中国真空计量发展概述(4)
自20 世纪70 年代,中国的真空校准工作主要集中在兰州物理研究所和中国计量科学研究院,并逐渐形成中国真空计量中心。1975 年,李旺奎等人报道的超高真空动态流量法校准装置,在兰州物理研究所建成[74 ] 。该校准装置用自制的精密玻璃小孔和玻璃毛细管作标准流导,新型标准压缩式真空规作前级参考标准,具有液氮冷阱的2 台水银扩散泵串联抽气系统可获得5. 3 ×10 - 10 Pa 的极限真空度,因此校准下限可扩展到10 - 8 Pa 。1975 年也有前级测量流量的动态流量法真空校准装置报道[75 ,76 ] ,但校准装置的性能指标没有李旺奎等人的好。
1977 年,中国计量科学研究院相继建成了玻璃动态流量法真空校准装置[77 ]和金属静态膨胀法真空校准装置[78] 。在动态流量法真空校准装置中,采用了滴管式流量计,流量测量范围为10 - 3～10 - 6 Pa·m3/ s ,不确定度为1 %;压力校准范围为10 - 1～10 - 7 Pa ,不确定度为5 %(10 - 6 Pa) 和11 %(10 - 7 Pa) 。在静态膨胀法真空校准装置中,采用了6 个小体积和2 个膨胀室(30 L 和60 L) 构成两级串联膨胀系统,取大气压力(由标准气压计测量) 作为原始标准压力,校准范围为103～10 - 4 Pa ,不确定度为3 %( k = 3) 。
1981 年,黄振邦等人提出了一种带选择性吸气泵的静态膨胀法真空校准装置[79 ] ,用锆铝泵或钛升华泵长时间使密封容器平衡在较低的本底压力,用氦气作为实验气体进行了校准。尽管实验只在10 - 1～10 - 4 Pa范围进行,但该方法为降低静态膨胀法吸放气的影响提供了一种途径,而且具有进一步降低静态膨胀法校准下限的潜力。
从20 世纪90 年代开始,兰州物理研究所致力于新一代全金属真空校准装置的研制。为了满足工业部门对真空校准的需求,1994 年,李得天等人研制了组合型真空规校准系统[80] 。系统包括3 种校准方法,即动态直接比对法、静态膨胀法和静态直接比对法,可完成10- 4～105 Pa 范围内的校准。用户可根据实际应用,选择不同的参考标准和校准方法,但不改变系统的基本结构。1997 年还实现了校准系统的计算机自动控制[81] ,系统具有保护、报警、语音提示等功能,提高了工作效率和安全可靠性,避免了由于误操作或真空系统故障造成的经济损失,是一种非常适合于日常校准用的实用性校准装置。1998 年,吕时良等人研制出新一代全金属静态膨胀法真空校准装置[82] ,充分考虑了各种不确定度的影响因素,并将它们控制在合理的范围内。该校准装置设计了4 个小体积和2 个100 L 的校准室,可以采用多种方法对电容薄膜规和磁悬浮转子规进行校准。这些方法包括一级膨胀法、二级膨胀法、三级膨胀法和与石英规直接比对法,校准范围为105～10 - 4 Pa ,不确定度为0. 01 %～1. 00 %。
1999 年,李旺奎等人研制出全金属动态流量法超高真空校准装置[83] 。校准装置由校准系统、恒压式气体微流量计、抽气系统和计算机控制系统组成。为动态流量法真空校准装置而研制的前级标准,是中国第一台全金属恒压式气体微流量计。该流量计采用活塞连续运动的方式改变变容室体积以维持变容室中压力恒定,其流量测量范围为3. 5 ×10 - 3~2. 0 ×10 - 8 Pa·m3/ s ,不确定度小于2. 3 %。在理论分析和计算机蒙特卡罗模拟计算的基础上,提出校准系统采用四球结构,校准球室直径为500 mm。这种校准装置极限真空度为6.5 ×10 - 9 Pa ,校准范围为10 - 2~10 - 7 Pa ,不确定度为3 %(10 - 2~10 - 6 Pa) 和10 %(10 - 7Pa) 。
自20 世纪80 年代,中国计量科学研究院(NIM) 和兰州物理研究所(L IP) 开始加入到真空标准国际比对行列中。NIM 的静态膨胀法真空标准和压缩式真空规参加了世界范围内9 国之间的比对,传递标准采用SRG,各实验室与平均值之间的偏差在±1 %以内[84 ] 。1987 年到1989 年LIP 的压缩式真空规与德国PTB的静态膨胀法真空标准进行了两轮比对[85 ] :采用SRG做传递标准,偏差为0. 3 %;采用DL22 热阴极电离规做传递标准,偏差为1. 5 %。1995 年到1996 年,L IP 的静态膨胀法真空标准与美国NIST 的动态流导法真空标准进行了比对,采用SRG做传递标准,其偏差为0. 3 %。2002 年到2003 年,L IP 的静态膨胀法真空标准与德国PTB 的静态膨胀法真空标准进行了比对,采用SRG做传递标准,其偏差为0. 41 %。这些国际比对结果表明,中国真空量值与国际先进实验室真空量值的一致性较好。
3、分压力测量与校准
3.1、分压力测量
真空测量技术在众多研究和生产领域已成为一种必不可少的技术,为真空系统提供大量的有效信息。在有些情况下,提供真空系统的全压力信息可能就足够了,但如果要了解真空系统中发生的现象的详尽信息,就必须借助分压力质谱计才能完成。在各种分压力质谱计中,四极质谱计发展很快。作者就中国研制的一些质谱计进行简要回顾。
早在1959 年,复旦大学就制作了射频质谱计[86] 。根据资料[87]的介绍,20 世纪60 年代初研制的射频质谱计,其质量范围为1090 amu(原子质量单位) ,分辨本领520 ,工作压力范围为10 - 2～10 - 4 Pa 。
回旋质谱计是在1960 年首先由成都电讯工程学院研制成功。1965 年,兰州物理研究所研制出定量精度为20 %的简单型回旋质谱计成套设备,特点是质谱计管体积小,易于去气,定量性能好,因而对被测环境的影响小,特别适合于高真空和超高真空的气体分析和超纯气体分析。当时被用于空间材料分析、电真空器件残余气体分析、原子能工业氘氚气体纯度分析以及地质年龄测定等。其质量范围为160 amu ,分辨本领570/ M ,工作压力范围为10 - 4～10 - 8 Pa 。
1965 年,兰州物理研究所研制的线振静电质谱计是一种不用磁场的静电场质谱计。它以TCC6 作为高频电源,用高频微伏表检测信号,可以获得约为10 的分辨本领,在160 原子质量单位的质量范围,可检测出油扩散泵系统中H2O、N2 + CO 谱峰等。
