流导调制法UHV/XHV校准系统结构与原理
流导调制法(CMM)实际上是一种动态流量法校准原理,但该方法可以补偿由于泵自身的出气引起的有效抽速S的下降,测量更精确,是一种基础方法。
校准室中的压力P通过下式计算
式中,Qi是引入校准室中的气体流量, Qw是校准室器壁和真空规的出气率, C是校准室和抽气室之间的可变流导。
通常,一个泵具有固有(名义) 抽速SP,固有抽速不随压力变化,是常数。固有抽速SP和有效抽速S的关系为
式中,Qp为泵自身的出气率。校准室中的压力P的表达式可改写为
电离规的灵敏度K与压力P的表达式为
式中, Ii和Ie分别为气相分子产生的离子流和电离规的发射电流。
在校准过程中,如果Qi 、Qw、Qp为常数,则电离规的灵敏度K可通过下式决定。
式中,ΔQi = Qi2- Qi1 ,ΔIi为离子流Ii 的变化量。图5 所示为日本ULVAC的T. Arai 等于1995 年建立的一台流导调制法UHV/XHV校准系统。
图5 日本的流导调制法UHV/XHV校准系统结构图
XHV 校准室采用0.248m ×0.372m 的柱形容器(体积0.021m3 ,总表面积0.61m2) ,由SUS304L不锈钢制作而成。校准室装配前预先在450 ℃下高温真空除气36h。
安装在校准室和钛泵之间的可变流导系统,由0.17m 的小孔和0.163m 的圆形挡盘组成,计算机控制直线电机带动圆形挡盘上下移动,可移动的最大位移为距小孔平面40mm。可变流导C的值通过Monte-Carlo 模拟计算,流导范围为0.817m3·s - 1～4.71m3·s - 1 。
抽气机组由涡轮分子泵、钛泵和低温泵组成,校准室在220 ℃下烘烤48h 后,本底压力可达10-10 Pa 。
校准时,真空室仅通过钛泵(对H2 的抽速为8.0m3·s -1) 抽气。校准气体通过直径为5 ×10- 5m 的小孔引入,小孔的流导通过稳压室中的压力衰减测量,对H2 的流导值为1.8 ×10 - 7 m3·s -1 。流量Qi 通过小孔的流导和稳压室中的压力计算,测量不确定度小于1 %。近年来,日本ULVAC 公司自行研制的极高真空电离规(AT 规) 的全部性能研究工作(包括校准、长期稳定性的研究等) 都是在该校准系统上进行的。目前AT 规已成为国际上测量下限最低(5 ×10- 11 Pa) 的商品化极高真空电离规。
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