流導(dǎo)調(diào)制法UHV/XHV校準(zhǔn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

2010-01-14 李得天蘭州物理研究所

　　流導(dǎo)調(diào)制法(CMM)實(shí)際上是一種動(dòng)態(tài)流量法校準(zhǔn)原理,但該方法可以補(bǔ)償由于泵自身的出氣引起的有效抽速S的下降,測(cè)量更精確,是一種基礎(chǔ)方法。

　　校準(zhǔn)室中的壓力P通過(guò)下式計(jì)算

　　式中,Qi是引入校準(zhǔn)室中的氣體流量, Qw是校準(zhǔn)室器壁和真空規(guī)的出氣率, C是校準(zhǔn)室和抽氣室之間的可變流導(dǎo)。

　　通常,一個(gè)泵具有固有(名義) 抽速SP,固有抽速不隨壓力變化,是常數(shù)。固有抽速SP和有效抽速S的關(guān)系為

　　式中,Qp為泵自身的出氣率。校準(zhǔn)室中的壓力P的表達(dá)式可改寫(xiě)為

　　電離規(guī)的靈敏度K與壓力P的表達(dá)式為

　　式中, Ii和Ie分別為氣相分子產(chǎn)生的離子流和電離規(guī)的發(fā)射電流。

　　在校準(zhǔn)過(guò)程中,如果Qi 、Qw、Qp為常數(shù),則電離規(guī)的靈敏度K可通過(guò)下式?jīng)Q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(tái)流導(dǎo)調(diào)制法UHV/XHV校準(zhǔn)系統(tǒng)。

日本的流導(dǎo)調(diào)制法UHV/XHV校準(zhǔn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖5 　日本的流導(dǎo)調(diào)制法UHV/XHV校準(zhǔn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　XHV 校準(zhǔn)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(zhǔn)室裝配前預(yù)先在450 ℃下高溫真空除氣36h。

　　安裝在校準(zhǔn)室和鈦泵之間的可變流導(dǎo)系統(tǒng),由0.17m 的小孔和0.163m 的圓形擋盤(pán)組成,計(jì)算機(jī)控制直線電機(jī)帶動(dòng)圓形擋盤(pán)上下移動(dòng),可移動(dòng)的最大位移為距小孔平面40mm。可變流導(dǎo)C的值通過(guò)Monte-Carlo 模擬計(jì)算,流導(dǎo)范圍為0.817m³·s ^{- 1}～4.71m³·s ^{- 1} 。

　　抽氣機(jī)組由渦輪分子泵、鈦泵和低溫泵組成,校準(zhǔn)室在220 ℃下烘烤48h 后,本底壓力可達(dá)10^-10 Pa 。

　　校準(zhǔn)時(shí),真空室僅通過(guò)鈦泵(對(duì)H₂ 的抽速為8.0m³·s ^-1) 抽氣。校準(zhǔn)氣體通過(guò)直徑為5 ×10^{- 5}m 的小孔引入,小孔的流導(dǎo)通過(guò)穩(wěn)壓室中的壓力衰減測(cè)量,對(duì)H₂ 的流導(dǎo)值為1.8 ×10 ^{- 7} m³·s ^-1 。流量Qi 通過(guò)小孔的流導(dǎo)和穩(wěn)壓室中的壓力計(jì)算,測(cè)量不確定度小于1 %。近年來(lái),日本ULVAC 公司自行研制的極高真空電離規(guī)(AT 規(guī)) 的全部性能研究工作(包括校準(zhǔn)、長(zhǎng)期穩(wěn)定性的研究等) 都是在該校準(zhǔn)系統(tǒng)上進(jìn)行的。目前AT 規(guī)已成為國(guó)際上測(cè)量下限最低(5 ×10^{- 11} Pa) 的商品化極高真空電離規(guī)。