真空校準裝置的分流法原理

       分流法是在動(dòng)態(tài)流量法基本原理的基礎上提出的。動(dòng)態(tài)流量法基本原理是將氣體微流量計產(chǎn)生的已知氣體流量注入到校準室中,并通過(guò)一已知流導的小孔不斷抽氣,從而在校準室中產(chǎn)生可精確計算的動(dòng)態(tài)平衡壓力,并以該平衡壓力作為標準壓力校準真空規。由于氣體微流量計流量測量范圍和校準室極限真空度所限,動(dòng)態(tài)流量法的校準下限一般在10-6～10-7Pa之間。為了將真空規的校準下限延伸到10-10 Pa的極高真空范圍,提出了流量分流法基本思想,即將氣體微流量計提供的氣體流量引入到一個(gè)分流室中,然后再通過(guò)分流室上兩個(gè)分子流流導相差100～1000 倍的小孔將氣體流量分流到XHV 校準室和UHV 校準室中,XHV 校準室分流的氣體流量占1%～0.1%,UHV 校準室占99%～99.9%, 這樣當UHV 校準室中的校準下限為10-7時(shí),XHV 校準室中的校準下限為10- 9～10- 10 Pa。

       先考慮不分流的情況, 假設某一恒定氣體流量全部注入到XHV 校準室中, 并通過(guò)一已知流導小孔連續抽氣, 則會(huì )在校準室內建立起可精確計算的動(dòng)態(tài)平衡壓力。如果校準室中處于等溫狀態(tài), 氣體分子各向同性, 均勻分布, 校準室內氣體壓力滿(mǎn)足公式( 1) 。

式中Q—— —注入校準室的氣體流量, Pa·m3/s

      Q0 —— —校準室內表面的放氣率, Pa·m3/s

      pu —— —校準室內的氣體壓力, Pa

     Sg —— —被校真空規的抽氣速率,m3/s

     pl —— —抽氣室中的氣體壓力,Pa

     C9—— —校準室和抽氣室之間小孔9的流導,m3/s

     V—— —校準室的容積,m3

    dpu/dt—— —校準室中壓力隨時(shí)間的變化率,Pa/s

當滿(mǎn)足以下條件時(shí),可以將公式(1)進(jìn)行簡(jiǎn)化:

     (a)校準室內表面的放氣率Q0小于最低校準壓力時(shí)注入氣體流量Q的1/100;

     (b)被校真空規的總抽氣速率小于校準室抽氣小孔流導值的1/100;

     ( c) 在校準過(guò)程中, 校準室中的壓力波動(dòng)小于1/100。

      當校準室中氣體壓力達到動(dòng)態(tài)平衡時(shí),即dpu/dt等于0,公式(1)可簡(jiǎn)化為公式(2)

     式中: Rp —— —返流比。

     從公式( 3) 可以看出, 當小孔流導C9 和返流比Rp確定之后,只能通過(guò)減小流量Q的值來(lái)延伸壓力校準下限,固定流導法氣體微流量計就是為此目的而設計的, 其流量測量下限為10-9 Pa m3/s。盡管如此, 采用固定流導法氣體微流量計,壓力校準下限也只能到10-8Pa。

      為了進(jìn)一步將壓力校準下限延伸到10- 10 Pa,采用了前面所述的流量分流法思想,即將固定流導法氣體微流量計提供的氣體流量引入到分流室, 再通過(guò)分流室上的兩個(gè)小孔15 和23 分流到XHV 校準室和UHV 校準室中。通過(guò)實(shí)際測定, 在研制的校準裝置中, 大約99.5%的氣體流量被分流到UHV 校準室中, 只有大約0.5%的氣體流量被分流到XHV 校準室中, 從而將XHV校準室中的壓力校準下限延伸到10-10 Pa。采用分流法后, XHV 校準室中的氣體壓力由公式( 4) 計算。

      根據公式(4),要得到標準壓力,須確定小孔9的流導C9;返流比RP;小孔23與小孔15的流導比RC流量Q由氣體微流量計提供并測量。各參數的測量方法或確定方法已在真空技術(shù)網(wǎng)中做了詳細描述, 這里不再贅述, 僅將對Ar 氣的結果列于表1 中。

     表1 對Ar 氣各參數的值( 或測量范圍) 及不確定度