定容法和定量气体动态比较法校准正压漏孔比较

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)兰州物理研究所 作者:张涤新
定容法校准正压漏孔方法

  在温度恒定的条件下,用压力p 和容积V 的乘积pV表示气体量,这时漏孔漏率Q 就是pV 对时间t的全微分,即:

  如果容积保持不变,则为定容法;如果压力保持不变,则为恒压法。对于校准正压漏孔来说,定容法与恒压法相比,测量上限容易延伸;测量下限都受到温度波动的影响,基本相同。但恒压法校准装置的结构比较复杂,技术难度较大,故正压漏孔校准一般采用定容法。

  用定容法校准正压漏孔时,在定容室中充入1个大气压的空气,在配气系统中充入2个大气压的示漏气体。将正压漏孔的出口端与定容室相连接,入口端与配气系统相连接。通过正压漏孔把示漏气体引入到定容室中,引起定容室中的压力上升。在定容室容积不变的条件下,通过测量定容室中的压力变化值和所用的时间,考虑到温度的修正,可得到正压漏孔的漏率:

式中Q 为正压漏孔的漏率,Pa·L/s;V为定容室的容积,L;△p为定容室中的压力变化值,Pa; △t为定容室中的压力变化△p时所用的时间,s;Tr为参考温度,296K;T为定容室中的气体温度,K。

  当测量较大的漏率时,由于定容室中压力最大允许变化量△p为出口压力的5%,即5kPa,从式(2)可知,这时要增加定容室的容积(10L )和减少测量时间,以满足定容室中的压力变化量△p不超过出口压力的5%。当测量较小的漏率时,为了满足定容室中的压力变化量△p 和测量时间△t 不至于太长,应尽量减小定容室容积(3×10 -2L)。

  根据100~5×10 -3Pa 漏率的校准范围,设计了4个容积不等的定容室。定容室中的压力采用了美国MKS公司生产的电容薄膜规测量。当测量的压力变化范围在100~5000 Pa时,用133kPa电容薄膜规测量;当测量的压力变化范围在50~133Pa时,用133Pa差压式电容薄膜规测量。

  定容法的测量上限主要取决于定容室容积,10L(定容室Ⅱ的漏率测量上限可达100 PaL/s,能够满足对漏率较大的正压漏孔的校准。定容法的测量下限主要取决于温度波动,为5×10 -3 PaL/s。

定量气体动态比较法校准正压漏孔方法

  利用定容法校准较小漏率的正压漏孔会产生较大的误差。因为当正压漏孔的漏率较小时,气体流入定容室所引起的压力变化非常慢,这就要增加测量时间△t,这时由温度波动引起的压力变化量已大于气体流入定容室中引起的压力变化量,因此限制了定容法的校准下限。为了解决较小漏率正压漏孔的校准问题,提出了用定量气体动态比较法校准正压漏孔,以延伸正压漏孔的校准下限。

  定量气体动态比较法是在累积室中充入一个大气压的空气,通过正压漏孔把示漏气体引入累积室中。经过△t的累积时间,将累积室中的混合气体膨胀到10L的定容室Ⅱ中时进行压力衰减,通过分子流动态进样引入到质谱分析室中,用四极质谱计测量示漏气体的分压强p1;再把标准压力为ps 的示漏气体用已知小容积配制成ps×V1 定量气体,并与累积室中的一个大气压的空气混合后膨胀到定容室Ⅱ中,通过分子流动态进样引入到质谱分析室中,用四极质谱计测量定量气体的分压力p2。通过比较两次测得的示漏气体分压力,计算出正压漏孔的漏率:

  四极质谱计实际测量的是示漏气体的分压力所对应的离子流。设累积气体中的示漏气体所对应的离子流为IL,定量气体中的示漏气体所对应的离子流为IV。如果考虑到空气中含有的示漏气体成分和示漏气体对正压漏孔校准系统的污染,用累积室配制一个大气压的空气样品,膨胀到10L 的定容室Ⅱ中,通过分子流动态进样引入到质谱室中,用四极质谱计测量对应于示漏气体的离子流为IA,由式(2)可得实际的漏率计算公式如下:

  为了增加示漏气体的浓度和减少示漏气体的累积时间,必须尽量减小累积室容积。累积室容积由正压漏孔的出口端与阀门11之间的小容积组成,小于10ml。

  为了避免四极质谱计线性误差,通过调节示漏气体标准压力ps,或选用1ml 或10ml的定量容积进行配气,使得两次测量的示漏气体离子流IA与IL尽量地接近。示漏气体的标准压力调节范围为1.33×10 3~10 Pa,可用满量程13.3kPa 电容薄膜规测量。气体累积时间△t为100~10 000,校准范围为2×10 -2~5×10 -5 PaL/s。

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