中國真空計量發(fā)展概述
回顧了近50 多年來(lái)中國真空計量的發(fā)展歷史。內容包括真空(全壓力) 測量與校準、分壓力測量與校準、氣體微流量測量與校準,從中可對中國真空計量的歷史淵源和現狀有一個(gè)完整的了解。
1、引言
在中國,早在春秋末年,即公元前480～420年,墨子就提出了“間虛”的觀(guān)點(diǎn)。后來(lái)到漢朝,王允約在公元27～99 年,進(jìn)一步提出了“虛空”的概念。到了唐朝,大詩(shī)人劉禹錫在公元772～842 年對虛空概念作了進(jìn)一步闡述。他曾說(shuō):“空者,形之微也,”這是最早有記載的樸素而科學(xué)的真空概念。在公元281～361 年間,東晉的葛洪就在《肘后備急方》中記載了從戰國時(shí)期就采用的“拔火罐”醫療方式,這是利用氣體熱脹冷縮的原理來(lái)產(chǎn)生真空并應用于醫療的例子。因此,中國在真空認識和應用方面都是最早的。然而近100 多年來(lái),由于遭受侵略和長(cháng)期戰爭等原因,中國在真空技術(shù)方面發(fā)展緩慢,從而形成落后的態(tài)勢。盡管這樣,一些定居海外的中國人仍然在真空技術(shù)方面做出了重要貢獻,例如何增祿在1932年提出了著(zhù)名的何氏系數(抽速因子) [1] 。20 世紀50 年代初,壓縮式真空規在許多大學(xué)、科研單位和計量部門(mén)被應用。電離規和其他一些真空規也在20 世紀50 年代被研制和生產(chǎn)。例如,清華大學(xué)曾研究和生產(chǎn)的B2A 型電離規,其中一種可測量低至10 -12 Pa 的最低壓力[2] ;復旦大學(xué)的可通電除氣的B-A 規[3 ]和簡(jiǎn)式冷規[4 ]分別獲得1963 年國家科委四新獎兩項,當時(shí)對真空工作者和規管生產(chǎn)單位(南京電子管廠(chǎng)) 是很大的鼓勵。經(jīng)過(guò)多年的努力,中國的真空計量已有了長(cháng)足發(fā)展。作者主要回顧了近50 年來(lái)中國真空計量的發(fā)展歷史,內容包括真空(全壓力) 測量與校準、分壓力測量與校準、氣體微流量測量與校準。同時(shí),隨著(zhù)真空技術(shù)應用領(lǐng)域的不斷擴大,對真空計量?jì)x器的需求量也在逐年增加。
2、真空測量與校準
2.1、中國真空(全壓力) 測量的起步階段
20 世紀50 年代至60 年代,國際上研制出多種真空測量規,并且真空測量研究正處于一個(gè)活躍時(shí)期,這為中國真空測量的快速發(fā)展提供了可供借鑒的成熟經(jīng)驗。在1957 年,中國就已經(jīng)有了完全自制的壓縮式真空規、熱陰極電離規、超高真空B-A 規、皮喇尼規和冷陰極電離規等多種真空測量工具[5] ,研究者不僅從理論方面,而且從實(shí)踐方面對這些真空規進(jìn)行了深入研究。
文獻[6]的作者對普通三極管型熱陰極電離規的理論作了詳細研究,分析和計算了熱陰極電離規的各種設計參數,討論了熱陰極電離規的非線(xiàn)性問(wèn)題,首先提出了拓寬熱規的高壓測量上限需要降低靈敏度的理論依據。文獻[7]對熱陰極電離規的性能進(jìn)行了大量實(shí)驗研究,為熱陰極電離規在中國的商業(yè)化奠定了基礎。這種真空規的測量范圍在10 - 1～10 - 5 Pa 。
1966 年,蘭州物理研究所還研制成功了具有中國獨特風(fēng)格的熱陰極中真空電離規。規管的電極采用平板正交軸對稱(chēng)結構,電子加速極由一對平行相連的寬極板組成,離子收集極由一對平行相連的狹極板組成。2組極板在空間是互相垂直和軸對稱(chēng)的,其軸線(xiàn)上有一直熱式敷氧化釔銥陰極。該中真空電離規測量范圍為10 - 4～50 Pa ,規管系數零散性小于10 %。
文獻[8.0]的作者對B-A 型電離規的理論和電特性進(jìn)行了研究,分析了B-A規在超高真空下的非線(xiàn)性和抽氣特性,使真空測量的下限延伸到10 -9 Pa 量級。X 射線(xiàn)效應引起的殘余電流是限制B-A 規測量下限的一個(gè)重要因素,華中一在1964 年提出了一種消除X 射線(xiàn)效應的超高真空電離規[11 ] 。在這種新結構真空規中,陰極和收集極位于柵極的兩端,收集極外有一個(gè)屏蔽極,可將來(lái)自柵極的X 射線(xiàn)完全屏蔽,在理論上沒(méi)有X射線(xiàn)效應的限制。這種規稱(chēng)為軸向式熱陰極電離規,后來(lái)有許多改進(jìn)和發(fā)展。
壓縮式真空規是20世紀60 年代中國真空測量研究的一個(gè)熱點(diǎn),許多研究者都做了報道。第一套(三只) 國家標準的壓縮式真空規在1962 年由國家科委計量局、上海計量局、復旦大學(xué)、上海玻璃廠(chǎng)合作制成[13 ] ,并通過(guò)國家鑒定。李旺奎在1964 年研制的壓縮式真空規[14] ,發(fā)現摩擦阻力是毛細管中水銀不規則運動(dòng)的主要原因。因此,在毛細管內表面涂一層3μm 油層(DC2704) ,徹底消除了毛細管中水銀運動(dòng)的異�，F象,并采用雙磨口閥門(mén)結構,徹底消除了水銀蒸氣流效應,能在1～10 - 3 Pa 范圍進(jìn)行絕對真空測量和對其他相對真空規進(jìn)行校準。中國國家計量院也對原始的壓縮式真空規進(jìn)行了改進(jìn),防止了水銀蒸氣流效應。
文獻[17 ]的作者對皮喇尼規的理論作了詳細研究,并對皮喇尼規的性能進(jìn)行了大量實(shí)驗研究,為皮喇尼規在中國的商業(yè)化奠定了基礎。當時(shí)該規的測量范圍可達103～10 - 1 Pa 。
20世紀60 年代對冷陰極電離規也做了大量研究 ,包括潘寧規、磁控規和反磁控規,還提出了一些新結構冷陰極電離規,如無(wú)磁場(chǎng)冷陰極電離規[22 ] 、正反磁控規[21] ,但這些冷陰極電離規只能覆蓋的測量范圍為102～10 - 6 Pa 。
2.2、20 世紀70 年代以來(lái)真空測量的發(fā)展
20 世紀70 年代,中國真空測量有了更大發(fā)展,真空測量工具的種類(lèi)越來(lái)越多,商業(yè)化水平也越來(lái)越高。1971 年,北京真空儀表廠(chǎng)研制出一種熱陰極電離規[25 ] ,該規采用敷氧化釔的銥陰極擴展上限,并采用新型電極結構,通過(guò)電參數和電極轉換,實(shí)現一只規管測量10～10 - 7 Pa 的壓力。此后,在擴展熱陰極電離規測量上下限方面做了大量研究工作,如1974 年清華大學(xué)研制的測量范圍為102～10 - 3 Pa 的高壓力電離規[26] ;1975 年,北京大學(xué)研制的測量范圍為102～10 - 4 Pa 的高壓力電離規[27 ] ;1975 年,陳建中研制的測量范圍為10～10
