動態(tài)流量法超高真空標(biāo)準(zhǔn)裝置

2009-11-20 李旺奎蘭州物理研究所

1、動態(tài)流量法超高真空標(biāo)準(zhǔn)裝置的工作原理

　　動態(tài)流量法用于高真空和超高真空區(qū)間的一種校準(zhǔn)真空規(guī)的絕對校準(zhǔn)方法。在分子流條件下，連續(xù)地注入已知流量Q的氣體于校準(zhǔn)室中，并通過已知流導(dǎo)C的小孔進(jìn)行抽氣，從而在校準(zhǔn)室內(nèi)建立起可精確計(jì)算的動態(tài)平衡壓力p。

　　如校準(zhǔn)室中的氣體處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)，則有：

Q+Q₀-pSg-(p-pe)C=V dp/dt (1)

　　式中Q為注入的氣體流量(PaL/s);Q0為校準(zhǔn)室內(nèi)表面的放氣量(PaL/s);p為校準(zhǔn)室內(nèi)的壓力(Pa) ; Sg為被校真空規(guī)的抽氣速率(L/s),pe為抽氣室內(nèi)的壓力(Pa);C為校準(zhǔn)室出口小孔的流導(dǎo)(L/s),V為校準(zhǔn)室的體積(L),dp/dt為校準(zhǔn)室壓力隨時(shí)間的變化速率(Pa/s)。

　　如能滿足下列條件: (1) Q0 <1%Q; (2)泵的抽速 Sp>50C; (3)Sg<1%C;(4)校準(zhǔn)室內(nèi)表面積≈小孔面積1000倍。

　　當(dāng)壓力穩(wěn)定平衡(dp/dt=0)時(shí),則式(1)可簡化為

　　p = Q/C (2)

　　由式(2)可知,用微流量計(jì)精確測量Q和根據(jù)分子流理論由小孔直徑和厚度計(jì)算出C,就能得出p值。

　　作為計(jì)量標(biāo)準(zhǔn),計(jì)算公式越簡單,其準(zhǔn)確度就有可能越高。但要得到此簡單的公式,就必須滿足上述一些條件,這就是本標(biāo)準(zhǔn)裝置的設(shè)計(jì)難點(diǎn)和研制關(guān)鍵。

2、動態(tài)流量法超高真空標(biāo)準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)

　　動態(tài)流量法超高真空標(biāo)準(zhǔn)裝置由校準(zhǔn)系統(tǒng)、微流量計(jì)系統(tǒng)、抽氣系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)四部分組成,如圖1所示(控制系統(tǒng)未畫入)。圖中Ⅰ為流量計(jì)系統(tǒng); Ⅱ?yàn)樾?zhǔn)和主抽氣系統(tǒng); Ⅲ為前級抽氣系統(tǒng)。1,21 為機(jī)械泵;2,13為渦輪分子泵;3為基準(zhǔn)室;4為可變?nèi)莘e室;5為活塞;6為ACD G,7 為DCD G;8為裸規(guī);9為入口室;10為裸規(guī)室;11 為校準(zhǔn)球室;12 為離子泵;14 ,16為插板閥;15為抽氣室;17為低溫泵;18為鈦升華泵;19為冷阱;20為羅茨泵。

2.1、校準(zhǔn)系統(tǒng)

　　根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO3570/1)的要求和我們多年的理論研究成果,校準(zhǔn)系統(tǒng)按照四球結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。校準(zhǔn)室、入口室和裸規(guī)室采用球形結(jié)構(gòu) ,抽氣室為滿足內(nèi)切球要求的圓柱形結(jié)構(gòu)。

　　在校準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中,進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬設(shè)計(jì) ,選擇最佳的結(jié)構(gòu)尺寸 ,使校準(zhǔn)室中的氣體盡可能接近于熱力學(xué)平衡狀態(tài),以減小分子流場的不均勻分布和分子束射效應(yīng)。

　　校準(zhǔn)球室的直徑為500mm ,內(nèi)表面積為7854cm²,有10個(gè)法蘭孔 ,用于安裝被校真空規(guī)。入口球室和裸規(guī)球室連接在校準(zhǔn)球室上,直徑為150 mm。小孔安裝在校準(zhǔn)球室與抽氣室連接的位置上。

　　氣體注入入口球室 ,經(jīng)此室散亂后 ,再經(jīng)小孔注入校準(zhǔn)球室 ,以降低分子束射效應(yīng)。

　　裸規(guī)球室實(shí)際是一個(gè)壓力平衡轉(zhuǎn)換器 ,為了防止入射的氣體分子直接進(jìn)入規(guī)管的電離區(qū) ,氣體分子通過一擋板進(jìn)入裸規(guī)球室內(nèi)。

　　小孔直徑為3.2939cm,厚為0.252mm,兩者比為1/131。孔面積為8.521cm²。孔面積與校準(zhǔn)球室內(nèi)表面積之比為1.08×10^-3,接近1/1000。小孔流導(dǎo)C=99.186L/s(N2) 。抽氣室為直徑 500 mm ,高 500 mm的圓柱形 ,其體積大于校準(zhǔn)室的體積。

2.2、氣體微流量計(jì)系統(tǒng)

　　恒壓式氣體微流量計(jì)系統(tǒng)用于產(chǎn)生和測量氣體流量Q,流量范圍3×10^-3～1×10^{- 8}Pa m³/s,不確定度<2%。恒壓不穩(wěn)定度為0.01%。

2.3、抽氣系統(tǒng)

　　獲得10^-9Pa的極限真空是一項(xiàng)十分復(fù)雜的技術(shù) ,對于一個(gè)較龐大的真空系統(tǒng)來說更是如此。抽氣系統(tǒng)由主抽氣機(jī)組、前級抽氣機(jī)組、管道和閥門組成。主抽氣機(jī)組由低溫泵、鈦升華泵、分子泵、濺射離子泵、插板閥等組成。前級抽氣機(jī)組由羅茨泵、擋油阱、機(jī)械泵等組成。

　　主抽泵為φ500mm口徑的制冷機(jī)低溫泵 ,對氮?dú)?N2)的抽速為16m³/s,對小孔的有效抽速為6.6m³/s,遠(yuǎn)大于小孔流導(dǎo)值的50倍。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1.5m³/ s的分子泵作為烘烤時(shí)的抽氣泵。同時(shí)選用一臺15m³/s的液氮冷凍升華泵和一臺0.4m³/s的濺射離子泵作為獲得極限真空的輔助泵。前級泵是一臺抽速為100 m³/h的羅茨泵和一臺50 m³/h 的雙級旋片泵。