動態流量法超高真空標準裝置的性能測試
1、基本原理及要求
動態流量法是用于高真空和超高真空區間的一種絕對的真空校準真空規的方法。
動態流量法是連續地把已知流量的氣體注入校準室中，通過已知流導的小孔抽氣，在校準室內建立起可精確計算的動態平衡壓力的校準方法。
如果校準室中處于等溫狀態，氣體分子各向同性，均勻分布，采用前級流量法，則有
Q+Q0-PSg-(P-Pe)C=V△P/△t (1)
式中，Q為注入的氣體流量(Pa·L/s);Q0為校準室內表面的放氣速率(L/s);P為校準室內的壓力值(Pa);Sg為被校真空規的抽氣速率(L/s);Pe為抽氣室中的壓力值(Pa);C為校準室出口小孔的流導值(L/s)。V為校準室的體積(L);△P/△t為校準室壓力隨時間的變化速率(Pa/s)。
為了簡化式(1)，應滿足如下的基本條件: 1)校準室內的表面放氣速率Q0應小于最低校準壓力時注入氣體流量Q的1/100；2)抽氣室內對小孔的有效抽氣速率Se應大于小孔分子流流導C的50倍;3)被校真空規的總抽氣速率應小于校準室出口流導值的1/100;4)在校準過程中，校準室內每個校準點的壓力波動小于1/100。
如果滿足這些條件, 則式(1)簡化為
P=Q/C (2)
通過測量氣體流量Q,再由分子流理論計算出小孔的流導值C, 在校準室中就可得到計算的壓力值P。流量Q由恒壓式氣體微流量計測量。通過測量參考室壓力Pf, 活塞的運動速度△L/△t, 由下式計算流量
(3)
式中,Ap 為活塞的橫截面積; TQ為微流量計內的氣體溫度; Tr為參考溫度。
2、標準裝置
研制的動態流量法超高真空標準裝置主要由標準系統、恒壓式氣體微流量計和抽氣系統三部分組成, 如圖1所示。
2.1、校準系統
經過調研, 對國內外同類標準進行了分析和研究的基礎上, 提出了物理模型。運用計算機采用蒙特卡羅法和視角系數法進行了模擬計算和分析。設計了四球結構的校準系統, 它由入口球室、校準室、裸規校準球室和抽氣室組成。
2.1.1、校準室
校準室采用了球形結構, 直徑為500mm。在校準室的赤道位置上, 有10個法蘭孔, 用于被校真空規的安裝。球形結構是最理想的結構形式, 適合于絕對真空測量。具有如下的特點:
1)因為氣體分在整個球內是均勻分布的, 單位時間在單位面積上入射分子數(分子數/s·cm2)是相同的。
2)如果從球形結構上某處的入口孔注入按余弦分布的氣流, 并通過出口孔進行抽氣, 由于球中存在定向流動而畸變了各向同性分子流的分布。但是在球形結構中, 這種畸變是容易估算的。如果小孔的面積小于球面面積的1/1000, 球中定向流動的影響可以忽略不計。
3)球形結構上小面積的孔與無限大平面上的孔的性質極為近似, 基本符合理想小孔的條件。如果球面對入射分子按余弦定律散射, 小孔的面積遠小于球面面積(1/1000)和小孔厚度遠遠小于小孔的直徑, 那么小孔流導值就能精確計算。
校準室的總體積為0.53 m3, 大于被校規及連接管道的總體積的60倍。
2.1.2、抽氣室
抽氣室采用直徑為500mm,高度為800mm的圓筒容器,為丁字形結構。抽氣室體積為0.785m3,大于校準室的體積。
2.1.3、入口球室
氣體注入的入口球室位于校準室頂部, 入口孔在校準室赤道的極點上, 并對著校準室內壁。當氣體流量注入到入口球室時, 到少與球壁相碰一次再進入校準室中, 減小了分子束流效應。然后經過校準室與抽氣室之間的小孔由低溫泵抽走, 在校準室中將產生一個動態平衡壓力。
2.1.4、裸規校準球室
裸規校準球室實際上是一個壓力平衡轉換器。為了防止入射的氣體分子直接打到規管的電離區, 設計了屏蔽檔板, 至少經過一次碰撞后才能進入裸規校準球室。
2.1.5、小孔
小孔是圓形的, 直徑為3.2939cm。小孔橫截面積為8.521 cm2, 不確定度小于0.1%。校準室采用球形, 球的內表面積為7854 cm2。小孔橫截面積與球內表面積的比值為1.08×10-3,接近于 1/1 000, 基本上滿足標準規定的要求。小孔邊緣厚度為0. 252mm , 小孔邊緣厚度和孔徑之比值為1/131 小于的1/50, 滿足標準要求。小孔安裝在校準室與抽氣室之間的位置上, 并與校準室內切球面相割, 小孔流導C為99.186L/s (N2)。
2. 2、恒壓式氣體微流量計
恒壓式氣體微流量計用于產生已知氣體流量, 通過入口球室注入到校準室中, 為動態流量法提供標準流量。恒壓式氣體微流量計的測量范圍為2×10-3～10- 8Pa·m3/s, 不確定度小于2%。
2. 3、抽氣系統
抽氣系統由主抽氣系統、前級抽氣機組、管道和閥門組成。主抽氣系統由低溫泵、鈦升華泵、分子泵、濺射離子泵、插板閥等組成。前級抽氣機組由羅茨泵、擋油阱、機械泵等組成。
主抽泵為500mm口徑的制冷機低溫泵，對氮氣(N2)的抽速為16m 3/s, 對小孔的有效抽速為6.6m 3/s, 遠大于小孔流導值的50倍。使低溫泵的抽速波動對小孔流導的影響減小,保證了壓力的測量精度。在獲得極限真空的過程中需要300℃高溫烘烤48h。在主泵上配置了插板閥, 并用一臺抽速為 1.5 m3/s的分子泵作為烘烤時的抽氣泵。同時選用一臺 15m3/s的LN 2冷凍升華泵和一臺0. 4m 3/s的濺射離子泵作為獲得極限真空輔助泵。前級泵是一臺抽速100 m 3/h 的羅茨泵和一臺50 m3/h的雙級旋片泵。
