Page 7 - 《真空与低温》2026年第2期

126 真空与低温 第 32 卷 第 2 期

综上可知，在单管喷嘴型布气管路中，通过优 1 000 长度/mm
化孔距可实现各孔气体流量的均衡分配，较之固定
孔径方式显著提高了出气均匀性，验证了前述理论 500
推断。
2.3 布气结构优化与分析
0
从布气孔流出的气体具有束流特性，并且与靶 y z x −10
5
面距离较近，导致气体在横向上的扩散不充分，最 0 50
长度/mm
终在靶面上形成与孔位对应的、分布不均的气流
图谱。为了达到靶面均匀布气的目标，除了调整孔 图 9 模型网格划分
距，还须进一步优化布气构型。 Fig. 9 Mesh division of the model

图 7 是阴极靶布气结构优化后的示意图。可以 对其求解，得到优化的气流流场分布，如图 10
看出，将布气孔的出口方向由图 1 的平行于靶面调 所示。气体从布气孔流出后经过扩散流到靶的表
整为垂直向下，使气体在到达靶面之前具有一个前 面。为了定量分析，靶边沿的气流速度如图 11 所
置的扩散腔室。在此过程中，气体分子之间及其与 示。不同流速下，靶上气体的流速都能达到一致，
腔室壁面的碰撞频率增加，从而实现了有效的掺混 气体从布气管上小孔流出后经扩散、反射后，孔口
与均压。下文将通过有限元建模与流场模拟，定量 束流效应逐渐被削弱，气体到达靶边沿后流速在整
验证优化后的结构对改善气体分布均匀性的效果。 个靶上达到了很好的一致性。
建立 1∶1 阴极靶面仿真结构，为了减小计算量，采
1 000 长度/mm
用对称模型计算阴极靶的流场分布，如图 8 所示。

挡气板 500

布 气流方向
气
腔 扩 0
室 管 散 压块 靶材 y z 5
壁 腔 x −10
0 50
冷却板 长度/mm

图 10 阴极靶气流流场分布
Fig. 10 Gas flow field distribution on the cathode target

图 7 优化后的布气结构示意图 0.013
0.012
Fig. 7 Schematic diagram of the optimized gas 0.011 250 mL/min
出口气流速度/（m·s −1 ） 0.006
distribution structure 0.010
0.009
0.008
1 000 长度/mm 0.007 200 mL/min
500 0.005 150 mL/min
0.004
0.003
0.002
50 mL/min
0.001 100 mL/min
0
0 −0.001
z 5
y x −10 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
0 50 气流出口位置/mm
长度/mm
图 11 靶边沿处气体流速分布
图 8 阴极靶结构建模
Fig. 11 Gas velocity distribution at the target edge
Fig. 8 Modeling of the cathode target structure

3 实验验证
对模型进行网格划分，在布气孔位置进行网格
加密处理，网格划分如图 9 所示。整个模型共计划 3.1 实验条件
分 1 355 970 个单元，463 527 个顶点。 对比验证不同管路布气结构下，气体流场分布