分子泵性能測試的工程誤差探析
針對當前普遍采用的分子泵抽氣性能測試方法與程序，討論用升壓法測量渦輪分子泵壓縮比時實測計算值與真實值之間客觀存在的差異，并討論用其測量復合分子泵壓縮比的可行性；分析用滴管流量計法測量分子泵(渦輪分子泵和復合分子泵)抽速時可能產生的直接或間接的誤差，并提出消除此類誤差的基本思路，基于此思路，在實際工程中可得到科學可靠的更能客觀反映產品性能的測試數據。
分子泵能耗低，使用方便，易維護，其在分子流區域( 渦輪分子泵) 和接近分子流區域( 復合分子泵)有穩定的抽氣性能，廣泛應用于高能加速器、重粒子加速器、可控熱核反應裝置、等離子體物理空間研究、原子束分子束系統、表面物理和分析儀器、高級電子元器件制造、半導體和光學元器件制造、真空鍍膜、真空冶煉等涉及真空技術的電子、冶金、化工、科研等眾多領域。
分子泵主要抽氣性能指標包括最低工作壓力、壓縮比與抽速。根據當前普遍采用的分子泵性能測試方法與程序，最低工作壓力采用直接法測量，壓縮比采用升壓法測量，抽速采用流量法或標準流導法測量，而這三項指標的測量，從理論上分析是可行的，但在實際工程測量中，根據實際測量條件，對于渦輪分子泵，壓縮比的測量值與真實值之間存在較大的差異； 而無論是渦輪分子泵或復合分子泵，基于滴管流量計法的抽速的測量值與真實值之間也存在直接或間接的誤差，本文將逐一進行分析討論。
1、壓縮比測量
壓縮比測量采用升壓法，通過向被測泵的前級真空側充入被測氣體以改變前級壓力與入口壓力，壓縮比由兩者變化量之比值衡量，測量過程中需先建立最低工作壓力。
設最低工作壓力為p01，對應前級壓力為p02( 此處p01、p02即為本底值) ，第i(i=1，2，3，4.....) 次充氣后，入口壓力變為p i1，變化量為Δpi 1，前級壓力變為pi 2，變化量為Δp i2，對應的壓縮比為Ki，則有
最大壓縮比K max= max(K 1，K 2，，，，Ki ) 。
《GB/T 7774-2007 真空技術渦輪分子泵性能參數的測量》中關于壓縮比的測試規程未對前級壓力的充氣量作詳述，但根據理論研究和實踐證明，為了消除本底值對測量的影響，通過第一次對前級真空側充氣后，應保證對應的入口壓力
p11= 2 p01 ( 2)
也即Δp 11=p01 ( 3)
而對第二次( 含) 以后的充氣量則不作嚴格規定。實際工程產品中，考慮到實際應用意義，加之由于條件所限，一般不對泵作極限壓力( 無限制拖動和烘烤后，測試罩中最終趨近的壓力值； 相比最低工作壓力而言，此值在工程應用中意義不大) 檢測，而對最低工作壓力的檢測有嚴格的規程和限制條件，其值是一個條件限制值而非趨近值，目前市場上的分子泵最低工作壓力一般為10-6~ 10-7 Pa 量級。
假定一臺壓縮比為1.0 × 108 量級的分子泵(復合分子泵或渦輪分子泵) ，對壓縮比進行測量時，其建立的最低工作壓力為p01= 1.0 × 10-6 Pa，前級壓力為p02= 0.1 Pa，按規定對前級第一次充氣升壓后，由式(1)-式(3) 可得：入口壓力p11= 2 × p01= 2.0× 10-6 Pa，變化量Δp11= p 01= 1.0 × 10-6 Pa，則前級壓力應為p12= 1.0 × 108 × 1.0 × 10- 6+ p 02= 100.1Pa，由此可見，即使忽略前級壓力的本底值p02，前級壓力都已跨越過渡流進入粘滯流。
由分子泵的抽氣機理易知，渦輪分子泵僅在分子流態時有穩定的抽氣性能，而在過渡流或粘滯流時，抽氣性能急劇劣化，在實際測量計算渦輪分子泵的壓縮比時，通過第一升壓后，前級處于過渡流或粘滯流，泵的最末幾級( 壓縮級) 有一部分處于/ 未工作0狀態，因此此時測量計算的壓縮比值并不能表征真實值，這也是"GB/T 7774-2007中特別指出強烈建議使用另外一臺分子泵或擴散泵作為前級泵以確保被測泵出口壓力處于分子流態時測量才有意義0的緣故； 但若要保持前級壓力一直處于分子流態，假定第一次升壓后前級壓力為0.1 Pa，則要能真實準確測量計算壓縮比為1.0 × 108 量級的渦輪分子泵壓縮比，即使忽略前級本底值，入口壓力本底值( 最低工作壓力) 應為1.0 × 10- 9 Pa； 但由前文所知，最低工作壓力是一個條件限制值，一般不可能達到10- 9 Pa 量級，因此目前采用的升壓法測量渦輪分子泵的壓縮比，其測量計算值是不準確的，實際工程中也很難準確測出真實的壓縮比值。通過理論研究和實踐證明，目前采用升壓法測量渦輪分子泵的壓縮比，測量計算值會比真實值降低1~ 2 個數量級，若測量過程中升壓間隔時間不當，導致入口壓力與前級壓力未達穩態，則測量計算值會降低得更多。需要特別指出的是： 與渦輪分子泵不同，復合分子泵由于牽引級的存在，不但可工作在分子流，而且還可工作在過渡流或粘滯流，前級壓力變為過渡流或粘滯流時對泵的抽氣性能并無影響，因此用升壓法測量計算復合分子泵的壓縮比是極為可行的，其測量計算值趨于真實值，且被測泵前級是否配置另一臺分子泵或擴散泵并無關系。
2、抽速測量
2.1、滴管流量計工作原理
分子泵入口壓力大于10-4 Pa 時采用流量法測量計算抽速，而流量法普遍采用的流量計為滴管流量計，其裝置如圖1 所示。
圖1 滴管流量計測試裝置
以下簡述其流量測量原理：假定測量過程中環境溫度與測試裝置溫度處于同一恒定狀態，在一次測量周期內，任一時刻t ，滴管內氣體量為G，則有
G=f(t) ( 4)
令滴管直徑為d，微調閥到滴管初始液面之間的密閉體積為V0，當地大氣壓為p at ，測量用液體密度為Q( 一般要求用20℃時運動黏度低于3 × 10- 5 m2/ s 的油) ，重力加速度為g，并作如下規定： 初始時：t 0 時刻，滴管零刻度線、滴管內液面、貯液槽液面三者平齊，易知，此時滴管內氣體壓力為p at； 測量計時開始時：t 1 時刻，滴管內液面上升高度為h1，微調閥到滴管液面之間的密閉體積為V1，滴管內氣體壓力為p 1，氣體量為G 1； 測量計時終止時：t 2 時刻，滴管內液面上升高度為h2，微調閥到滴管液面之間的密閉體積為V2，滴管內氣體壓力為p 2，氣體量為G2； 則有從t 1 時刻到t 2 時刻的測量時間內，滴管內液面凈上升高度
此ΔG 即為Δt = t 2- t1 時間內輸送到測試罩被泵抽走的氣體量。在Δt 時間內的平均氣流量為
若h1= 0，即測量開始計時時，滴管內液面與貯液槽液面平齊，則對于一給定滴管和選定的測量用油，d、Q、V0 已知，滴管常數K 與p at、Δh 分別成一次函數關系，可表示為：
測出p at、Δh，可方便計算出K 。流量計裝置出廠時，一般會預先約定一個Δh值，然后根據幾個不同的常用p at值計算出對應的K值，方便工程應用中查閱。式(12) 可簡化為
查出K 值后，可方便求出抽速S ，這正是實際工程中滴管流量法測試抽速的計算式。根據預先計算的K 值，下文分析其直接或間接的工程誤差。
2.2、工程誤差分析
在抽速實際測試中，工程誤差的產生是多方面的，此處僅分析討論滴管流量計裝置本身存在的工程誤差和人為操作不當可能產生的工程誤差( 不含正常的客觀存在的讀數等誤差) 。
2.2.1、毛細管現象
真空測量用滴管流量計一般為小直徑玻璃管，由于毛細管現象的存在，起始狀態下，滴管內液面與貯液槽液面存在一定的高度差，且滴管直徑越小，高度差越明顯； 在其他條件滿足的情況下，毛細管現象將間接影響式(13) 中p at與V0，進而影響K 值，不過實踐證明，只要滴管內徑不過于小，其測量中產生的毛細管現象誤差較小，在工程中可以忽略不計。
2.2.2、貯液槽液面變化
實際測量時，由于滴管內液面上升，貯液槽液面比起始狀態稍有下降，直接影響式(13) 中h1，隨著滴管內液面上升，h1 將比初始狀態增大，真實的K值要小于預先計算的K 值，不過由于貯液槽面積遠大于滴管截面積，貯液槽液面下降高度在工程中可忽略不計。
2.2.3、滴管零刻度線初始位置
在測量中的初始狀態，滴管放置不當，導致滴管零刻度線與貯液槽液面不平齊，將直接影響式( 13)中V0； 若零刻線處于液面以下，則實際的V0 將小于預先給定的V0，真實的K 值要小于預先計算的K值； 反之，若零刻線處于液面以上，則實際的V0 將大于預先給定的V0，真實的K 值要大于預先計算的K 值。
2.2.4、h1 影響
預先計算滴管常數K 值時，是基于h1= 0 即測量開始計時時，滴管內液面與貯液槽液面平齊的先決條件，但在實際工程測試中，為了便于計時，一般都是從某一個高度h1( h1 > 0) 開始計時，此種情況下，由式(13) 易知，真實的K 值要小于預先計算的K值。
2.2.5、Δh 影響
預先計算滴管常數K 值時，約定了恒定的液柱凈上升高度Δ h 值，由式(13) 易知，若測量選取的液柱凈上升高度大于預先約定Δh，真實的K 值要小于預先計算的K 值； 反之，若測量選取的液柱凈上升高度小于預先約定Δh，真實的K 值要大于預先計算的K 值。
2.2.6、膠管處漏氣
在裝置中，若膠管與微調閥或/ 和膠管與滴管連接處有微漏，在其他條件滿足的情況下，輸送到測試罩被泵抽走的氣體量要大于計算值，因此泵的實際抽速要大于計算抽速。
2.3、誤差消除思路
針對在滴管流量計裝置操作過程中可能帶來的測量誤差提出以下消除思路：
(1) 對滴管常數K 值提前計算以便簡化抽速計算，在測量過程中實時滿足預先計算K 值時的先決條件并遵從預定的操作規程，如保證初始狀態下滴管零刻線與液面平齊、開始計時時滴管內液面與貯液槽液面平齊、每次測量的液柱凈上升高度與預先計算K 值時的Δh 相同等等。顯然，預先計算K值時，限制條件較多，操作不便。
(2) 對滴管常數K 值不作提前計算，而根據實際測量中各相關參數的實測值按照式(12) 實時計算，顯然，抽速計算雖相對較繁瑣，但不受約定條件限制，操作簡單，讀數、計時方便，數據可靠。
(3) 測量開始前，對流量計密閉空間進行檢漏，確保漏率不大于10-7 Pa.L/ s 量級。
3、總結
用目前普遍采用的升壓法測量渦輪分子泵的壓縮比時，在實際工程中，難以測出真實壓縮比值，一般測量計算值會比真實值降低1~ 2 個數量級或更多，但用此法測試復合分子泵的壓縮比時，較為準確，測量計算值趨于真實值。用滴管流量計法測量分子泵抽速時，務必滿足預先計算K 值時的先決條件并遵從預定的操作規程，同時確保流量計密閉空間有良好的密封性，否則，將產生不可忽略的工程誤差； 在工程應用中，為了減小此類誤差并不受條件或規程的約束，建議對K 值不作預先簡化計算，而根據實際測量中各相關參數的實測值按照式(12) 實時計算，誤差小，數據可靠，這已在本公司近幾年新研制的幾種新型分子泵測試中得到了很好的驗證。
