低壓力下復雜結構真空容器容積比的測量方法研究
真空容器容積比的測量方法通常有稱(chēng)重法和靜態(tài)膨脹法。目前，復雜結構真空容器容積比主要是在較高的壓力下通過(guò)氣體靜態(tài)膨脹進(jìn)行測量。但當膨脹壓力低于10-2Pa 時(shí)，真空容器器壁的放氣會(huì )對容積比的測量帶來(lái)很大的影響。為了確保在膨脹前后氣體量不改變，即減小在低壓力下真空容器的放氣對測量的影響，提出了利用非蒸散性吸氣泵選擇性抽氣的特性，結合靜態(tài)膨脹法利用惰性氣體氬氣(Ar)、氦氣(He)來(lái)測量真空容器的容積比。
引言
復雜結構真空容器容積比的測量廣泛應用于真空計量領(lǐng)域，例如真空檢漏技術(shù)、高精度真空標準壓力的產(chǎn)生、氣體微流量測量校準技術(shù)等，這些技術(shù)都應用于航空、航天、制冷、高能物理等領(lǐng)域。使用稱(chēng)重法等對容積比進(jìn)行測量時(shí)，通過(guò)測量容器裝滿(mǎn)液體(通常為水)前后的質(zhì)量來(lái)測量容積比，但由于液體中的氣泡和閥門(mén)死空間的影響，使得容積比的測量不夠準確，對復雜結構的真空容器來(lái)說(shuō)，由此引起的不確定度更大。使用靜態(tài)膨脹法對容積比進(jìn)行測量時(shí)，通常是在高壓力的條件下測量真空容器容積比。為了保證真空容器容積比的測量結果的準確性，需要考慮真空容器器壁放氣對測量結果的影響。
在低壓力的條件下，測量真空容器容積比會(huì )受到器壁放氣的嚴重影響。文章提出利用非蒸散型吸氣泵具有選擇性抽氣的特性，采用惰性氣體作為實(shí)驗膨脹氣體，在低壓力下對復雜結構真空容器容積比用靜態(tài)膨脹法進(jìn)行了精確測量研究。
1、測量原理
靜態(tài)膨脹法最早是1910 年由Knudsen提出的作為真空標準，靜態(tài)膨脹法是基于波意爾一馬略特定律，當一定質(zhì)量的氣體在溫度保持不變時(shí)，其壓力和體積的乘積保持不變。即式(1)
式中：P 為壓力，Pa；V 為體積，m3。在靜態(tài)膨脹法中，將起始壓力為P0的高壓力氣體從小容器v 膨脹到已預先抽空的大容器中，通過(guò)壓力衰減得到大容器V 中的氣體壓力P1，用式(2)表示：
起始壓力P0在膨脹過(guò)程中的衰減率為初態(tài)和終態(tài)容積之比v/v +V，即RV，運用靜態(tài)膨脹法公式計算膨脹后在大容器內產(chǎn)生氣體的標準壓力時(shí)，需要精確測量容積比。實(shí)驗裝置的結構原理如圖1所示，主要由抽氣泵組、標準容器VC0、待測容器VC1、氣源(GAS)、非蒸散型吸氣泵(NEGP)、磁懸浮真空計(SRG)和真空閥門(mén)等組成。
圖1 真空容器容積比測量原理結構圖
利用靜態(tài)膨脹法測量真空容器容積的原理基于理想氣體的狀態(tài)方程：
由理想氣體的狀態(tài)方程可得，兩個(gè)真空容器的容積比RV 通過(guò)式(4)計算：
式中： RV 為被測容器與標準容器的容積比；P1 和P2 分別為膨脹前、后的壓力，Pa；T1 和T2 分別為膨脹前、后的氣體溫度，K；n1 和n2 分別為膨脹前、后的氣體摩爾數，mol。使用靜態(tài)膨脹法測量容器容積比，為了確保式(4)中的n1/n2=1，即膨脹前后氣體量不變，主要存在漏氣和容器器壁放氣兩大因數。在全金屬真空系統中漏氣很容易消除，但是器壁放氣卻很難消除。
所以低壓力環(huán)境中測量容器容積比存在最大的因素就是器壁放氣對測量結果的影響。在VC0 真空容器中連接一臺非蒸散型吸氣劑泵(NEGP)。利用NEGP吸收器壁的放氣，采用He、Ar作為實(shí)驗氣體然后進(jìn)行容器容積比的測量。
為達到式(4)中的T1/T2=1，采用鉑電阻溫度計進(jìn)行溫度測量。為了消除環(huán)境溫度波動(dòng)對實(shí)驗結果帶來(lái)的影響，在實(shí)驗開(kāi)始前的24 h打開(kāi)實(shí)驗設備(例如分子泵)，同時(shí)打開(kāi)實(shí)驗室溫控設備并設定溫度23° C，記錄鉑電阻溫度計的溫度波動(dòng)小于0.2 °C/h開(kāi)始實(shí)驗。真空技術(shù)網(wǎng)（http://likelearn.cn/）認為這為磁懸浮轉子真空計的使用提供了較好實(shí)驗條件，同時(shí)也是在低壓力下容積比準確測量的前提條件。
5、結論
文章提出了一種利用非蒸散性吸氣泵選擇性抽速的特點(diǎn)用在低壓力條件下對真空容器容積比測量的方法，完成了在10-2Pa量級的條件下進(jìn)行容積比的測量，解決了在低壓力環(huán)境中器壁放氣對測量帶來(lái)的問(wèn)題。
研究結果證實(shí)該方法可以成功的應用在靜態(tài)氣體膨脹實(shí)驗的校準之中。為在低壓力條件下對真空容器容積比的測量提供了參考，合成標準不確定度為2.1%。
