分子束法UHV/XHV校准系统结构与原理

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

  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

  设n0 和n 分别是克努曾室和校准室中的分子数密度; v0 和v 分别是这两室中分子的平均热运动速度。从克努曾室经小孔A1 向液氦冷却的分子束管中漫射的分子遵循余弦定律分布。碰到液氦壁上的分子全被粘着,碰到孔A2 的分子数为

  式中, l 为分子束管的长度, A1 , A2 分别为孔A1 ,A2的面积。

  稳态平衡时,从校准室经A2 漫射出的分子数与入射分子数相等,即

  如果校准室中的温度T 与克努曾室中的温度T0 相等,则

  从上式可知,此法的校准压力p 与孔A2 的大小无关。A2 的大小仅由校准室获得的本底压力来决定。分子束法校准下限可延伸到10-10Pa 以下。分子束法最大的缺点是很难达到理想的热平衡状态。图2 所示为美国NASA 的Peter Fowler 等于上世纪六十年代建立的分子束法UHV/XHV校准系统原理图 。美国的UHV/XHV 校准系统是作为阿波罗计划的一个项目。

 美国NASA 的分子束法UHV/XHV校准系统原理图

图2  美国NASA 的分子束法UHV/XHV校准系统原理图

  该系统复合了分子束法、压力衰减法和冷冻抽气技术,可在10-6Pa~10-11Pa 压力区间对飞行型真空规进行校准,校准误差小于5 %。通过外控联动机械装置,被校真空规在系统中可以水平摆动0°~40°和俯仰变化-5°~+5°,以改变规入口轴线与分子束轴线的夹角的变化来模拟航天器的偏航角和俯角的变化。高压气源2 中压力在13.3Pa~1.33 ×106Pa 范围变化,用旋转活塞规1测量,温度295K~301K,此已知压力经多孔塞3 注入到分子炉4 中,衰减了4~6 个数量级。分子炉中的气体经过已知尺寸的孔8按余弦定律漫射到液氦冷冻低温泵室14中。大部分气体分子被液氦壁捕获,只有很少一部分形成定向分子束9。分子束通过液氦冷却的通道到达被校规12的入口。

  美国在该UHV/ XHV 校准系统上主要对安装在阿波罗飞船上的真空计和质谱计进行校准 。

  图3所示为德国联邦物理技术研究院(PTB) 的G. Grosse 等于上世纪八十年代建成的分子束法UHV/ XHV 校准系统的结构图。该校准系统由不锈钢制作而成,采用全金属密封,由抽气单元(含分子泵、离子泵以及液氮冷却的钛升华泵) 和分子束管两大部分组成。分子束管的下端部分是克努曾室,其上通过接口法兰安装有参考规。产生低校准压力的必要条件是校准室壁的出气率极低,为此校准室预先要在真空炉中825K高温下除气72h,校准室中本底压力可达10-11Pa。该校准系统的量程和不确定度为: 10-10Pa、30%;10-9Pa 、15%; 10-8Pa 、10%。特别提及的一点是该校准系统需要装配校准过的电离规,由此可见分子束法并不是绝对校准方法。

 德国PTB 的分子束法UHV/ XHV 校准系统结构图

图3  德国PTB 的分子束法UHV/XHV 校准系统结构图

  在开始校准前, 整个校准系统先在300 ℃~400℃下烘烤36h 左右,被校规除气后连续工作15h以确保在器壁和电极表面达到吸附2解吸平衡。校准时在克努曾室的充气压力范围为10-5Pa~10-1Pa。在该UHV/XHV校准系统上对两个电离规(Helmer规和分离规)在10-5Pa~10-10 Pa 范围内进行了校准。在动态流量法UHV 校准系统上在10-2Pa~10-7Pa范围内对以上两个规也进行了校准。

  校准结果表明,在重叠区间10-5Pa~10-7Pa内,两个校准系统具有很好的一致性( 校准偏差小于1%) 。

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