激光陀螺研制中的超高真空技术(2)

2008-10-27 剑气书生真空技术网整理

2.2、真空规

在真空台的操作过程中，准确测量真空度是十分重要的。测量真空的量具称为真空规（ Vacuum gauge ）或真空计（ Vacuum meter ）。在较高的压强情况下 [ 例如 1 大气压 ~13Pa （ 760~10 -1 Torr ） ] ，作用于单位表面上的力可以直接测出，因而困难不大，准确度也可以较高；但在低压情况下，压强是如此微小以至根本不能使用机械方法来进行直接测定，这样就要求用另外一些办法——主要是低压下气体的某些特性——来作相应的测定，而在测定的过程中不可避免地要在外界引入能量（热能、电能、机械能等），这样就同时造成了误差的来源，因而真空规比之于其他物理量的测定仪器，其准确度显然要低得多（除了基准量具以外，一般真空规的精确度部要求在 10% 以内）。同样的原因决定了各种真空规的不同量程、不同性能和不同的优缺点，于是就出现了特别复杂的选择真空规的问题。为了能够选定一种最合乎需要的测量工具，对于激光陀螺的真空台而言，就使用了宽量程规、电容规和 B-A 规等真空规对不同的真空段进行测量。

2.2.1、宽量程规

    宽量程规主要用于激光陀螺超高真空台粗真空和中真空的测量。图 1 所示真空台的宽量程规由热偶规和电离规组成，前者用来测量较低的真空度，后者用来测量较高的真空度。
    热偶规由规管和控制单元组成，规管的结构如图 2 所示，规管由加热丝和测温热偶丝组成。在低压强时，气体的热传导系数与气体的压强有关，热偶规就是根据这个原理设计的。热偶规的量程约为 1~100Pa ，可用于粗真空的测量。
    真空台使用的电离规为热阴极电离规，规管和基本电路图如图 3 和图 4 所示。规管均由三个电极，即灯丝、电子加速极及离子收集极组成。从灯丝发射的电子被加速后，使气体分子电离，产生的离子流与气体压强成正比。测量离子流即可计算出气体的压强，这就是电离规的工作原理。这种电离规的量程约为 10 -1 ~10 -5 Pa ，可用于中真空的测量。

2.2.2、B-A 规

激光陀螺真空台超高真空段的测量主要使用的是 B-A 规。它是一种改进型的电离规，因其设计者是 Bayard 和 Alpert 得名，由于采用了减少收集极暴露在 X 射线内的面积的设计，可以在超高真空状态 [p<10 -6 Pa （ 10 -8 Torr ） ] 下工作，而且其量程下限可以拓展到 10 -9 Pa （ 10 -11 Torr ）量级，因而成为超高真空测量中的“经典”量具， B-A 规的结构如图 5 所示。

2.2.3、电容规

在激光陀螺超高真空台中，除了用来测量一般真空度的宽量程规和测量超高真空的 B-A 规之外，因为还需要对充入陀螺内的惰性气体进行精确配比，因此配备电容规是必不可少的。与热偶规和电离规的测量原理不同，电容规是一种绝对真空计，即它可以直接反映压力的变化而与气体种类无关。电容薄膜真空规是基于薄膜的弹性变形来测量真空过程中的压强的，并将薄膜变形产生的电容变化转换为与压强成正比的线性讯号输出，其等效电路如图 6 所示。
现在比较先进的电容规的量程可达 10 -2 ~1.33 × 10 5 Pa （ 1 × 10 -4 ~1000Torr ），精度为 0.5% 。电容规的最大优点是可以全部用金属构成，因而可加热烘烤除气。它的量值与气体种类无关，不论气体或蒸汽都可有效的测量压强。其响应时间极短，仅为 0.1~0.002 秒。电容规本身的电容不吸收能量。缺点是对温度灵敏，室温变化将引起一定的零点漂移。

2.3、检漏仪

一个理想的真空容器可假定为毫无漏气，但任何实际容器都或多或少的存在着漏气现象。特别是在压强越来越低时，漏气逐步上升为真空过程中的主要矛盾。因此在真空技术中，漏孔或漏隙的检查（简称为检漏或测漏）也是十分重要的。对于激光陀螺来说，陀螺本身的密封性能直接影响到激光陀螺的寿命甚至能否出光的问题，所以检漏是激光陀螺制造工艺过程中必不可少的一环，也是真空台维护的基本技术之一。实际中采用的检漏方法有很多，但在漏孔特别小或系统容积特别大时，压强随时间的改变十分有限，这表示以测量压强为基础的各种检漏方法都不够灵敏，因此就要使用质谱检漏仪。在激光陀螺的检漏中我们使用氦质谱检漏仪。这种方法灵敏度高、反应迅速、检定可靠，而且对人和真空系统内的部件都没有损害。

3、影响真空度的因素和解决办法

设有真空台的气体流量为 U ，泵对它的有效抽速为 S e ，则可知容器内的平衡压强 p 如下式所示：