分子束法UHV/XHV校準系統結構與原理
分子束法是早期用于UHV/ XHV 校準的主要方法。分子束法的校準原理如圖1 所示,由克努曾(Knudsen) 室、低溫室和校準室組成。
圖1 分子束法校準原理圖
設n0 和n 分別是克努曾室和校準室中的分子數密度; v0 和v 分別是這兩室中分子的平均熱運動速度。從克努曾室經小孔A1 向液氦冷卻的分子束管中漫射的分子遵循余弦定律分布。碰到液氦壁上的分子全被粘著,碰到孔A2 的分子數為
式中, l 為分子束管的長度, A1 , A2 分別為孔A1 ,A2的面積。
穩態平衡時,從校準室經A2 漫射出的分子數與入射分子數相等,即
如果校準室中的溫度T 與克努曾室中的溫度T0 相等,則
從上式可知,此法的校準壓力p 與孔A2 的大小無關。A2 的大小僅由校準室獲得的本底壓力來決定。分子束法校準下限可延伸到10-10Pa 以下。分子束法最大的缺點是很難達到理想的熱平衡狀態。圖2 所示為美國NASA 的Peter Fowler 等于上世紀六十年代建立的分子束法UHV/XHV校準系統原理圖 。美國的UHV/XHV 校準系統是作為阿波羅計劃的一個項目。
圖2 美國NASA 的分子束法UHV/XHV校準系統原理圖
該系統復合了分子束法、壓力衰減法和冷凍抽氣技術,可在10-6Pa～10-11Pa 壓力區間對飛行型真空規進行校準,校準誤差小于5 %。通過外控聯動機械裝置,被校真空規在系統中可以水平擺動0°～40°和俯仰變化-5°～+5°,以改變規入口軸線與分子束軸線的夾角的變化來模擬航天器的偏航角和俯角的變化。高壓氣源2 中壓力在13.3Pa～1.33 ×106Pa 范圍變化,用旋轉活塞規1測量,溫度295K～301K,此已知壓力經多孔塞3 注入到分子爐4 中,衰減了4～6 個數量級。分子爐中的氣體經過已知尺寸的孔8按余弦定律漫射到液氦冷凍低溫泵室14中。大部分氣體分子被液氦壁捕獲,只有很少一部分形成定向分子束9。分子束通過液氦冷卻的通道到達被校規12的入口。
美國在該UHV/ XHV 校準系統上主要對安裝在阿波羅飛船上的真空計和質譜計進行校準 。
圖3所示為德國聯邦物理技術研究院(PTB) 的G. Grosse 等于上世紀八十年代建成的分子束法UHV/ XHV 校準系統的結構圖。該校準系統由不銹鋼制作而成,采用全金屬密封,由抽氣單元(含分子泵、離子泵以及液氮冷卻的鈦升華泵) 和分子束管兩大部分組成。分子束管的下端部分是克努曾室,其上通過接口法蘭安裝有參考規。產生低校準壓力的必要條件是校準室壁的出氣率極低,為此校準室預先要在真空爐中825K高溫下除氣72h,校準室中本底壓力可達10-11Pa。該校準系統的量程和不確定度為: 10-10Pa、30%;10-9Pa 、15%; 10-8Pa 、10%。特別提及的一點是該校準系統需要裝配校準過的電離規,由此可見分子束法并不是絕對校準方法。
圖3 德國PTB 的分子束法UHV/XHV 校準系統結構圖
在開始校準前, 整個校準系統先在300 ℃～400℃下烘烤36h 左右,被校規除氣后連續工作15h以確保在器壁和電極表面達到吸附2解吸平衡。校準時在克努曾室的充氣壓力范圍為10-5Pa～10-1Pa。在該UHV/XHV校準系統上對兩個電離規(Helmer規和分離規)在10-5Pa～10-10 Pa 范圍內進行了校準。在動態流量法UHV 校準系統上在10-2Pa～10-7Pa范圍內對以上兩個規也進行了校準。
校準結果表明,在重疊區間10-5Pa～10-7Pa內,兩個校準系統具有很好的一致性( 校準偏差小于1%) 。
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