УДК 620.3

Подбор оптимальных параметров импактора для переноса частиц на подложку с помощью компьютерного моделирования

Жеребцов Дмитрий Дмитриевич – аспирант Института новых материалов и нанотехнологий Национального исследовательского технологического университета МИСиС.

Аннотация: В данной работе варьировались параметры импактора для изучения распределения частиц на подложке. Для моделирования движения частиц в импакторе использовалось программное обеспечение SolidWorks 2021 с подключенным модулем flow simulation. При анализе всех профилей распределения частиц при различных углах конуса входного канала и расстояниях подложки, оптимальными параметрами признаны 100° и 6 см соответсвенно.

Ключевые слова: импактор, анализ частиц, SolidWorks, моделирование движения частиц.

Введение

Для анализа окружающей среды и для анализа объектов, являющихся предметом интересна ядерной криминалистики, используют частицы, которые несут в себе характерные черты процесса, частью которого они являлись. Например, по характерным чертам (сигнатурам) включений, оставшихся в земле после ядерного взрыва во время испытания «Тринити», удалось локализовать месторождения меди, используемой для производства бомбы [1].

В рамках ядерной криминалистики для изучения частиц используют ряд различных методов: оптическая и электронная микроскопии, альфа-, гамма-, инфракрасная, массовая спектроскопии и пр. [2]. Однако для большей части методов, использующихся для анализа частиц, требуется подложка, которая фиксирует частицы на своей поверхности различными клеями. Говоря о ядерной криминалистике, основным инструментом сбора частицы является специальная салфетка, которой проводят по поверхности объекта/места, где потенциально могут содержаться частицы, представляющие интерес [3]. Это приводит к переносу частиц окружающей среды на салфетку, которая далее упаковывается и отправляется в лаборатории для анализа. Существуют несколько методов переноса частиц с салфетки на поверхность подложки:

  1. Методы влажной экстракции: ультразвуковая обработка, центрифугирование, фильтрация, химическое травление;
  2. Методы сухой экстракции: термические (в т.ч. сжигание салфетки), а также сбор инерционным ударом [4].

Однако все методы влажной экстракции воздействуют на материал частиц посредством контакта со средами, которые чаще всего являются агрессивными (этанол, гептан и пр.), что может привести к химическому изменению состояния материала частиц. Термические методы также могут вызвать изменение физического состояния материала частиц, что также может исказить результаты анализа. Поэтому наиболее популярен неразрушающий метод переноса частиц, подразумевающий перенос с помощью воздуха, который переносит частицы с салфетки на подложку с предварительно нанесенным клеем для фиксации частиц на поверхности [5].

 Устройство для переноса называется вакуумным импактором (далее – импактор), конструкция которого заключается в фиксации подложки внутри трубы, в которой индуцируется поток воздуха. Один конец импактора прислоняется к салфетке, а другой конец подключается к трубке с всасывающим воздухом. При такой конфигурации импактора частицы с поверхности салфетки переносятся на поверхность подложки, которая стоит на пути движения воздуха. Однако импактор не способен перенести частицы малых размеров (как правило, субмикронных), а также переносит частицы на поверхность подложки не равномерно: часто скопление частиц локализовано под осью трубки либо по краям конуса выходящего воздуха.

Целью данной работы является подбор геометрических параметров импактора таким образом, чтобы распределение частиц на подложке было наиболее равномерным. В качестве метода для оптимизации было решено создать цифровую модель, в которой можно легко менять геометрические параметры импактора, а также легко фиксировать массовый перенос частиц на подложку. Следующим этапом исследований является воссоздание цифровой модели в физическую систему и проверку согласованности распределения частиц, полученных с помощью созданного физического импактора, и распределение частиц в цифровой модели.

Методы

Исследование заключается в построении цифровой модели с различными геометрическими характеристиками для поиска зависимости данных геометрических показателей на распределение частиц по подложке. Для моделирования движения частиц в импакторе использовалось программное обеспечение SolidWorks 2021 с подключенным модулем flow simulation.

В качестве исходной геометрии модели (Рис. 1) были выбраны следующие параметры:

  • Радиус входного отверстия – 0.08 см;
  • Длина входного канала – 2 см;
  • Радиус выходного отверстия – 0.18 см;
  • Длина выходного канала – 3 см;
  • Радиус трубы – 1.68 см;
  • Длина трубы – 18 см;
  • Диаметр подложки – 0.261 см;
  • Толщина подложки – 0.45 см;
  • Расстояние от подложки до входного отверстия – 1 см, 3 см,6 см или 9 см;
  • Угол конуса входного канала – 90°, 100° или 110°.

В качестве основных геометрических размеров были взяты размеры импактора МАГАТЭ, который уже применяется для переноса частиц в реальной практике. Отличия от импактора МАГАТЭ заключаются:

  • в варьировании угла конуса входного канала (90° в импакторе МАГАТЭ);
  • в варьировании расстояния от выходного канала до подложки (0.8 см в импакторе МАГАТЭ);
  • длина трубки составляет 18 см для варьирования расстояния подложки против около 3см в импакторе МАГАТЭ.

1

Рисунок 1. Геометрия импактора, где угол конуса входного канала 100°.

Для поиска зависимости распределения частиц по подложке от геометрических параметров импактора использовался расчёт движения воздуха при заданных граничных параметрах трубы и при заданной сетке расчёта модели. Поверхность подачи воздуха – сечение входного канала. В качестве флюида использовался воздух. Гравитация в направлении потока. Граничные условия эксперимента: входное отверстие – давление окружающей среды (101325 Па). Выходное отверстие: выходной поток 20 м/с. Настройки сетки расчёта: глобальная сетки: уровень 2, без улучшенного канального усовершенствования (Рис. 2). Также использовалась локальная сетка расчета, чей объем был вставлен от входного отверстия до середины подложки, чтобы движение частиц полностью лежало внутри локальной сетки, а также чтобы затронуть область соприкосновения частиц и подложки. Все настройки локальной сетки были выставлены на уровень 3, кроме уровня кривизны, который остался на уровне 0. Настройки решения: физическое время – 0.1 с. Количество итераций – 10. Шаг времени для решения составлял 1e-05 с. Остальные настройки – по умолчанию.

Далее после расчёта движения воздуха в трубе импактора создавалось исследование частиц. В качестве физических особенностей было выбрано «приращение». В качестве условий стенки была выбрана поверхность подложки. Условие взаимодействия: адсорбция. В качестве материала частиц был выбран кремний. Количество частиц – 10000. Для изучения распределения частиц на подложке были выбраны частицы размером 10 мкм. Массовая передача была рассчитана как 104 частиц * (4/3)* π *r3* ρSi/секунда и для частиц размером 10 мкм составила 9.8*10-8 кг/с.

2

Рисунок 2. Боковой срез импактора, где подложка расположена на расстоянии 3 см от входного канала и где угол конуса входного канала 90°. Зелёная область – локальная сетка.

Для анализа распределения частиц по подложке строился профиль от центра подложки к краю. Для построения профиля использовалось 100 точек.

Результаты и обсуждения

Для изучения влияния геометрии импактора на распределение частиц сначала моделировался поток воздуха (Рис. 3). Из проведенных моделирований для всех геометрий было выявлено, что движение воздуха между входным отверстием и подложкой был относительно равномерным, однако в области между подложкой и трубой импактора движение воздуха резко изменяет направление движения для огибания подложки. Вероятно, данная особенность движения воздуха связанна с резким сужением пространства для движения воздуха.

3

Рисунок 3. Движение воздуха внутри импактора с подложкой, расположенной на расстоянии 3 см от входного канала и с углом конуса входного канала 100°.

Далее было проанализировано распределение частиц на подложке в зависимости от расстояния подложки и от угла (Рис. 4). Для визуального качественного анализа было построено распределение частиц на подложке. В качестве показателя присутствия частиц использовалась скорость накопления массы. Наблюдалось, что для прямого угла распределение частиц менялось мало от расстояния подложки. Однако при большем угле конуса входного канала наблюдалось более широкое распределение.

4

Рисунок 4. Распределение частиц на подложке, расположенной на расстоянии 6 см от входного канала и с углом конуса входного канала. (А) –90°, (Б) - 100°.

Для описания распределения частиц на подложке строились профили присутствия массы частиц на подложке (Рис. 5). Как уже отмечалось, при 90° распределение частиц было слишком концентрированным в близи центра, и отсутствовало в близи края подложки. Это свидетельствует о том, что частицы набирают высокую скорость в нормальном направлении к поверхности подложки, и не успевают распределиться под действием сил воздуха, которые направленны вдоль подложки. При угле более чем 90° профиль распределения более плоский и более равномерный.

5

Рисунок 5. Профиль распределения массы от центра к краю подложки в зависимости от угла входного отверстия. Расстояние до подложки (А) – 1 см, (Б) – 6 см.

Однако при угле 110° и при расстоянии подложки 6 см и более распределение частиц было подложке было также неравномерным: большая часть массы частиц скапливалось на краю подложки. Вероятнее всего, данное поведение может быть объяснено трением стенок во входного канале, что приводит к такому неравномерному распределению частиц.

Заключение

В результате поставленного цифрового эксперимента были выявлены закономерности движения частиц различного гранулометрического состава в зависимости от геометрии импактора. При анализе всех профилей распределения частиц при различных углах конуса входного канала и расстояниях подложки, оптимальными параметрами признаны 100° и 6 см соответсвенно.

Для результатов, более приближенных к реальным условиям, в будущих работах стоит рассмотреть следующие аспекты:

  • варьирование размеров частиц;
  • меньший шаг в угле и расстоянии подложки от входного канала;
  • более подобранные параметры, в т. ч. турбулентность и шероховатость стен, а также проведение физических экспериментов для сопоставления.

Список литературы

  1. Koeman E.C., Simonetti A., Burns P.C. Sourcing of Copper and Lead within Red Inclusions from Trinitite Postdetonation Material // Anal. Chem. 2015. Vol. 87, № 10. P. 5380–5386.
  2. Straub M.D. et al. Recent Advances in Nuclear Forensic Chemistry // Anal. Chem. 2021. Vol. 93, № 1. P. 3–22.
  3. Vajda N., Kim C.-K. Determination of Transuranium Isotopes (Pu, Np, Am) by Radiometric Techniques: A Review of Analytical Methodology // Anal. Chem. 2011. Vol. 83, № 12. P. 4688–4719.
  4. Dzigal N. et al. Revisiting the fission track method for the analysis of particles in safeguards environmental samples // Talanta. 2017. Vol. 167. P. 583–592.
  5. Shinonaga T. et al. Isotopic analysis of single uranium and plutonium particles by chemical treatment and mass spectrometry // Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy. Vol. 63, № 11. P. 1324–1328.

Интересная статья? Поделись ей с другими: