超高/极高真空校准研究进展

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

  概述了在超高/极高真空校准方面的研究进展。介绍了采用分子束法、压力衰减法、流导调制法以及分流法校准超高/极高真空规的原理、校准系统的结构及性能,并分析了它们的优缺点。从中可以看出,近年来随着真空材料处理技术、容器内表面处理技术和真空获得技术的进展,在10-10Pa~10-8Pa 压力范围的超高/极高真空校准技术也取得了可喜的进展,校准系统的研制、维护成本日趋低廉,校准方法更为简单,校准结果更为准确。

  在我国超高真空(UHV) 定义为10-5Pa~10-9Pa的压力范围,极高真空(XHV)定义为低于10-9Pa 的压力范围。

  UHV/XHV 测量在空间科学、真空表面分析、核聚变、高能加速器、真空微电子技术等方面具有广泛的应用价值。UHV/XHV 规是超高/极高真空测量的主要工具,要得到准确的测量结果,就必须建立相应的真空校准系统,对这些真空规进行精确校准,以保证UHV/XHV条件下应用的可靠性。目前,在10-5 Pa~10-7Pa 的超高真空范围,主要工业国家的计量机构(如美国NIST、意大利IMGC、德国PTB、英国NPL、日本NIMJ、韩国KRISS、印度NPLI以及中国LIP和NIM等) 都建立了各类真空校准系统,采用的校准方法主要有静态膨胀法和动态流量法,并进行了各种双边和多边国际比对,取得了较好的一致性。10-5Pa~10-7 Pa 的UHV 校准系统的原理趋于成熟,性能趋于稳定,主要工作是不断进行深入研究,进一步减小校准系统的测量不确定度。而在10-8Pa~10-10Pa的UHV/XHV范围,早期只有美国和德国等少数国家建立了真空校准系统,采用的校准方法主要有分子束法、压力衰减法等。

  近年来随着真空材料处理技术、容器内表面处理技术和真空获得技术的进展,UHV/XHV校准技术也取得了可喜进展,日本、中国等国家也先后建立了UHV/XHV校准装置,德国又建立了新的UHV/ XHV 校准装置,采用的校准方法主要有压力衰减法、流导调制法、分流法等。本文将对10-8Pa~10-10Pa 的UHV/ XHV校准系统以及所采用的校准方法进行介绍。

1、UHV/XHV校准研究进展

1.1、分子束法UHV/XHV校准系统

  分子束法是早期用于UHV/XHV校准的主要方法。分子束法的校准原理如图1 所示,由克努曾(Knudsen)室、低温室和校准室组成。

分子束法校准原理图

图1  分子束法校准原理图

  详细分节内容请参考:分子束法UHV/XHV校准系统结构与原理

1.2、压力衰减法UHV/XHV校准系统

  压力衰减法是将气体通过微调阀引入到超高真空室,再通过一分子流流导很小的小孔流入到XHV校准室,达到平衡时,用磁悬浮转子规电容薄膜规测量UHV 室中的较高压力,通过计算得到XHV校准室中较低压力。

  详细分节内容请参考:压力衰减法UHV/XHV校准系统结构与原理

1.3、流导调制法UHV/XHV校准系统

  流导调制法(CMM)实际上是一种动态流量法校准原理,但该方法可以补偿由于泵自身的出气引起的有效抽速S的下降,测量更精确,是一种基础方法。

   详细分节内容请参考:流导调制法UHV/XHV校准系统结构与原理

1.4、分流法UHV/XHV校准系统

  分流法是在动态流量法基本原理的基础上提出的。由于气体微流量计流量测量范围和校准室极限真空度所限,动态流量法的校准下限一般在10-6Pa~10-7Pa之间。为了将真空规的校准下限延伸到XHV范围,提出了流量分流法基本思想,即将已知流量气体注入到分流室,再通过分流室上两个流导相差很大的小孔将气体流量分流到XHV校准室和UHV校准室,这样很少部分流量流入XHV校准室,绝大部分流量流入UHV 校准室,从而延伸了校准下限,分流法是对动态流量法的发展。

  详细分节内容请参考:分流法UHV/XHV校准系统结构与原理

2、结束语

  通过对超高/ 极高真空校准的回顾,可以看出,目前在10-5Pa~10-7Pa 的超高真空范围,主要工业国家的计量机构都建立了各类真空校准系统,采用的校准方法主要有静态膨胀法和动态流量法,并进行了各种双边和多边国际比对,取得了较好的一致性。近年来随着真空材料处理技术、容器内表面处理技术和真空获得技术的进展,在10-8Pa~10-10 Pa压力范围的UHV/XHV的校准技术也取得了可喜的进展,校准装置的研制、维护成本日趋低廉,校准方法更为简单,校准结果更为准确。目前,世界上已有美国NASA、德国PTB、日本NIMJ(原ETL)和ULVAC、中国LIP等国家的计量机构建立了10-8Pa~10-10Pa 压力范围的UHV/XHV 校准系统,校准方法有分子束法、分流法、压力衰减法、流导调制法等。相比之下,中国LIP的校准装置由于采用室温抽气手段,所以研制、维护成本更为低廉。

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