電容薄膜規(guī)(CDG)熱流逸效應(yīng)修正方法

2009-04-10 孫　海真空低溫與物理國家級重點實驗室

　電容薄膜規(guī)(CDG)的測量下限主要取決于分辨率和零點穩(wěn)定性,而溫度的變化會對零點穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響。為了改善CDG的零點穩(wěn)定性能,減少外界溫度變化對測量的影響,使用中,通常將傳感器恒溫控制在45 ℃。這時,傳感器所在的測量室與被測容器(溫度一般為23 ±3 ℃) 產(chǎn)生較大的溫差,從而產(chǎn)生了熱流逸效應(yīng),這使CDG的傳感器不能精確反映校準(zhǔn)室的實際壓強。

假定CDG連接在一個校準(zhǔn)容器上,連接管道的直徑為d 。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)的壓強處于穩(wěn)態(tài)時,CDG測量室內(nèi)的氣體壓強為P1 ,溫度為T1 ;校準(zhǔn)室內(nèi)的氣體壓強為P2 ,溫度為T2 。當(dāng)壓強較高時,氣體分子的平均自由程€λ 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于d ,系統(tǒng)內(nèi)氣體分子處于粘滯流狀態(tài)。當(dāng)兩室之間的氣體壓強處于平衡狀態(tài)時,兩室中雖然溫度不同,但壓強值相等,即

當(dāng)壓強較低時,氣體分子的平均自由程€λ遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于d ,系統(tǒng)內(nèi)氣體分子處于自由分子流狀態(tài)。當(dāng)平衡時,分子穿越兩室的幾率相等,則

Rk 稱為克努曾值,由此可見,在低壓強下,相連兩室的溫度不同導(dǎo)致壓強不同,這種現(xiàn)象即為CDG的熱流逸現(xiàn)象。

當(dāng)壓強適中時,系統(tǒng)內(nèi)氣體分子處于過渡流(克努曾流) 狀態(tài), 熱流逸效應(yīng)使得p2/p1介于1 和根號下T2/T1值之間,即

為了確定這一范圍內(nèi)壓強比p2/p1的準(zhǔn)確值, 國外很多學(xué)者進行過研究, 真空技術(shù)網(wǎng)也對此加以探討。本文定義p2/p1為CDG的校準(zhǔn)因子, 即CDG的示值壓強除以校準(zhǔn)室里的標(biāo)準(zhǔn)壓強, 標(biāo)準(zhǔn)壓強的測量和計算均根據(jù)文獻(xiàn)進行了溫度修正。

所有試驗在一臺靜態(tài)膨脹式真空校準(zhǔn)裝置上進行,裝置工作原理圖如圖1 所示。

圖1 　靜態(tài)膨脹式真空校準(zhǔn)裝置工作原理圖

該裝置通過直接比對以及一至三級膨脹,可以產(chǎn)生10- 5 Pa～105Pa的壓強,最佳校準(zhǔn)范圍為10^-4Pa～10⁴Pa 。直接比對法是將校準(zhǔn)室17、18 抽至某一本底壓強后,把石英規(guī)的測試口與17 或18 或17 加18 連通,關(guān)閉抽氣閥門,通過放氣閥向校準(zhǔn)室注入氣體,用石英規(guī)作為標(biāo)準(zhǔn)進行校準(zhǔn),石英規(guī)的最佳量程為20kPa～100kPa 。一級膨脹法是將氣體從3 或5 膨脹到17 或18 ,壓強由初始值衰減10^-2 (或10^-3) 倍。二級膨脹法是將氣體在一級膨脹的基礎(chǔ)上,由二級取樣小容器8 或12 在17 或18 中取樣,向另一大容器18 或17 膨脹,初始壓強衰減10 ^{- 4}～10 ^{- 6}倍。三級膨脹法是將氣體在一級膨脹的基礎(chǔ)上,由二級取樣小容器8 或12在17 或18 中取樣,然后將8 或12 隔離起來,將17或18抽空后再封閉起來,用8 或12中的氣體再次向17 或18 膨脹,最后用取樣小容器8 或12 在17 或18 中取樣,向另一大容器18 或17 膨脹,初始壓強衰減10^-6～10^-9倍。實驗用2.26 ×10 ^{- 2} Pa～2.88×10²Pa 的壓強通過一級膨脹和二級膨脹即可得到。

將MKS 公司生產(chǎn)的兩只滿量程133.33Pa 的絕壓式電容薄膜規(guī)(ACDG) 和一只滿量程1333.3Pa 的ACDG連接到校準(zhǔn)室1上, 連接管道內(nèi)徑為d =4.76mm。實驗氣體是純度為99.99 %的N2 、Ar和He 。

ACDG傳感器由熱控單元恒溫控制到廠家事先設(shè)定好的溫度T2 = 45 ℃。采用N2 、He 、Ar 三種氣體實驗時,校準(zhǔn)室的溫度分別為: (23.49 ±0.27) ℃、(21.78 ±0.20) ℃、(23.17 ±0.31) ℃。校準(zhǔn)室的溫度用12 只均勻分布在校準(zhǔn)室外壁的Pt100 鉑電阻溫度計測量,可以瞬時采集溫度數(shù)據(jù),測量標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.01 ℃。實驗的壓強范圍為2.26 ×10^{- 2} Pa～2.88 ×10²Pa ,標(biāo)準(zhǔn)壓強用一級膨脹和二級膨脹路徑獲得,實驗中校準(zhǔn)室本底壓強始終低于8 ×10 ^{- 6} Pa 。三只ACDG測量單一氣體的熱流逸曲線幾乎相同,圖2(a)、2(b)、2(c)顯示了實驗結(jié)果。