中國真空計(jì)量發(fā)展概述
回顧了近50 多年來中國真空計(jì)量的發(fā)展歷史。內(nèi)容包括真空(全壓力) 測(cè)量與校準(zhǔn)、分壓力測(cè)量與校準(zhǔn)、氣體微流量測(cè)量與校準(zhǔn),從中可對(duì)中國真空計(jì)量的歷史淵源和現(xiàn)狀有一個(gè)完整的了解。
1、引言
在中國,早在春秋末年,即公元前480～420年,墨子就提出了“間虛”的觀點(diǎn)。后來到漢朝,王允約在公元27～99 年,進(jìn)一步提出了“虛空”的概念。到了唐朝,大詩人劉禹錫在公元772～842 年對(duì)虛空概念作了進(jìn)一步闡述。他曾說:“空者,形之微也,”這是最早有記載的樸素而科學(xué)的真空概念。在公元281～361 年間,東晉的葛洪就在《肘后備急方》中記載了從戰(zhàn)國時(shí)期就采用的“拔火罐”醫(yī)療方式,這是利用氣體熱脹冷縮的原理來產(chǎn)生真空并應(yīng)用于醫(yī)療的例子。因此,中國在真空認(rèn)識(shí)和應(yīng)用方面都是最早的。然而近100 多年來,由于遭受侵略和長(zhǎng)期戰(zhàn)爭(zhēng)等原因,中國在真空技術(shù)方面發(fā)展緩慢,從而形成落后的態(tài)勢(shì)。盡管這樣,一些定居海外的中國人仍然在真空技術(shù)方面做出了重要貢獻(xiàn),例如何增祿在1932年提出了著名的何氏系數(shù)(抽速因子) [1] 。20 世紀(jì)50 年代初,壓縮式真空規(guī)在許多大學(xué)、科研單位和計(jì)量部門被應(yīng)用。電離規(guī)和其他一些真空規(guī)也在20 世紀(jì)50 年代被研制和生產(chǎn)。例如,清華大學(xué)曾研究和生產(chǎn)的B2A 型電離規(guī),其中一種可測(cè)量低至10 -12 Pa 的最低壓力[2] ;復(fù)旦大學(xué)的可通電除氣的B-A 規(guī)[3 ]和簡(jiǎn)式冷規(guī)[4 ]分別獲得1963 年國家科委四新獎(jiǎng)兩項(xiàng),當(dāng)時(shí)對(duì)真空工作者和規(guī)管生產(chǎn)單位(南京電子管廠) 是很大的鼓勵(lì)。經(jīng)過多年的努力,中國的真空計(jì)量已有了長(zhǎng)足發(fā)展。作者主要回顧了近50 年來中國真空計(jì)量的發(fā)展歷史,內(nèi)容包括真空(全壓力) 測(cè)量與校準(zhǔn)、分壓力測(cè)量與校準(zhǔn)、氣體微流量測(cè)量與校準(zhǔn)。同時(shí),隨著真空技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大,對(duì)真空計(jì)量?jī)x器的需求量也在逐年增加。
2、真空測(cè)量與校準(zhǔn)
2.1、中國真空(全壓力) 測(cè)量的起步階段
20 世紀(jì)50 年代至60 年代,國際上研制出多種真空測(cè)量規(guī),并且真空測(cè)量研究正處于一個(gè)活躍時(shí)期,這為中國真空測(cè)量的快速發(fā)展提供了可供借鑒的成熟經(jīng)驗(yàn)。在1957 年,中國就已經(jīng)有了完全自制的壓縮式真空規(guī)、熱陰極電離規(guī)、超高真空B-A 規(guī)、皮喇尼規(guī)和冷陰極電離規(guī)等多種真空測(cè)量工具[5] ,研究者不僅從理論方面,而且從實(shí)踐方面對(duì)這些真空規(guī)進(jìn)行了深入研究。
文獻(xiàn)[6]的作者對(duì)普通三極管型熱陰極電離規(guī)的理論作了詳細(xì)研究,分析和計(jì)算了熱陰極電離規(guī)的各種設(shè)計(jì)參數(shù),討論了熱陰極電離規(guī)的非線性問題,首先提出了拓寬熱規(guī)的高壓測(cè)量上限需要降低靈敏度的理論依據(jù)。文獻(xiàn)[7]對(duì)熱陰極電離規(guī)的性能進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究,為熱陰極電離規(guī)在中國的商業(yè)化奠定了基礎(chǔ)。這種真空規(guī)的測(cè)量范圍在10 - 1～10 - 5 Pa 。
1966 年,蘭州物理研究所還研制成功了具有中國獨(dú)特風(fēng)格的熱陰極中真空電離規(guī)。規(guī)管的電極采用平板正交軸對(duì)稱結(jié)構(gòu),電子加速極由一對(duì)平行相連的寬極板組成,離子收集極由一對(duì)平行相連的狹極板組成。2組極板在空間是互相垂直和軸對(duì)稱的,其軸線上有一直熱式敷氧化釔銥陰極。該中真空電離規(guī)測(cè)量范圍為10 - 4～50 Pa ,規(guī)管系數(shù)零散性小于10 %。
文獻(xiàn)[8.0]的作者對(duì)B-A 型電離規(guī)的理論和電特性進(jìn)行了研究,分析了B-A規(guī)在超高真空下的非線性和抽氣特性,使真空測(cè)量的下限延伸到10 -9 Pa 量級(jí)。X 射線效應(yīng)引起的殘余電流是限制B-A 規(guī)測(cè)量下限的一個(gè)重要因素,華中一在1964 年提出了一種消除X 射線效應(yīng)的超高真空電離規(guī)[11 ] 。在這種新結(jié)構(gòu)真空規(guī)中,陰極和收集極位于柵極的兩端,收集極外有一個(gè)屏蔽極,可將來自柵極的X 射線完全屏蔽,在理論上沒有X射線效應(yīng)的限制。這種規(guī)稱為軸向式熱陰極電離規(guī),后來有許多改進(jìn)和發(fā)展。
壓縮式真空規(guī)是20世紀(jì)60 年代中國真空測(cè)量研究的一個(gè)熱點(diǎn),許多研究者都做了報(bào)道。第一套(三只) 國家標(biāo)準(zhǔn)的壓縮式真空規(guī)在1962 年由國家科委計(jì)量局、上海計(jì)量局、復(fù)旦大學(xué)、上海玻璃廠合作制成[13 ] ,并通過國家鑒定。李旺奎在1964 年研制的壓縮式真空規(guī)[14] ,發(fā)現(xiàn)摩擦阻力是毛細(xì)管中水銀不規(guī)則運(yùn)動(dòng)的主要原因。因此,在毛細(xì)管內(nèi)表面涂一層3μm 油層(DC2704) ,徹底消除了毛細(xì)管中水銀運(yùn)動(dòng)的異常現(xiàn)象,并采用雙磨口閥門結(jié)構(gòu),徹底消除了水銀蒸氣流效應(yīng),能在1～10 - 3 Pa 范圍進(jìn)行絕對(duì)真空測(cè)量和對(duì)其他相對(duì)真空規(guī)進(jìn)行校準(zhǔn)。中國國家計(jì)量院也對(duì)原始的壓縮式真空規(guī)進(jìn)行了改進(jìn),防止了水銀蒸氣流效應(yīng)。
文獻(xiàn)[17 ]的作者對(duì)皮喇尼規(guī)的理論作了詳細(xì)研究,并對(duì)皮喇尼規(guī)的性能進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究,為皮喇尼規(guī)在中國的商業(yè)化奠定了基礎(chǔ)。當(dāng)時(shí)該規(guī)的測(cè)量范圍可達(dá)103～10 - 1 Pa 。
20世紀(jì)60 年代對(duì)冷陰極電離規(guī)也做了大量研究 ,包括潘寧規(guī)、磁控規(guī)和反磁控規(guī),還提出了一些新結(jié)構(gòu)冷陰極電離規(guī),如無磁場(chǎng)冷陰極電離規(guī)[22 ] 、正反磁控規(guī)[21] ,但這些冷陰極電離規(guī)只能覆蓋的測(cè)量范圍為102～10 - 6 Pa 。
2.2、20 世紀(jì)70 年代以來真空測(cè)量的發(fā)展
20 世紀(jì)70 年代,中國真空測(cè)量有了更大發(fā)展,真空測(cè)量工具的種類越來越多,商業(yè)化水平也越來越高。1971 年,北京真空儀表廠研制出一種熱陰極電離規(guī)[25 ] ,該規(guī)采用敷氧化釔的銥陰極擴(kuò)展上限,并采用新型電極結(jié)構(gòu),通過電參數(shù)和電極轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)一只規(guī)管測(cè)量10～10 - 7 Pa 的壓力。此后,在擴(kuò)展熱陰極電離規(guī)測(cè)量上下限方面做了大量研究工作,如1974 年清華大學(xué)研制的測(cè)量范圍為102～10 - 3 Pa 的高壓力電離規(guī)[26] ;1975 年,北京大學(xué)研制的測(cè)量范圍為102～10 - 4 Pa 的高壓力電離規(guī)[27 ] ;1975 年,陳建中研制的測(cè)量范圍為10～10
