分子束法UHV/XHV校準系統結構與原理
分子束法是早期用于UHV/ XHV 校準的主要方法。分子束法的校準原理如圖1 所示,由克努曾(Knudsen) 室、低溫室和校準室組成。
圖1 分子束法校準原理圖
設n0 和n 分別是克努曾室和校準室中的分子數密度; v0 和v 分別是這兩室中分子的平均熱運動(dòng)速度。從克努曾室經(jīng)小孔A1 向液氦冷卻的分子束管中漫射的分子遵循余弦定律分布。碰到液氦壁上的分子全被粘著(zhù),碰到孔A2 的分子數為
式中, l 為分子束管的長(cháng)度, A1 , A2 分別為孔A1 ,A2的面積。
穩態(tài)平衡時(shí),從校準室經(jīng)A2 漫射出的分子數與入射分子數相等,即
如果校準室中的溫度T 與克努曾室中的溫度T0 相等,則
從上式可知,此法的校準壓力p 與孔A2 的大小無(wú)關(guān)。A2 的大小僅由校準室獲得的本底壓力來(lái)決定。分子束法校準下限可延伸到10-10Pa 以下。分子束法最大的缺點(diǎn)是很難達到理想的熱平衡狀態(tài)。圖2 所示為美國NASA 的Peter Fowler 等于上世紀六十年代建立的分子束法UHV/XHV校準系統原理圖 。美國的UHV/XHV 校準系統是作為阿波羅計劃的一個(gè)項目。
圖2 美國NASA 的分子束法UHV/XHV校準系統原理圖
該系統復合了分子束法、壓力衰減法和冷凍抽氣技術(shù),可在10-6Pa～10-11Pa 壓力區間對飛行型真空規進(jìn)行校準,校準誤差小于5 %。通過(guò)外控聯(lián)動(dòng)機械裝置,被校真空規在系統中可以水平擺動(dòng)0°～40°和俯仰變化-5°～+5°,以改變規入口軸線(xiàn)與分子束軸線(xiàn)的夾角的變化來(lái)模擬航天器的偏航角和俯角的變化。高壓氣源2 中壓力在13.3Pa～1.33 ×106Pa 范圍變化,用旋轉活塞規1測量,溫度295K～301K,此已知壓力經(jīng)多孔塞3 注入到分子爐4 中,衰減了4～6 個(gè)數量級。分子爐中的氣體經(jīng)過(guò)已知尺寸的孔8按余弦定律漫射到液氦冷凍低溫泵室14中。大部分氣體分子被液氦壁捕獲,只有很少一部分形成定向分子束9。分子束通過(guò)液氦冷卻的通道到達被校規12的入口。
美國在該UHV/ XHV 校準系統上主要對安裝在阿波羅飛船上的真空計和質(zhì)譜計進(jìn)行校準 。
圖3所示為德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院(PTB) 的G. Grosse 等于上世紀八十年代建成的分子束法UHV/ XHV 校準系統的結構圖。該校準系統由不銹鋼制作而成,采用全金屬密封,由抽氣單元(含分子泵、離子泵以及液氮冷卻的鈦升華泵) 和分子束管兩大部分組成。分子束管的下端部分是克努曾室,其上通過(guò)接口法蘭安裝有參考規。產(chǎn)生低校準壓力的必要條件是校準室壁的出氣率極低,為此校準室預先要在真空爐中825K高溫下除氣72h,校準室中本底壓力可達10-11Pa。該校準系統的量程和不確定度為: 10-10Pa、30%;10-9Pa 、15%; 10-8Pa 、10%。特別提及的一點(diǎn)是該校準系統需要裝配校準過(guò)的電離規,由此可見(jiàn)分子束法并不是絕對校準方法。
圖3 德國PTB 的分子束法UHV/XHV 校準系統結構圖
在開(kāi)始校準前, 整個(gè)校準系統先在300 ℃～400℃下烘烤36h 左右,被校規除氣后連續工作15h以確保在器壁和電極表面達到吸附2解吸平衡。校準時(shí)在克努曾室的充氣壓力范圍為10-5Pa～10-1Pa。在該UHV/XHV校準系統上對兩個(gè)電離規(Helmer規和分離規)在10-5Pa～10-10 Pa 范圍內進(jìn)行了校準。在動(dòng)態(tài)流量法UHV 校準系統上在10-2Pa～10-7Pa范圍內對以上兩個(gè)規也進(jìn)行了校準。
校準結果表明,在重疊區間10-5Pa～10-7Pa內,兩個(gè)校準系統具有很好的一致性( 校準偏差小于1%) 。
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