中国真空计量发展概述
回顾了近50 多年来中国真空计量的发展历史。内容包括真空(全压力) 测量与校准、分压力测量与校准、气体微流量测量与校准,从中可对中国真空计量的历史渊源和现状有一个完整的了解。
1、引言
在中国,早在春秋末年,即公元前480～420年,墨子就提出了“间虚”的观点。后来到汉朝,王允约在公元27～99 年,进一步提出了“虚空”的概念。到了唐朝,大诗人刘禹锡在公元772～842 年对虚空概念作了进一步阐述。他曾说:“空者,形之微也,”这是最早有记载的朴素而科学的真空概念。在公元281～361 年间,东晋的葛洪就在《肘后备急方》中记载了从战国时期就采用的“拔火罐”医疗方式,这是利用气体热胀冷缩的原理来产生真空并应用于医疗的例子。因此,中国在真空认识和应用方面都是最早的。然而近100 多年来,由于遭受侵略和长期战争等原因,中国在真空技术方面发展缓慢,从而形成落后的态势。尽管这样,一些定居海外的中国人仍然在真空技术方面做出了重要贡献,例如何增禄在1932年提出了著名的何氏系数(抽速因子) [1] 。20 世纪50 年代初,压缩式真空规在许多大学、科研单位和计量部门被应用。电离规和其他一些真空规也在20 世纪50 年代被研制和生产。例如,清华大学曾研究和生产的B2A 型电离规,其中一种可测量低至10 -12 Pa 的最低压力[2] ;复旦大学的可通电除气的B-A 规[3 ]和简式冷规[4 ]分别获得1963 年国家科委四新奖两项,当时对真空工作者和规管生产单位(南京电子管厂) 是很大的鼓励。经过多年的努力,中国的真空计量已有了长足发展。作者主要回顾了近50 年来中国真空计量的发展历史,内容包括真空(全压力) 测量与校准、分压力测量与校准、气体微流量测量与校准。同时,随着真空技术应用领域的不断扩大,对真空计量仪器的需求量也在逐年增加。
2、真空测量与校准
2.1、中国真空(全压力) 测量的起步阶段
20 世纪50 年代至60 年代,国际上研制出多种真空测量规,并且真空测量研究正处于一个活跃时期,这为中国真空测量的快速发展提供了可供借鉴的成熟经验。在1957 年,中国就已经有了完全自制的压缩式真空规、热阴极电离规、超高真空B-A 规、皮喇尼规和冷阴极电离规等多种真空测量工具[5] ,研究者不仅从理论方面,而且从实践方面对这些真空规进行了深入研究。
文献[6]的作者对普通三极管型热阴极电离规的理论作了详细研究,分析和计算了热阴极电离规的各种设计参数,讨论了热阴极电离规的非线性问题,首先提出了拓宽热规的高压测量上限需要降低灵敏度的理论依据。文献[7]对热阴极电离规的性能进行了大量实验研究,为热阴极电离规在中国的商业化奠定了基础。这种真空规的测量范围在10 - 1～10 - 5 Pa 。
1966 年,兰州物理研究所还研制成功了具有中国独特风格的热阴极中真空电离规。规管的电极采用平板正交轴对称结构,电子加速极由一对平行相连的宽极板组成,离子收集极由一对平行相连的狭极板组成。2组极板在空间是互相垂直和轴对称的,其轴线上有一直热式敷氧化钇铱阴极。该中真空电离规测量范围为10 - 4～50 Pa ,规管系数零散性小于10 %。
文献[8.0]的作者对B-A 型电离规的理论和电特性进行了研究,分析了B-A规在超高真空下的非线性和抽气特性,使真空测量的下限延伸到10 -9 Pa 量级。X 射线效应引起的残余电流是限制B-A 规测量下限的一个重要因素,华中一在1964 年提出了一种消除X 射线效应的超高真空电离规[11 ] 。在这种新结构真空规中,阴极和收集极位于栅极的两端,收集极外有一个屏蔽极,可将来自栅极的X 射线完全屏蔽,在理论上没有X射线效应的限制。这种规称为轴向式热阴极电离规,后来有许多改进和发展。
压缩式真空规是20世纪60 年代中国真空测量研究的一个热点,许多研究者都做了报道。第一套(三只) 国家标准的压缩式真空规在1962 年由国家科委计量局、上海计量局、复旦大学、上海玻璃厂合作制成[13 ] ,并通过国家鉴定。李旺奎在1964 年研制的压缩式真空规[14] ,发现摩擦阻力是毛细管中水银不规则运动的主要原因。因此,在毛细管内表面涂一层3μm 油层(DC2704) ,彻底消除了毛细管中水银运动的异常现象,并采用双磨口阀门结构,彻底消除了水银蒸气流效应,能在1～10 - 3 Pa 范围进行绝对真空测量和对其他相对真空规进行校准。中国国家计量院也对原始的压缩式真空规进行了改进,防止了水银蒸气流效应。
文献[17 ]的作者对皮喇尼规的理论作了详细研究,并对皮喇尼规的性能进行了大量实验研究,为皮喇尼规在中国的商业化奠定了基础。当时该规的测量范围可达103～10 - 1 Pa 。
20世纪60 年代对冷阴极电离规也做了大量研究 ,包括潘宁规、磁控规和反磁控规,还提出了一些新结构冷阴极电离规,如无磁场冷阴极电离规[22 ] 、正反磁控规[21] ,但这些冷阴极电离规只能覆盖的测量范围为102～10 - 6 Pa 。
2.2、20 世纪70 年代以来真空测量的发展
20 世纪70 年代,中国真空测量有了更大发展,真空测量工具的种类越来越多,商业化水平也越来越高。1971 年,北京真空仪表厂研制出一种热阴极电离规[25 ] ,该规采用敷氧化钇的铱阴极扩展上限,并采用新型电极结构,通过电参数和电极转换,实现一只规管测量10～10 - 7 Pa 的压力。此后,在扩展热阴极电离规测量上下限方面做了大量研究工作,如1974 年清华大学研制的测量范围为102～10 - 3 Pa 的高压力电离规[26] ;1975 年,北京大学研制的测量范围为102～10 - 4 Pa 的高压力电离规[27 ] ;1975 年,陈建中研制的测量范围为10～10
