固定流导法校准真空漏孔方法研究(1)

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

  检漏技术在航天、航空、电子工业、高能物理、核工业等方面应用十分广泛[1]。检漏工作通常使用氦质谱检漏仪,而氦质谱检漏仪要用真空漏孔进行标定,因此,需要建立真空漏孔校准装置对其进行校准。近20年来,国内外在真空漏孔的校准方面做了大量的研究工作,建立了一系列真空漏孔校准装置[2-8],根据工作原理的不同主要分为定容法、恒压法、检漏仪比较法、四极质谱计比较法、定容分流法和固定流导法等。

2、真空漏孔校准方法比较

  定容法是将真空漏孔漏出的气体引人已知体积的定容室,通过测量定容室气体压力的变化量来计算漏率,是一种直接校准真空漏孔的方法。这种方法需要专用标准体积测量各定容室的容积,每次校准真空漏孔时都需要重新测量接头的体积,工作过程比较繁琐。由于校准过程是静态的,材料漏放气对校准结果的影响大,材料表面处理工艺要求严格,校准下限受到限制,所以定容法只适合于校准较大漏率的漏孔。

  恒压法是将恒压式流量计提供的气体流量与真空漏孔产生的漏率用四极质谱计进行比较,从而得到真空漏孔漏率值。恒压法校准装置的核心是恒压式流量计。恒压式流量计在保持变容室内气体压力恒定的条件下,测量体积的变化量,从而得到气体流量。这种装置的校准范围由恒压式流量计的测量范围决定,通常为10-3~10-8 Pa· m3/s。现在国际上通用的流量计结构是波纹管压缩式和活塞杆推移式2种:德国PTB的波纹管是经过7年实验,在大量波纹管中选出理想的一根[3],国防科工委真空计量一级站采用电机驱动活塞杆压缩油的方式工作。总体来说,恒压法真空漏孔校准装置结构复杂,研制费用高,需要自动控制和精密机械加工等多方面的知识和人员,不易于进行大批量的校准工作。虽然恒压法校准不确定度小,但流量校准下限也不能满足绝大多数漏孔的漏率范围。

  检漏仪比较法是将已知漏率的真空漏孔作为参考标准,运用检漏仪将参考标准的流量与待校真空漏孔气体流量进行比较,从而得出待校真空漏孔漏率值。由于检漏仪和真空漏孔的稳定性差,检漏仪的灵敏度和线性无法保证,所以这种方法的测量下限无法满足要求,测量不确定度大,一般用于工业现场测量,而不适合于真空计量部门进行真空漏孔的校准。

  四极质谱计比较法与检漏仪比较法类似,只是流量比较器用四极质谱计替换了检漏仪,也同样需要已知漏率的真空漏孔作为参考标准。虽然四极质谱计的分辨率高、测量下限低,但其稳定性和线性差,四极质谱计计量学特性的研究是国际上目前仍没有完全解决的一个难题,因此校准结果无法令人信服。

  定容分流法[5]是定容法延伸测量下限的一种方法,是定容式流量计向外提供流量,经一定比例的流量分流后,用四极质谱计作为比较器校准真空漏孔的方法。这种方法系统复杂,中间环节多,需要定容法流量计、分流系统,还要精确测量流量的分流比例等。此外,尽管在消除四极质谱计非线性方面作了考虑,但不能完全消除四极质谱计非线性影响。

  固定流导法是将通过已知流导小孔的气体与真空漏孔流出的气体用四极质谱计进行比较,从而得到真空漏孔漏率。小孔是用机械、激光等加工方法制作而成。小孔流导的大小可以用定容式流量计或恒压式流量计精确测量,通过小孔的气体流量等于稳压室气体压力与对应小孔流导之积。通过调节稳压室的气体压力很方便地调节通过小孔的气体流量,使其与待校真空漏孔漏率相同或非常接近,从而避免四极质谱计的非线性影响。这种方法简单实用,便于实现,校准范围宽,测量不确定度小。

3、固定流导法校准装置

  固定流导法校准真空漏孔的装置由固定流导法流量计、校准系统和被校漏孔三部分组成,如图1所示。固定流导法流量计如图1左边所示,主要由固定流导小孔、稳压室、电容薄膜规、气瓶、阀门以及抽气机组等组成,可根据需要向校准系统提供已知流量的气体。校准系统如图1中问所示,主要由质谱分析室、四极质谱计、超高真空电离规和抽气机组组成。被校漏孔如图1右边所示,主要由自带气室型真空漏孔(如薄膜渗氦型漏孔)、通道型真空漏孔、稳压室、气瓶和阀门等组成。

4、真空漏孔校准原理

4.1、流量计测量原理

  气体通过固定流导小孔的流量用式(1)计算[9]

Qs=C(p-p')  (1)

 

1, 30. He气瓶;2,28.微调阴;3,4,8.全金属隔断间;5.固定流导小孔6.FS13.3 kPa电容薄膜规;7,2 7.稳压室;9.F5 13.3 Pa电容薄膜规;10,1 8.C F35全金属超高真空角阀;11,1 9.分子泵;12,13 .电磁隔断闷;14,2 0.机械泵;15.四极质谱计;16.质谱分析室;17.超高真空电离规;21.22,23.手动超高阀;24,25,26.被校漏孔;29精密真空压力表

  图1固定流导法校准真空漏孔装置

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