抽速是決定低溫泵抽氣性能的關鍵參數,高質量的抽速測試結果可有效指導低溫泵的工程設計與實驗運行。介紹了低溫泵抽氣性能測試平臺的組成和抽速測量的基本原理,分析了壓力和充氣量的不確定度分量來源,研究了各不確定度分量的估計與合成,確定了低溫泵的抽速測量不確定度,給出了抽速測量結果的完整表述,探討了降低抽速測量不確定度、提高測量結果質量所采取的措施。研究結果對合理配置低溫泵抽氣性能測試平臺、優化實驗方案、提高抽速測量結果可靠性有指導意義。

1、引言

　　低溫泵的抽速是衡量低溫泵抽氣性能的重要指標,利用專門設計的低溫泵抽氣性能測試平臺,研究低溫抽氣面溫度、單位時間進氣量、氣體種類等因素對低溫泵抽速的影響,為低溫泵的設計與運行提供理論指導,具有非常重要的意義。而由測量不確定度原理和測量不確定度表示指南可知,測量不確定度既是表征測量質量的重要標志,也是判定測試水平高低、測試設備質量的一個重要依據,它表征合理賦予被測量之值的分散性,是與測量結果相關聯的參數,在測量結果的完整表述中,應包括測量不確定度^{[1, 2]} 。為了合理配置低溫泵抽氣性能測試平臺以提高抽速測量結果的可靠性,須研究其抽速測量不確定度。

2、低溫泵抽氣性能測試平臺的基本組成與抽速測量原理

　　所研制的低溫泵抽氣性能測試平臺示意圖如圖1所示,它主要由專門設計的低溫泵、測試罩、氦排氣壓力控制系統、真空測量儀表、充氣系統及輔助抽氣系統等部分組成。

圖1　低溫泵抽氣性能測試平臺示意圖

　　有關低溫泵抽氣性能測試平臺的研制詳情可參閱文獻^[3] ,此處只簡單介紹其各主要組成部分的功能。作為測試平臺關鍵部件的低溫泵,它以液氦(LHe)杜瓦底面作為低溫抽氣面,該泵的主要功能是以其低溫抽氣面的工作狀態模擬大型低溫泵低溫抽氣面的運行狀態,通過性能測試研究獲得該狀態下低溫抽氣面的抽氣性能,為大型低溫泵的設計與運行提供理論指導;抽速測試罩的主要功能是提供符合抽速測量標準的氣體流動條件,使測試抽速盡可能與泵的實際抽速吻合,本測試平臺的抽速測試罩為單規測試罩,結構尺寸按照美國真空協會推薦的低溫泵抽速測試罩制作標準^[4]設計制作,根據文獻^[5] ,采用單規法獲得的抽速測量結果更接近低溫泵本身的真實抽速;氦排氣壓力控制系統的主要功能是通過控制氦氣排氣壓力達到控制液氦杜瓦內的液氦的飽和溫度的目的,以實現對低溫抽氣面溫度的控制,為開展不同低溫抽氣面溫度條件下的低溫抽氣性能測試研究服務;真空壓力測量儀表的主要功能是監測實驗過程中測試罩特定點壓力的變化,為后續的抽速計算提供數據;充氣系統的主要功能是按照設定的進氣量通過測試罩上的充氣口向測試系統充入測試氣體;輔助抽氣系統為低溫泵的啟動運行提供預真空,并抽出低溫泵再生期間釋放的氣體。

　　低溫泵的抽速測量采用流量計法,其基本測量原理是利用專門設計的測試罩,通過分別測量不進氣和一定進氣量定量進氣條件下測試罩特定位置處的穩態真空壓力值P0 與P,利用專門的抽速計算公式來計算低溫泵的抽速。考慮到設計該低溫泵抽氣性能測試平臺的主要目的是研究低溫泵的抽氫能力,為聚變研究中用到的大型LHe低溫冷凝泵的設計和運行提供依據,而做LHe低溫冷凝泵抽氫性能測試時的P比P0 一般至少低1個量級,根據文獻^[6] ,為了不失一般性,采用抽速計算公式:

S =Q / ( P - P0 ) (1)

　　式中, Q為單位時間充氣量, P為與Q 相對應的、測試罩特定位置處真空壓力測量儀所測得的壓力值, P0 為Q = 0時真空室內的本底壓力。

3、低溫泵抽速測量的不確定度分析

　　為了提高抽速測試結果的可靠性,需要研究影響抽速測量不確定度的因素。根據低溫泵的抽速測量原理表達式(1) ,實測抽速S 通過測量真空室內的本底壓力P0、在給定的充氣量Q 下的壓力值P并加以計算得到,故抽速的測量不確定度取決于P、P0 和Q的測量不確定度。

3.1、壓力P的測量不確定度

　　傳統的真空壓力測量由真空規和真空計所組成的測量系統來完成,真空計為真空規提供符合要求的電力供應并對來自真空規的信號進行處理后予以顯示。由于科技的進步,現已實現真空規與傳統意義上的真空計的集成化,這種集成化處理后的真空壓力測量儀器,抗干擾能力強、穩定性好。本低溫泵抽氣性能測試平臺采用的是某公司生產的BCG 450型全量程壓力測量儀。此時,壓力P的測量不確定度由多個不確定度分量合成,它們分別為全量程壓力測量儀誤差所引起的不確定度分量、重復性所引起的不確定度分量、測量儀穩定性所引起的不確定度分量。

3.1.1、壓力測量儀誤差引起的不確定度分量

　　在正常的低溫泵抽氣性能測試實驗中,壓力測量儀工作在10^{- 2} Pa 以下,根據廠家提供的資料,在此壓力范圍內儀器精度為讀數的15% ,則由全量程壓力測量儀誤差所引起的不確定度分量可表示為:

　　式中, p為n 次重復測量的平均值, kp 為包含因子。壓力測量儀的示值誤差服從均勻分布,取包含因子k_p = 根號3 ,此時式(2)可表示為:

3.1.2、測量重復性引起的標準不確定度分量

　　由于壓力測量結果的重復性所引起的A 類不確定度分量s1P要根據實際測量數據得到。假設實際實驗過程中對應于給定充氣量Q的壓力P的測量次數為n,單次測量結果為pi ( i = 1, 2 ⋯n) ,則根據貝塞爾公式,測量結果p- 的標準差σ_1P為:

　　式中, p為n次重復測量的平均值, pi 為第i次測量的壓力值。s_1p =σ_1p ,自由度為n - 1。

3.1.3、壓力測量儀的穩定性引起的不確定度分量

　　穩定性通常指測量系統保持其計量特性隨時間恒定的能力。通常是通過對某一被測量在一段時間(遠遠超過實際測量時所需的時間)內測得值的變化來反映穩定性的影響。根據實驗觀察,所選壓力測量儀的穩定性好,由穩定性引起的不確定度分量對總體不確定度的貢獻可忽略,故不予考慮。