真空校準裝置的分流法原理

2008-12-06 郭美如蘭州物理研究所真空低溫技術與物理國家重點實驗室

分流法是在動態(tài)流量法基本原理的基礎上提出的。動態(tài)流量法基本原理是將氣體微流量計產(chǎn)生的已知氣體流量注入到校準室中,并通過一已知流導的小孔不斷抽氣,從而在校準室中產(chǎn)生可精確計算的動態(tài)平衡壓力,并以該平衡壓力作為標準壓力校準真空規(guī)。由于氣體微流量計流量測量范圍和校準室極限真空度所限,動態(tài)流量法的校準下限一般在10-6～10-7Pa之間。為了將真空規(guī)的校準下限延伸到10-10 Pa的極高真空范圍,提出了流量分流法基本思想,即將氣體微流量計提供的氣體流量引入到一個分流室中,然后再通過分流室上兩個分子流流導相差100～1000 倍的小孔將氣體流量分流到XHV 校準室和UHV 校準室中,XHV 校準室分流的氣體流量占1%～0.1%,UHV 校準室占99%～99.9%, 這樣當UHV 校準室中的校準下限為10-7時,XHV 校準室中的校準下限為10- 9～10- 10 Pa。

先考慮不分流的情況, 假設某一恒定氣體流量全部注入到XHV 校準室中, 并通過一已知流導小孔連續(xù)抽氣, 則會在校準室內(nèi)建立起可精確計算的動態(tài)平衡壓力。如果校準室中處于等溫狀態(tài), 氣體分子各向同性, 均勻分布, 校準室內(nèi)氣體壓力滿足公式( 1) 。

式中Q—— —注入校準室的氣體流量, Pa·m3/s

Q0 —— —校準室內(nèi)表面的放氣率, Pa·m3/s

pu —— —校準室內(nèi)的氣體壓力, Pa

Sg —— —被校真空規(guī)的抽氣速率,m3/s

pl —— —抽氣室中的氣體壓力,Pa

C9—— —校準室和抽氣室之間小孔9的流導,m3/s

V—— —校準室的容積,m3

dpu/dt—— —校準室中壓力隨時間的變化率,Pa/s

當滿足以下條件時,可以將公式(1)進行簡化:

(a)校準室內(nèi)表面的放氣率Q0小于最低校準壓力時注入氣體流量Q的1/100;

(b)被校真空規(guī)的總抽氣速率小于校準室抽氣小孔流導值的1/100;

( c) 在校準過程中, 校準室中的壓力波動小于1/100。

當校準室中氣體壓力達到動態(tài)平衡時,即dpu/dt等于0,公式(1)可簡化為公式(2)

式中: Rp —— —返流比。

從公式( 3) 可以看出, 當小孔流導C9 和返流比Rp確定之后,只能通過減小流量Q的值來延伸壓力校準下限,固定流導法氣體微流量計就是為此目的而設計的, 其流量測量下限為10-9 Pa m3/s。盡管如此, 采用固定流導法氣體微流量計,壓力校準下限也只能到10-8Pa。

為了進一步將壓力校準下限延伸到10- 10 Pa,采用了前面所述的流量分流法思想,即將固定流導法氣體微流量計提供的氣體流量引入到分流室, 再通過分流室上的兩個小孔15 和23 分流到XHV 校準室和UHV 校準室中。通過實際測定, 在研制的校準裝置中, 大約99.5%的氣體流量被分流到UHV 校準室中, 只有大約0.5%的氣體流量被分流到XHV 校準室中, 從而將XHV校準室中的壓力校準下限延伸到10-10 Pa。采用分流法后, XHV 校準室中的氣體壓力由公式( 4) 計算。