标准漏孔和标准漏孔校准方法发展历史简要回顾

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)兰州物理研究所 作者:李得天

标准漏孔

  早在1963 年,清华大学就研制出玻璃2铂丝型标准漏孔,并对它的气流特性进行了深入研究。玻璃2铂丝型标准漏孔是利用铂丝与硬质玻璃的膨胀系数不同,对它们进行非匹配封接制成的。实验证明,这种漏孔的漏率与入口压力、漏孔的几何尺寸、环境温度以及实验气体之间的理论关系是正确的。这种漏孔的响应时间小于0. 5 s ,漏率的温度系数比薄膜渗氦型标准漏孔小得多,且容易修正。若漏孔被水蒸气堵塞,可以在漏孔的两端同时抽真空的条件下进行烘烤,以使漏孔恢复。在当其铂丝直径为0. 10~0. 15 mm ,封接长度为5~10 mm ,入口压力为一个大气压力时,可得到10 - 6~10 - 8 Pa·m3/ s 的漏率。这种漏孔的漏率与漏孔两端的压力差呈线性关系,如果降低入口端压力,则漏孔的漏率也将线性降低。因此,这种漏孔是分子流漏孔,可将它用作可调漏孔在较宽的动态范围内进行实时校准。利用这种漏孔可实现超高灵敏检漏时的校准。

  1964 年,清华大学对薄膜渗氦型标准漏孔进行了研究。对大多数石英来说,氦气的渗透能力比其他气体要大。渗氦型漏孔的限流元件是由石英吹制成的球形薄膜,其厚度约为0. 05~0. 20 mm。渗氦型漏孔的氦渗透率与石英薄膜厚度、渗透面积和充入的氦压力有关,选择不同的石英薄膜厚度、渗透面积和充入的氦压力,可以制成不同漏率值的标准漏孔,漏率范围通常在10 - 8~10 - 11 Pa·m3/ s 之间。这种漏孔至今仍是校准氦质谱检漏仪最通用的一种漏孔,具有抗污染、防堵塞、性能稳定等优点。但石英薄膜易碎,不能承受撞击,使用时应特别注意。最近有人对这种类型的标准漏孔的制作工艺进行了改进。

  1966 年,曹辉玲等制作出金属压扁型标准漏孔。这种漏孔是将<4 mm ×1 mm 无氧铜管或可伐管用油压机压扁造成缝隙而成的,漏率范围为10 - 6~10 - 9Pa·m3/ s。这种漏孔不易被灰尘或水蒸气堵塞,但容易发生金属蠕变和氧化,使漏率发生变化。另外,漏孔漏率对温度的变化比较敏感。在中国,常用的标准漏孔还有玻璃毛细管型标准漏孔和多孔金属型标准漏孔。玻璃毛细管型标准漏孔,是将直径1~3 mm 的一段玻璃管拉成内径约1μm 的毛细管而制成的。这种漏孔的漏率比较稳定,漏率范围为10 - 7~10 - 9Pa·m3/ s ,但容易被堵塞。多孔金属型标准漏孔一般是用金属粉末压制而成的,例如,用50 %的铝粉与50 %的焊剂压制而成,其结构坚固,容易制做,漏率约为10 - 5 Pa·m3/ s。这2 种标准漏孔首次制作的年代和制作者不祥。

标准漏孔的校准

  在中国,标准漏孔的校准始于20 世纪60 年代。1963 年,在清华大学研制玻璃2铂丝型标准漏孔时,就提出了标准漏孔的校准方法。根据条件,采用定容法校准标准漏孔,压力的变化由压缩式真空规测量,建立的标准漏孔校准系统的校准范围为10 - 7~10 - 9 Pa·m3/ s。在此后的30 年中,一直采用定容法校准标准漏孔。1966 年,范垂祯等人建立的标准漏孔校准系统 ,采用热阴极电离规测量压力变化,校准系统的校准范围为10- 6~10 - 8 Pa·m3/ s ,不确定度为25 %。1978 年,解同福等人建立的标准漏孔校准系统,采用B2A规测量压力的变化,校准系统的校准范围为10 - 510 - 12 Pa·m3/ s ,不确定度为23 %。1983 年胡耀志等人建立的标准漏孔校准系统 ,用B2A 规测量压力的变化。该系统装有选择性吸气泵———水冷钛升华泵,加钛泵后系统内的大部分活性气体被抽除,但对惰性气体氦气无抽速,在10 - 9~10 - 10 Pa·m3/ s 范围内校准了自带气室的薄膜渗氦型漏孔,结果表明,校准精度均在±5 %以内。

  早期还采用氦质谱检漏仪比较法校准漏孔。这种方法非常简单,它是通过比较已知漏率的漏孔和被校准漏孔在一台氦质谱检漏仪上产生的氦峰信号来实现漏孔校准的。20 世纪90 年代,中国开始致力于高精度标准漏孔校准装置的研制。1994 年,兰州物理研究所研制成功一台恒压式气体微流量计 ,流量测量范围为2 ×10 - 2~1 ×10 - 8 Pa·m3/ s ,不确定度为2 %。它被用来校准标准漏孔,校准是通过比较被校漏孔和气体微流量计分别在一台四极质谱计上产生的特定气体的离子流信号来进行的,如果流量计产生的流量与漏孔的漏率相等或非常接近,则可降低四极质谱计非线性对测量结果的影响。根据流量计的测量范围,当被校漏孔的漏率小于1 ×10 - 8Pa·m3/ s 时,需要考虑四极质谱计的非线性引起的不确定度。这台校准装置可校准的漏率范围为2 ×10 - 2~1 ×10 - 10 Pa·m3/ s。

  1997 年,中国计量科学研究院研制了一台定容式气体微流量计用于标准漏孔的校准 。定容式气体微流量计的测量范围为2 ×10 - 4~1 ×10 - 6 Pa·m3/ s ,不确定度小于1. 5 %;采用分流法校准技术后,漏率校准范围的下限可延伸到5 ×10 - 9 Pa·m3/ s ,不确定度小于9. 0 %。漏孔校准也是通过比较被校漏孔和气体微流量计分别在一台四极质谱计上产生的特定气体的离子流信号来进行的,但该方法基本上避免了四极质谱计的非线性引起的不确定度。

  在漏率标准方面,1998 年到1999 年,中国计量科学研究院和兰州物理研究所进行了漏率标准的国内比对,用10 - 8Pa·m3/ s 量级的一些标准漏孔作为传递标准,双方漏率标准的偏差为3 %。2002 年,兰州物理研究所和德国PTB 的漏率标准又进行了非正式双边国际比对,传递标准采用中国生产的薄膜渗氦型标准漏孔,结果表明其偏差为5. 6 %。

  自20 世纪90 年代,因航天工业的特殊需求,正压漏孔的校准在中国也成为一个关注的焦点。在我国,最先采用排水取气法校准正压漏孔,方法简单,但校准时间长和精度较差。1996 年,清华大学提出了3 种简易的校准方法 :第一种方法是改进型排水取气法;第二种方法是用充硅油的U 形管压力计测量绝对压差的压力容器测试法;第三种方法是采用差压式电容薄膜规的定容法,这种方法在2001 年经过进一步改进,成为一种比较实用的正压漏孔校准方法,这种方法通过测量压力差的变化,减小环境温度波动的影响,实现了正压漏孔校准。该套装置校准范围为1 ×10 - 5~3 ×10 - 6 Pa·m3/ s ,不确定度相应为5 %~15 %(置信度95 %) ,校准时间约为30 min。2001 年,兰州物理研究所研制的正压漏孔校准装置,采用定容法和定量气体动态比较法对正压漏孔进行校准,定容法校准范围为1 ×10 - 1~5 ×10 - 6 Pa·m3/ s ,其测量不确定度为2.6 %~9. 1 %;定量气体动态比较法校准范围为2 ×10 - 5~5 ×10 - 8Pa·m3/ s ,其测量不确定度小于14 %。

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