小孔流导测量方法的研究(1)

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

1、引言

  在分子流条件下小孔流导值是恒定的,流导的大小与小孔的几何形状有关。对于几何形状规则的小孔,可通过理论计算得到流导值;而对于几何形状不规则的小孔,只能通过实验的方法测量流导值。对于直径仅有10μm的小孔来说,通过实验测量小孔的流导值,可向真空系统提供已知的气体流量,这对于气体流量测量和真空处理工艺中流量的引人有着重要的意义。为此需要研究小孔流导的测量方法,测量小孔的流导值,以便提供准确的气体流量。

  采用定容法气体微流量校准装置和恒压法气体微流量校准装置分别测量了小孔的流导值。为了验证小孔流导测量的准确性,在小孔一端分别充人气体达到一定的压力值,通过已测流导的小孔流出,向真空系统提供一定的流量。同时测量同一只真空漏孔的漏率值,比较了2种测量方法的一致性,得到了比较满意的测量结果。

2、定容法测量小孔流导

2.1、定容法气体微流量校准装置

  定容法气体微流量校准装置由定容法流量计、流量比较系统、真空抽气系统和测量与控制系统4部分组成,如图1所示。定容式流量计由定容室、压力测量单元、供气系统、抽气机组、针阀和截止阀等组成。流量比较系统采用了双球形结构,在球的赤道法兰上装有真空规、四极质谱计、磁悬浮转子规等。真空抽气系统由主抽分子泵、辅抽分子泵、溅射离子泵、干泵、阀门等组成,采用了无油真空抽气系统,校准室极限真空度为5.80 × 10 -8 Pa。

  定容法气体微流量校准装置可采用流量流人法、流量流出法和流导法对气体微流量进行校准。流量流入法的校准范围为(5×10-8~ 5×10-3) Pa·m3/s,合成标准不确定度为0.56%~0.75%。流量流出法校准范围为(5×10-8~5×10-2) Pa·m3/s,合成标准不确定度为0.91%~1.50%。流导法校准范围为(5×10-11~5×10-6)Pa·m3/s,合成标准不确定度为1.0%~1.6%。

1,24.恒温箱;2,3,4,25,26.待校漏;5,6,7,8,28,29,30,33,35,37,40,42,43,46,49,50,
52,59,62,63,65,66,67,68,69.截止阀;9.分离规;10.四极质谱计;11.上球室;12.限流孔;13,15,19,21,56.角;14,45.磁悬浮转子规;16.冷阴极规;17.下球室;18,54.溅射离子泵;20,22,57.分子泵;23,58.机械泵;27,32,34,39,41,47,51,55,60.定容室各体积;31.差压电容薄膜规;36,61.针阀;38.流导小孔;44.标准体积;48,53.绝压电容薄膜规;64.压力表;70,71,72.气瓶。


图1 定容法气体微流量校准装置

2.2、定容法测量小孔流导的原理

     当温度恒定时,在分子流条件下,某一种气体通过小孔流出,这时小孔的流导值是恒定的,可用下式计算

 (1)

  式中c为小孔的流导,m3/s; Q为气体通过孔的流量,Pa·m3/s; p、 p1,为分别为小孔两侧的气体压力,Pa。

  当孔两侧的气体压力P、P1之比大于1000倍时,P、P1之差可以用孔人气口压力P代替,可用133 Pa绝压电容薄膜规测量。

  当用定容式流量计测量时,可用下式计算流量

(2)

  式中V为定容室体积,m3,用已知标准体积,根据气体膨胀原理测量;t为测量时间,s,用计算机的内部时钟测量。

  将式 (2) 代人式(1)可得

(3)

  边界条件取t等于0时,p等于p0,解微分方程可得

(4)

  将式(4)改写成式(5)可得

(5)

  式中 δp为在t时间内,定容室的压力变化量,Pa,用图1中的31差压电容薄膜规测量。

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