真空校准装置的分流法原理

2008-12-06 郭美如兰州物理研究所真空低温技术与物理国家重点实验室

分流法是在动态流量法基本原理的基础上提出的。动态流量法基本原理是将气体微流量计产生的已知气体流量注入到校准室中,并通过一已知流导的小孔不断抽气,从而在校准室中产生可精确计算的动态平衡压力,并以该平衡压力作为标准压力校准真空规。由于气体微流量计流量测量范围和校准室极限真空度所限,动态流量法的校准下限一般在10-6～10-7Pa之间。为了将真空规的校准下限延伸到10-10 Pa的极高真空范围,提出了流量分流法基本思想,即将气体微流量计提供的气体流量引入到一个分流室中,然后再通过分流室上两个分子流流导相差100～1000 倍的小孔将气体流量分流到XHV 校准室和UHV 校准室中,XHV 校准室分流的气体流量占1%～0.1%,UHV 校准室占99%～99.9%, 这样当UHV 校准室中的校准下限为10-7时,XHV 校准室中的校准下限为10- 9～10- 10 Pa。

先考虑不分流的情况, 假设某一恒定气体流量全部注入到XHV 校准室中, 并通过一已知流导小孔连续抽气, 则会在校准室内建立起可精确计算的动态平衡压力。如果校准室中处于等温状态, 气体分子各向同性, 均匀分布, 校准室内气体压力满足公式( 1) 。

式中Q—— —注入校准室的气体流量, Pa·m3/s

Q0 —— —校准室内表面的放气率, Pa·m3/s

pu —— —校准室内的气体压力, Pa

Sg —— —被校真空规的抽气速率,m3/s

pl —— —抽气室中的气体压力,Pa

C9—— —校准室和抽气室之间小孔9的流导,m3/s

V—— —校准室的容积,m3

dpu/dt—— —校准室中压力随时间的变化率,Pa/s

当满足以下条件时,可以将公式(1)进行简化:

(a)校准室内表面的放气率Q0小于最低校准压力时注入气体流量Q的1/100;

(b)被校真空规的总抽气速率小于校准室抽气小孔流导值的1/100;

( c) 在校准过程中, 校准室中的压力波动小于1/100。

当校准室中气体压力达到动态平衡时,即dpu/dt等于0,公式(1)可简化为公式(2)

式中: Rp —— —返流比。

从公式( 3) 可以看出, 当小孔流导C9 和返流比Rp确定之后,只能通过减小流量Q的值来延伸压力校准下限,固定流导法气体微流量计就是为此目的而设计的, 其流量测量下限为10-9 Pa m3/s。尽管如此, 采用固定流导法气体微流量计,压力校准下限也只能到10-8Pa。

为了进一步将压力校准下限延伸到10- 10 Pa,采用了前面所述的流量分流法思想,即将固定流导法气体微流量计提供的气体流量引入到分流室, 再通过分流室上的两个小孔15 和23 分流到XHV 校准室和UHV 校准室中。通过实际测定, 在研制的校准装置中, 大约99.5%的气体流量被分流到UHV 校准室中, 只有大约0.5%的气体流量被分流到XHV 校准室中, 从而将XHV校准室中的压力校准下限延伸到10-10 Pa。采用分流法后, XHV 校准室中的气体压力由公式( 4) 计算。