固定流導法校準真空漏孔方法研究
1、引言
檢漏技術(shù)在航天、航空、電子工業(yè)、高能物理、核工業(yè)等方面應用十分廣泛[1]。檢漏工作通常使用氦質(zhì)譜檢漏儀，而氦質(zhì)譜檢漏儀要用真空漏孔進(jìn)行標定，因此，需要建立真空漏孔校準裝置對其進(jìn)行校準。近20年來(lái)，國內外在真空漏孔的校準方面做了大量的研究工作，建立了一系列真空漏孔校準裝置[2-8]，根據工作原理的不同主要分為定容法、恒壓法、檢漏儀比較法、四極質(zhì)譜計比較法、定容分流法和固定流導法等。
2、真空漏孔校準方法比較
定容法是將真空漏孔漏出的氣體引人已知體積的定容室，通過(guò)測量定容室氣體壓力的變化量來(lái)計算漏率，是一種直接校準真空漏孔的方法。這種方法需要專(zhuān)用標準體積測量各定容室的容積，每次校準真空漏孔時(shí)都需要重新測量接頭的體積，工作過(guò)程比較繁瑣。由于校準過(guò)程是靜態(tài)的，材料漏放氣對校準結果的影響大，材料表面處理工藝要求嚴格，校準下限受到限制，所以定容法只適合于校準較大漏率的漏孔。
恒壓法是將恒壓式流量計提供的氣體流量與真空漏孔產(chǎn)生的漏率用四極質(zhì)譜計進(jìn)行比較，從而得到真空漏孔漏率值。恒壓法校準裝置的核心是恒壓式流量計。恒壓式流量計在保持變容室內氣體壓力恒定的條件下，測量體積的變化量，從而得到氣體流量。這種裝置的校準范圍由恒壓式流量計的測量范圍決定，通常為10-3~10-8 Pa· m3/s�，F在國際上通用的流量計結構是波紋管壓縮式和活塞桿推移式2種:德國PTB的波紋管是經(jīng)過(guò)7年實(shí)驗，在大量波紋管中選出理想的一根[3],國防科工委真空計量一級站采用電機驅動(dòng)活塞桿壓縮油的方式工作�？傮w來(lái)說(shuō)，恒壓法真空漏孔校準裝置結構復雜，研制費用高，需要自動(dòng)控制和精密機械加工等多方面的知識和人員，不易于進(jìn)行大批量的校準工作。雖然恒壓法校準不確定度小，但流量校準下限也不能滿(mǎn)足絕大多數漏孔的漏率范圍。
檢漏儀比較法是將已知漏率的真空漏孔作為參考標準，運用檢漏儀將參考標準的流量與待校真空漏孔氣體流量進(jìn)行比較，從而得出待校真空漏孔漏率值。由于檢漏儀和真空漏孔的穩定性差，檢漏儀的靈敏度和線(xiàn)性無(wú)法保證，所以這種方法的測量下限無(wú)法滿(mǎn)足要求，測量不確定度大，一般用于工業(yè)現場(chǎng)測量，而不適合于真空計量部門(mén)進(jìn)行真空漏孔的校準。
四極質(zhì)譜計比較法與檢漏儀比較法類(lèi)似，只是流量比較器用四極質(zhì)譜計替換了檢漏儀，也同樣需要已知漏率的真空漏孔作為參考標準。雖然四極質(zhì)譜計的分辨率高、測量下限低，但其穩定性和線(xiàn)性差，四極質(zhì)譜計計量學(xué)特性的研究是國際上目前仍沒(méi)有完全解決的一個(gè)難題，因此校準結果無(wú)法令人信服。
定容分流法[5]是定容法延伸測量下限的一種方法，是定容式流量計向外提供流量，經(jīng)一定比例的流量分流后，用四極質(zhì)譜計作為比較器校準真空漏孔的方法。這種方法系統復雜，中間環(huán)節多，需要定容法流量計、分流系統，還要精確測量流量的分流比例等。此外，盡管在消除四極質(zhì)譜計非線(xiàn)性方面作了考慮，但不能完全消除四極質(zhì)譜計非線(xiàn)性影響。
固定流導法是將通過(guò)已知流導小孔的氣體與真空漏孔流出的氣體用四極質(zhì)譜計進(jìn)行比較，從而得到真空漏孔漏率。小孔是用機械、激光等加工方法制作而成。小孔流導的大小可以用定容式流量計或恒壓式流量計精確測量，通過(guò)小孔的氣體流量等于穩壓室氣體壓力與對應小孔流導之積。通過(guò)調節穩壓室的氣體壓力很方便地調節通過(guò)小孔的氣體流量，使其與待校真空漏孔漏率相同或非常接近，從而避免四極質(zhì)譜計的非線(xiàn)性影響。這種方法簡(jiǎn)單實(shí)用，便于實(shí)現，校準范圍寬，測量不確定度小。
3、固定流導法校準裝置
固定流導法校準真空漏孔的裝置由固定流導法流量計、校準系統和被校漏孔三部分組成，如圖1所示。固定流導法流量計如圖1左邊所示，主要由固定流導小孔、穩壓室、電容薄膜規、氣瓶、閥門(mén)以及抽氣機組等組成，可根據需要向校準系統提供已知流量的氣體。校準系統如圖1中問(wèn)所示，主要由質(zhì)譜分析室、四極質(zhì)譜計、超高真空電離規和抽氣機組組成。被校漏孔如圖1右邊所示，主要由自帶氣室型真空漏孔(如薄膜滲氦型漏孔)、通道型真空漏孔、穩壓室、氣瓶和閥門(mén)等組成。
4、真空漏孔校準原理
4.1、流量計測量原理
氣體通過(guò)固定流導小孔的流量用式(1)計算[9]
Qs=C(p-p') (1)
1, 30. He氣瓶;2,28.微調陰;3,4,8.全金屬隔斷間;5.固定流導小孔6.FS13.3 kPa電容薄膜規;7,2 7.穩壓室;9.F5 13.3 Pa電容薄膜規;10,1 8.C F35全金屬超高真空角閥;11,1 9.分子泵;12,13 .電磁隔斷悶;14,2 0.機械泵;15.四極質(zhì)譜計;16.質(zhì)譜分析室;17.超高真空電離規;21.22,23.手動(dòng)超高閥;24,25,26.被校漏孔;29精密真空壓力表
圖1固定流導法校準真空漏孔裝置
