ESI離子阱質(zhì)譜儀的三級(jí)梯度真空系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算設(shè)計(jì)
梯度抽氣的作用是形成一個(gè)真空度逐步提高（壓強(qiáng)逐漸減小）的工作環(huán)境。如前所述，三級(jí)真空度和泵的抽速已定�，F(xiàn)在只能通過(guò)改變?nèi)ト苊?xì)管、取樣錐和離子透鏡組的參數(shù)來(lái)最終取得所需的真空。
P2 = P1U/S （1）
式中U———管道流導(dǎo)
P1———前級(jí)真空腔(或大氣)壓力
P2———本級(jí)真空腔壓力
S———本級(jí)泵的抽速
通過(guò)上式可以看出，只要求出各級(jí)真空腔的流導(dǎo)就可以計(jì)算出相應(yīng)的真空腔壓力。
去溶毛細(xì)管流導(dǎo)計(jì)算
抽氣的最初階段，氣體的壓力和流速較高，流動(dòng)不穩(wěn)定，氣流漩渦時(shí)隱時(shí)現(xiàn)，這種狀態(tài)稱(chēng)為湍流；隨著壓強(qiáng)降低，氣流由湍流變成較規(guī)則的流動(dòng)，從管道的中心到管壁各部分具有不同速度流層氣體的粘滯力在流動(dòng)中起主導(dǎo)作用，這種流態(tài)叫做粘滯流；介于這兩種狀態(tài)之間的叫湍－粘滯流（過(guò)渡流）。通常用雷諾數(shù)對(duì)它們加以區(qū)分。經(jīng)計(jì)算，我們判斷出去溶毛細(xì)管的流導(dǎo)可以采用湍—粘滯流長(zhǎng)管流導(dǎo)的計(jì)算公式比較合理，由此推導(dǎo)公式如下：
U 為長(zhǎng)管粘滯流流導(dǎo)，d 為長(zhǎng)管的內(nèi)徑（cm），l 為管長(zhǎng)(cm)，P0 和P1 分別為大氣和一級(jí)真空的壓力。
取樣錐流導(dǎo)計(jì)算
當(dāng)氣體流動(dòng)進(jìn)入高真空范圍，氣壓進(jìn)一步降低，氣體分子平均自由程大于管道直徑時(shí)，氣體分子與管壁的碰撞為主，氣體流動(dòng)由各個(gè)分子的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)疊加而成，這種流動(dòng)稱(chēng)為分子流；發(fā)生在中真空區(qū)域，介于粘滯流與分子流之間的流動(dòng)狀態(tài)叫做粘滯—分子流。這些變化和管道的尺寸、氣體的性質(zhì)及溫度有關(guān)。為判斷管道氣體性質(zhì)的變化，我們通常采用克努曾數(shù)判據(jù)，經(jīng)計(jì)算得到流經(jīng)取樣錐的為粘滯－分子流（中間流）。取樣錐的流導(dǎo)可以近似按孔的流導(dǎo)計(jì)算，孔的中間流流導(dǎo)只和面積成正比關(guān)系。取樣錐的入口處于毛細(xì)管口后的超音速膨脹區(qū)，該處的壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一級(jí)真空腔內(nèi)的平均壓力，并且和真空腔內(nèi)部去溶毛細(xì)管和取樣錐的相對(duì)安裝位置有很大關(guān)系。我們將取樣錐入口的壓力校正系數(shù)也一同考慮到取樣錐流導(dǎo)的計(jì)算公式中，取樣錐的流導(dǎo)的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式：
U = 11.6×A （3）
A 為孔的面積（cm2）。
離子透鏡組流導(dǎo)計(jì)算
離子透鏡可以近似看作為一個(gè)短管進(jìn)行流導(dǎo)計(jì)算，按照上述的克努曾數(shù)判據(jù)計(jì)算，離子透鏡的流導(dǎo)應(yīng)當(dāng)按照分子流計(jì)算：
U = 11.6×A×α （4）
A 為孔的面積（cm2），α 為由管長(zhǎng)和管徑確定的系數(shù)，其具體值可由表1 查出。由上述參數(shù)可以算出離子透鏡中心孔的長(zhǎng)度為11 mm，中心孔徑的取值范圍為1～4 mm 之間。
通過(guò)上面幾個(gè)真空分隔部件的流導(dǎo)公式，再結(jié)合公式1，通過(guò)計(jì)算給出了不同設(shè)計(jì)參數(shù)的真空度計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)表2。
通過(guò)表2 的計(jì)算數(shù)值和設(shè)計(jì)指標(biāo)相比較，我們分別選用以下條件進(jìn)行運(yùn)算：內(nèi)徑0.425 mm和0.625 mm 的去溶毛細(xì)管，取樣錐孔直徑為1 mm和2mm，離子透阱中心孔徑1mm、2mm、3mm、4mm。
表1 短管分子流流導(dǎo)的α 取值表
表2 不同參數(shù)時(shí)的真空度計(jì)算結(jié)果
結(jié)合工作壓力應(yīng)選擇在低于極限壓力半個(gè)到一個(gè)數(shù)量級(jí)的原則，最終確定去溶毛細(xì)管長(zhǎng)度為180 mm，內(nèi)徑為0.425 mm。取樣錐頂端的孔的直徑為1 mm。離子透鏡的中心孔徑為2 mm。三級(jí)真空腔的理論真空度分別為51.18 Pa、0.301 Pa 和1.11×10- 4 Pa。最終實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證三級(jí)真空的真空壓力分別達(dá)到87 Pa、5.0×10- 1 Pa 和3.2×10- 4 Pa，這與理論計(jì)算值吻合的比較好，但均比理論值差一些，這是由于材料表面放氣和結(jié)構(gòu)漏氣率所造成的。以上這些數(shù)據(jù)表明，通過(guò)理論計(jì)算對(duì)真空設(shè)計(jì)是有十分重要的指導(dǎo)作用的。
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