采用流量计测量复合分子泵抽速装置研制
本工作研制了一台采用流量计测量复合分子泵抽速的装置。本装置由测试台车、机柜、计算机自动控制和数据采集处理系统三部分组成。选用3 个高精度流量计，满量程分别为1000 sccm、100 sccm 和10 sccm，并联组成流量计组件用于测量输入气体的流量，选用高精度的复合真空计测量真空测试罩内气压。抽速测试结果显示，一台1200 L/s 的复合分子泵N2抽速重复测量5 次，14 个气压测试点对应的抽速的最大相对标准偏差小于2%，重复性好。抽速测量的误差主要由流量计和真空计的系统误差决定。采用流量计测量一台分子泵在真空度2.00×10-3 Pa~2.00 Pa 范围的抽速，测量时间20 min 以内。
全玻璃真空太阳集热管制备工艺过程中，广采用三靶镀膜机在集热管内管外表面上沉积金属陶瓷太阳选择性吸收涂层，镀膜真空室采用油扩散泵抽高真空。章其初等人在开发集热管自动连续镀膜线时，采用复合分子泵替代油扩散泵抽高真空获得成功，并产业化推广。另外，王双等人在集热管自动连续烘烤排气线上，采用复合分子泵替代油扩散泵抽高真空试验也获得了成功，并已广泛应用于工业生产中。磁控溅射镀膜工艺在气压1.0×10-1 Pa~1.0 Pa 范围，集热管排气工艺在气压1.0×10-2 Pa~1.0 Pa 范围，因此1.0×10-2 Pa~1.0 Pa 气压范围的分子泵抽速对镀膜线的设计、镀膜工艺以及排气工艺的研究至关重要。
1987 年制定的国标GB 7774-87《涡轮分子泵性能测试方法》，规定充入泵内的气体流量按照1986 年制定的国标GB 6307.1-86《蒸汽流真空泵抽气速率体积流率测试方法》进行测量。采用滴管式流量测量装置，测量油柱上升的高度和时间，间接表述流量值。张璠等人详细研讨了滴管式测量流量和计算抽速的方法。上述分子泵抽速的测量方法在本文中简称为“滴管法”。如测量名义抽速为1600 L/s 的复合分子泵，采用阿尔卡特公司发表的抽速数据，我们计算得到，气压为1 Pa 时，流量为1429 Pa·L/s，需要300 mL 的大容量滴管或替代滴管的玻璃器皿;气压为3×10-3 Pa 时，流量为4.8 Pa·L/s，仅为1 Pa 时流量的1/300，需要容量仅为5 mL 的滴管，油柱上升的高度和时间测量误差大，因而导致抽速测量误差大。采用滴管法测量抽速时，在不同气压测量点需更换不同规格的滴管，操作繁琐，耗时长，约4 h，国内分子泵制造厂当前均采用滴管法进行抽速测量。2007 年制定的国标GB 7774-2007《涡轮分子泵性能参数的测量》中，规定采用流量法和标准流导法测量抽速。
本工作设计研制了一台采用流量计测量复合分子泵抽速的装置，采用流量计组件输入测试气体至真空测试罩。测量了名义抽速为1200 L/s 的复合分子泵在2.00×10-3 Pa~2.00 Pa 气压范围的抽速。
1、抽速测试原理
真空装置的气体流量Q 与真空室的气压P和真空泵的有效抽速V 有如下基本关系式：
Q = P×V (1)
复合分子泵抽速测量过程中，当真空测试罩内的本底气压远远小于抽速测量时的气压，利用公式(1)可以得到如下分子泵抽速的表达式，
V(P) = Q(P)/P (2)
式中Q 为充入测试罩内的工作气体流量(Pa·L/s)，P 为测试罩内气压(Pa)，V 为复合分子泵的有效抽速(L/s)。流量Q 和抽速V 均与气压P 相关。
选择合适的流量计是决定抽速测量精度的关键之一。若已知分子泵不同气压下的抽速，利用公式(1) 可以计算得到不同气压下的气体流量。引言中提到的镀膜线、排气线分别采用国产名义抽速为1600 L/s、1200 L/s 的复合分子泵抽高真空。因此，作为例子本工作分别选用阿尔卡特公司产品手册中1600 L/s(型号ATH1600M)和1200 L/s(型号ATH1200M)的两种复合分子泵的抽速随气压变化数据，利用公式(1)计算得到其在3×10-3 Pa~1 Pa 气压范围的工作气体N2 流量Q(Pa·L/s)，如表1 所示。表中同时给出了以sccm(流量计常用单位)为单位的流量值。由表1 可以看出，ATH1600M 型分子泵抽速在气压3×10-3 Pa~1 Pa 对应的N2 流量为2.9 sccm~860.8 sccm。因此应选用满量程为1000 sccm的流量计才能满足该分子泵在1 Pa 时的抽速测量。但是，该分子泵在3×10-3 Pa 时的流量仅为2.9 sccm。因此测量分子泵从3×10-3 Pa~1 Pa 气压范围的N2 抽速，要选择若干个不同满量程的流量计组成流量计组件才能获得较高的抽速测量精度。
表1 阿尔卡特ATH1200M 和ATH1600M 型复合分子泵不同气压对应的流量值
5、结论
本工作研制了一台采用流量计测量复合分子泵抽速的装置。本装置由测试台车、机柜、计算机自动控制和数据采集处理系统三部分组成。气瓶经减压阀输出的气体，通过流量计组件，进入测试罩。流量计组件由3 路高精度质量流量计并联组成，满量程分别为1000 sccm、100 sccm和10 sccm。选用高精度的复合真空计测量测试罩内气压，该真空计为六位LED 数字显示，采用科学计数法，显示小数点后两位。真空计及配套电离规、电阻规由国家认证的权威检测机构校准，校准装置的准确度等级为二等标准。
本工作测量的一台名义抽速为1200L/s 的国产复合分子泵，其N2 抽速曲线在3.00×10-2 Pa~2.00×10-1 Pa 范围出现了一个平台，抽速约为726 L/s，是最大抽速848 L/s(2.00×10-3 Pa 时)的86%，是名义抽速的61%。该平台可能是由复合分子泵涡轮级与牵引级之间的匹配没有达到最佳引起的。本装置测量抽速的重复性好，一台1200 L/s 的复合分子泵抽速重复测量5 次的标准偏差均小于2%。测量得到的抽速的误差主要由流量计和真空计的系统偏差决定，气压2.00×10-3 Pa~2.00 Pa 范围抽速的相对误差为6%。
采用本装置测量一台分子泵在2.00×10-3 Pa~2.00 Pa 气压范围的抽速，测量时间20 min 以内，与滴管法测量抽速相比测试效率大大提高。本装置也可用于分子泵和牵引泵(或称增压泵)的抽速测试。
