近二十年來,各國國家計量研究院在10³Pa～10^-4Pa 范圍內的真空基準大多為靜態膨脹法真空裝置,測量不確定度由二十年前的10^-2提高到10^-3量級。我國,目前磁懸浮真空計和電容薄膜真空計使用較多,這類儀器在測量精度和穩定性上的指標較高,需要有相應的標準裝置來滿足新儀器的校準需求。因此,我院新建立了一套靜態膨脹法真空裝置,既能夠滿足大量新儀器校準需求,也能以較高的水平參加相應的國際比對。該靜態膨脹法真空裝置,測量范圍:5×10^-4～1×10⁵Pa,不確定度:0.19%～0.02% (k=2)。

靜態膨脹法真空系統裝置概述

       靜態膨脹法真空裝置在高真空范圍可以對磁懸浮等真空計進行校準,在低真空范圍可以對電容薄膜等真空計進行校準。其原理是基于玻意爾-馬略特定律,氣體由已知壓力的小體積內向高真空的大體積膨脹,膨脹后的平衡壓力為: 

      式中:P0為小體積內壓力(Pa);v為小體積容積(L);V為大體積容積(L);P為平衡后壓力(Pa) 。

       我們稱v/v+V為體積比,是靜態膨脹法真空裝置最重要的基本參數。

      膨脹法真空標準裝置由主機系統、抽氣系統(分子泵和機械泵)、閥門(K1～K15)、氣源室V等幾部分組成,如圖1所示。

圖1 　靜態膨脹系統示意圖

        其中,主機系統是由兩個80L的不銹鋼密封容器V1和V2(我們稱為I 級膨脹室和II級膨脹室)和三個分別為800mL、80mL、800mL的v1、v2和v3組成,所有與小體積連接的閥門密封面均朝向小體積。這樣我們就可以獲得1∶100和1∶1000的體積比,前級壓力從10³ Pa～10⁵ Pa, 使用標稱滿度時準確度優于0.008%的石英諧振數字壓力計測量得到。工作時,氣體分別由小體積膨脹到I級膨脹室,壓力下降,得到所需要的壓力。還可通過循環膨脹或兩級膨脹,獲得更低的所需壓力值。

       為了獲得較好的靜態本底壓力,I級膨脹室和II級膨脹室加工中經過高溫預處理,實驗前,還要經200℃的烘烤72h以上,極限壓力達到10-8Pa。在常規工作條件下,通過長時間監測,II級膨脹室對氮氣的壓力升高率為2×10-9Pa/s 。

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