真空校準裝置的分流法原理

2008-12-06 真空系統 郭美如 蘭州物理研究所真空低溫技術與物理國家重點實驗室

       分流法是在動態流量法基本原理的基礎上提出的。動態流量法基本原理是將氣體微流量計產生的已知氣體流量注入到校準室中,并通過一已知流導的小孔不斷抽氣,從而在校準室中產生可精確計算的動態平衡壓力,并以該平衡壓力作為標準壓力校準真空規。由于氣體微流量計流量測量范圍和校準室極限真空度所限,動態流量法的校準下限一般在10-6~10-7Pa之間。為了將真空規的校準下限延伸到10-10 Pa的極高真空范圍,提出了流量分流法基本思想,即將氣體微流量計提供的氣體流量引入到一個分流室中,然后再通過分流室上兩個分子流流導相差100~1000 倍的小孔將氣體流量分流到XHV 校準室和UHV 校準室中,XHV 校準室分流的氣體流量占1%~0.1%,UHV 校準室占99%~99.9%, 這樣當UHV 校準室中的校準下限為10-7時,XHV 校準室中的校準下限為10- 9~10- 10 Pa。

       先考慮不分流的情況, 假設某一恒定氣體流量全部注入到XHV 校準室中, 并通過一已知流導小孔連續抽氣, 則會在校準室內建立起可精確計算的動態平衡壓力。如果校準室中處于等溫狀態, 氣體分子各向同性, 均勻分布, 校準室內氣體壓力滿足公式( 1) 。

 

式中Q—— —注入校準室的氣體流量, Pa·m3/s

      Q0 —— —校準室內表面的放氣率, Pa·m3/s

      pu —— —校準室內的氣體壓力, Pa

     Sg —— —被校真空規的抽氣速率,m3/s

     pl —— —抽氣室中的氣體壓力,Pa

     C9—— —校準室和抽氣室之間小孔9的流導,m3/s

     V—— —校準室的容積,m3

    dpu/dt—— —校準室中壓力隨時間的變化率,Pa/s

當滿足以下條件時,可以將公式(1)進行簡化:

     (a)校準室內表面的放氣率Q0小于最低校準壓力時注入氣體流量Q的1/100;

     (b)被校真空規的總抽氣速率小于校準室抽氣小孔流導值的1/100;

     ( c) 在校準過程中, 校準室中的壓力波動小于1/100。

      當校準室中氣體壓力達到動態平衡時,即dpu/dt等于0,公式(1)可簡化為公式(2)

 

     式中: Rp —— —返流比。

     從公式( 3) 可以看出, 當小孔流導C9 和返流比Rp確定之后,只能通過減小流量Q的值來延伸壓力校準下限,固定流導法氣體微流量計就是為此目的而設計的, 其流量測量下限為10-9 Pa m3/s。盡管如此, 采用固定流導法氣體微流量計,壓力校準下限也只能到10-8Pa。

      為了進一步將壓力校準下限延伸到10- 10 Pa,采用了前面所述的流量分流法思想,即將固定流導法氣體微流量計提供的氣體流量引入到分流室, 再通過分流室上的兩個小孔15 和23 分流到XHV 校準室和UHV 校準室中。通過實際測定, 在研制的校準裝置中, 大約99.5%的氣體流量被分流到UHV 校準室中, 只有大約0.5%的氣體流量被分流到XHV 校準室中, 從而將XHV校準室中的壓力校準下限延伸到10-10 Pa。采用分流法后, XHV 校準室中的氣體壓力由公式( 4) 計算。

 

      根據公式(4),要得到標準壓力,須確定小孔9的流導C9;返流比RP;小孔23與小孔15的流導比RC流量Q由氣體微流量計提供并測量。各參數的測量方法或確定方法已在真空技術網中做了詳細描述, 這里不再贅述, 僅將對Ar 氣的結果列于表1 中。

     表1 對Ar 氣各參數的值( 或測量范圍) 及不確定度