磁悬浮转子规在分压力测量中的应用

1、引言

　　进入80年代，质谱分析技术在科学及工业领域中的应用与日俱增，许多方面都对分压力质谱计提出了定量要求。随之而来的是国际上对分压力质谱计校准技术研究的高度重视。从1985年召开的首届国际分压力质谱计校准专题讨论会来看，美国、加拿大、英国、奥地利、德国、意大利和日本等国家已在进行这方面的研究，并逐步建立了一些质谱计校准系统和形成了质谱计校准方法，尤其是美国真空学会还在1993年公布了新的质谱计校准推荐方法。

　　通常，质谱计测量结果的精度取决于2个因素; 一是校准过程中使用的参考标准的精度和校准系统的适用性；二是质谱计本身的性能。由此看来，气体成分的分压力校准技术研究应包括以下3个方面的内容：①校准系统的研制；②校准技术的不断改进；③质谱计的计量学特性探索。

　　目前，国内外对质谱计计量学特性的研究相对较多，而对分压力校准系统的研制和分压力校准技术的研究相对较少，要有效地进行分压力校准必须对上述3方面的内容进行深入的研究，三者缺一不可。本文作者将探讨磁悬浮转子规用于分压力测量的可行性，并给出了2种分压力测量方法和实验结果。

2、磁悬浮转子规（SRG）测量分压力

 　　当SRG测量单一气体的压力时，压力p表达式为

(1)

　　式(1)中K为与转子和温度有关的常数；σ为某一气体的切向动量传递系数；M为某一气体的分子量； (-·ω/ω)为转子转速的相对衰减率。用式(1)不能直接测量分压力，但经过分析，通过适当的转换，可以实现分压力的测量。对于SRG,式(1)成立的条件是在分子流状态下，即气体分子之间无碰撞，这样在混合气体条件下，每种气体成分与转子发生碰撞引起的转子转速衰减率是相互独立的。因此，在混合气体条件下，可以对每种气体成分引起的转子转速的相对衰减率进行线性迭加，只要让SRG的测量输出为 (-·ω/ω)，就可方便地得到混合气体中气体成分的分压力，分压力测量原理如图1所示。方法如下：①用气体1在真空室中建立一定的动态平衡压力，用SRG测出该气体引起的转子衰减率 (-·ω/ω)₁₊₂；②保持气体1压力不变，用气体2在真空室中建立第2种气体的某一动态平衡压力，这时真空室中为2种气体的混合物，所以SRG测出的转子衰减率为2种气体作用所产生的衰减率 (-·ω/ω)₁₊₂，这样第2种气体所产生的转子衰减率应为(-·ω/ω)₂=(-·ω/ω)₁₊₂-(-·ω/ω)；③测出了两种气体分别所产生的转子衰减率，由式(1)就可得到两种气体成分的分压力p₁和p₂。

　　如果气体成分超过2种，同理可以得到各种气体成分的分压力。SRG的测量范围为10^-5~1Pa，因此，只要混合气体的总压力在此范围内，就可用SRG精确地测量出各种气体成分的分压力。

3 、用磁悬浮转子规(SRG)与电容规(CDG)测量2种气体混合物分压力

　　如果真空室中的气体是已知的2种气体，并且压力均在SRG和CDG的可测范围内，则用SRG和CDG可测出两种气体成分的分压力。其理论如下：

　　在SRG测量压力的基本表达式(1)中，σ 随气体种类的变化非常小，可以认为是常数，于是在一定温度下有关系式：

(4)

　　如果测量的是2种气体的混合物，则根据前面的分析有：

(5)

　　引入有效分子量M，则有：

(6)

　　或

(7)

　　式中α₁、α₂分别为第1种和第2种气体的分压力p₁和p₂与总压力p_t之比。这样如果已知两种气体成分的比例，则以有效分子量Me输入SRG，即可测出总压力来。