動(dòng)態(tài)流量法超高真空標(biāo)準(zhǔn)裝置
1、動(dòng)態(tài)流量法超高真空標(biāo)準(zhǔn)裝置的工作原理
動(dòng)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(duì)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(dòng)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(cè)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(dòng)態(tài)流量法超高真空標(biāo)準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)
動(dòng)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(jí)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(chǎng)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�？酌娣e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(cè)量氣體流量Q,流量范圍3×10-3～1×10- 8Pa 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(duì)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(jí)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(jí)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(duì)氮?dú)?N2)的抽速為16m3/s,對(duì)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(tái)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(tái)15m3/s的液氮冷凍升華泵和一臺(tái)0.4m3/s的濺射離子泵作為獲得極限真空的輔助泵。前級(jí)泵是一臺(tái)抽速為100 m3/h的羅茨泵和一臺(tái)50 m3/h 的雙級(jí)旋片泵。
3、結(jié)論
3.1、主要技術(shù)指標(biāo)
極限真空:1.7×10-8 Pa(校準(zhǔn)球室),6.5×10-9Pa(抽氣室);
校準(zhǔn)范圍:10-2～10-7Pa ;
不確定度: 3%(10-2～10-6Pa)～10%(10-7Pa)。
3.2、主要特點(diǎn)
(1)嚴(yán)格地符合國際標(biāo)準(zhǔn)ISO3570/1的技術(shù)要求 ,裝置準(zhǔn)確度高;
(2)經(jīng)過分子流場(chǎng)理論的研究和計(jì)算 ,提出四球結(jié)構(gòu)的總體方案 ,降低了分子流場(chǎng)不均勻分布和分子束射效應(yīng) ,校準(zhǔn)室中的氣體更接近于熱力學(xué)平衡態(tài) ,使此標(biāo)準(zhǔn)更具“絕對(duì)性”;
(3)恒壓式氣體微流量計(jì)采用計(jì)算機(jī)控制和數(shù)據(jù)采集及處理 ,解決了高精度恒壓問題(波動(dòng)0.01 %)和充分發(fā)揮所用精密測(cè)量儀器的潛能 ,使流量測(cè)量不確定度小(<2%);
(4)采用大流導(dǎo)小孔(約100 L/ s)和大抽速低溫泵(約6600 L/ s) ,擴(kuò)展了校準(zhǔn)下限 ,提高了壓力穩(wěn)定度。
