流導調制法UHV/XHV校準系統結構與原理
流導調制法(CMM)實際上是一種動態流量法校準原理,但該方法可以補償由于泵自身的出氣引起的有效抽速S的下降,測量更精確,是一種基礎方法。
校準室中的壓力P通過下式計算
式中,Qi是引入校準室中的氣體流量, Qw是校準室器壁和真空規的出氣率, C是校準室和抽氣室之間的可變流導。
通常,一個泵具有固有(名義) 抽速SP,固有抽速不隨壓力變化,是常數。固有抽速SP和有效抽速S的關系為
式中,Qp為泵自身的出氣率。校準室中的壓力P的表達式可改寫為
電離規的靈敏度K與壓力P的表達式為
式中, Ii和Ie分別為氣相分子產生的離子流和電離規的發射電流。
在校準過程中,如果Qi 、Qw、Qp為常數,則電離規的靈敏度K可通過下式決定。
式中,ΔQi = Qi2- Qi1 ,ΔIi為離子流Ii 的變化量。圖5 所示為日本ULVAC的T. Arai 等于1995 年建立的一臺流導調制法UHV/XHV校準系統。
圖5 日本的流導調制法UHV/XHV校準系統結構圖
XHV 校準室采用0.248m ×0.372m 的柱形容器(體積0.021m3 ,總表面積0.61m2) ,由SUS304L不銹鋼制作而成。校準室裝配前預先在450 ℃下高溫真空除氣36h。
安裝在校準室和鈦泵之間的可變流導系統,由0.17m 的小孔和0.163m 的圓形擋盤組成,計算機控制直線電機帶動圓形擋盤上下移動,可移動的最大位移為距小孔平面40mm。可變流導C的值通過Monte-Carlo 模擬計算,流導范圍為0.817m3·s - 1～4.71m3·s - 1 。
抽氣機組由渦輪分子泵、鈦泵和低溫泵組成,校準室在220 ℃下烘烤48h 后,本底壓力可達10-10 Pa 。
校準時,真空室僅通過鈦泵(對H2 的抽速為8.0m3·s -1) 抽氣。校準氣體通過直徑為5 ×10- 5m 的小孔引入,小孔的流導通過穩壓室中的壓力衰減測量,對H2 的流導值為1.8 ×10 - 7 m3·s -1 。流量Qi 通過小孔的流導和穩壓室中的壓力計算,測量不確定度小于1 %。近年來,日本ULVAC 公司自行研制的極高真空電離規(AT 規) 的全部性能研究工作(包括校準、長期穩定性的研究等) 都是在該校準系統上進行的。目前AT 規已成為國際上測量下限最低(5 ×10- 11 Pa) 的商品化極高真空電離規。
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