磁懸浮轉子規在分壓力測量中的應用

1、引言

　　進(jìn)入80年代，質(zhì)譜分析技術(shù)在科學(xué)及工業(yè)領(lǐng)域中的應用與日俱增，許多方面都對分壓力質(zhì)譜計提出了定量要求。隨之而來(lái)的是國際上對分壓力質(zhì)譜計校準技術(shù)研究的高度重視。從1985年召開(kāi)的首屆國際分壓力質(zhì)譜計校準專(zhuān)題討論會(huì )來(lái)看，美國、加拿大、英國、奧地利、德國、意大利和日本等國家已在進(jìn)行這方面的研究，并逐步建立了一些質(zhì)譜計校準系統和形成了質(zhì)譜計校準方法，尤其是美國真空學(xué)會(huì )還在1993年公布了新的質(zhì)譜計校準推薦方法。

　　通常，質(zhì)譜計測量結果的精度取決于2個(gè)因素; 一是校準過(guò)程中使用的參考標準的精度和校準系統的適用性；二是質(zhì)譜計本身的性能。由此看來(lái)，氣體成分的分壓力校準技術(shù)研究應包括以下3個(gè)方面的內容：①校準系統的研制；②校準技術(shù)的不斷改進(jìn)；③質(zhì)譜計的計量學(xué)特性探索。

　　目前，國內外對質(zhì)譜計計量學(xué)特性的研究相對較多，而對分壓力校準系統的研制和分壓力校準技術(shù)的研究相對較少，要有效地進(jìn)行分壓力校準必須對上述3方面的內容進(jìn)行深入的研究，三者缺一不可。本文作者將探討磁懸浮轉子規用于分壓力測量的可行性，并給出了2種分壓力測量方法和實(shí)驗結果。

2、磁懸浮轉子規（SRG）測量分壓力

 　　當SRG測量單一氣體的壓力時(shí)，壓力p表達式為

(1)

　　式(1)中K為與轉子和溫度有關(guān)的常數；σ為某一氣體的切向動(dòng)量傳遞系數；M為某一氣體的分子量； (-·ω/ω)為轉子轉速的相對衰減率。用式(1)不能直接測量分壓力，但經(jīng)過(guò)分析，通過(guò)適當的轉換，可以實(shí)現分壓力的測量。對于SRG,式(1)成立的條件是在分子流狀態(tài)下，即氣體分子之間無(wú)碰撞，這樣在混合氣體條件下，每種氣體成分與轉子發(fā)生碰撞引起的轉子轉速衰減率是相互獨立的。因此，在混合氣體條件下，可以對每種氣體成分引起的轉子轉速的相對衰減率進(jìn)行線(xiàn)性迭加，只要讓SRG的測量輸出為 (-·ω/ω)，就可方便地得到混合氣體中氣體成分的分壓力，分壓力測量原理如圖1所示。方法如下：①用氣體1在真空室中建立一定的動(dòng)態(tài)平衡壓力，用SRG測出該氣體引起的轉子衰減率 (-·ω/ω)₁₊₂；②保持氣體1壓力不變，用氣體2在真空室中建立第2種氣體的某一動(dòng)態(tài)平衡壓力，這時(shí)真空室中為2種氣體的混合物，所以SRG測出的轉子衰減率為2種氣體作用所產(chǎn)生的衰減率 (-·ω/ω)₁₊₂，這樣第2種氣體所產(chǎn)生的轉子衰減率應為(-·ω/ω)₂=(-·ω/ω)₁₊₂-(-·ω/ω)；③測出了兩種氣體分別所產(chǎn)生的轉子衰減率，由式(1)就可得到兩種氣體成分的分壓力p₁和p₂。

　　如果氣體成分超過(guò)2種，同理可以得到各種氣體成分的分壓力。SRG的測量范圍為10^-5~1Pa，因此，只要混合氣體的總壓力在此范圍內，就可用SRG精確地測量出各種氣體成分的分壓力。

3 、用磁懸浮轉子規(SRG)與電容規(CDG)測量2種氣體混合物分壓力

　　如果真空室中的氣體是已知的2種氣體，并且壓力均在SRG和CDG的可測范圍內，則用SRG和CDG可測出兩種氣體成分的分壓力。其理論如下：

　　在SRG測量壓力的基本表達式(1)中，σ 隨氣體種類(lèi)的變化非常小，可以認為是常數，于是在一定溫度下有關(guān)系式：

(4)

　　如果測量的是2種氣體的混合物，則根據前面的分析有：

(5)

　　引入有效分子量M，則有：

(6)

　　或

(7)

　　式中α₁、α₂分別為第1種和第2種氣體的分壓力p₁和p₂與總壓力p_t之比。這樣如果已知兩種氣體成分的比例，則以有效分子量Me輸入SRG，即可測出總壓力來(lái)。