比对法真空计校准系统实验原理

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)合肥工业大学机械与汽车工程学院 作者:朱 武

       在真空测量实践中, 用真空规和真空仪器比较精确地去测量被研究的稀薄气体压力, 以达到预期的目的, 必须考虑以下3 个问题: ① 了解被研究的对象; ② 根据研究对象的情况和研究的目的, 正确选用真空规; ③ 研究真空规与被测对象之间的相互作用。如果不能很好地解决上述3个方面的问题, 将会引起较大的误差, 甚至发生明显的错误。

      从真空应用角度看, 在一些特定的场合(如高能研究、空间技术等) 要求有较高的测量精度(误差<1% ) 。因此,这样的高精度, 对于粗低真空范围(1E5~1E2 Pa ) 的真空测量来说是容易满足的, 但在高真空的范围(1E-1 ~1E-5 Pa ) 内, 需经过努力才能达到。

       全超导托卡马克装置是一个大型复杂装置,真空系统是该装置的重要组成部分之一。真空度的有效监测与控制将直接影响到等离子体质量,进而影响到光束的强度、能量和等级。托卡马克装置等离子体放电所需的真空度在1E-4 ~1E-1Pa 范围内, 为了准确地监视真空系统的工作状态, 首先必须精确地测量真空度。为此, 作者自行研制了一套真空校准系统, 借助副标准真空计并通过比对法, 对工作用真空规及仪器进行标定和校准, 以提高被校规的精密度和准确度。

实验原理

       静态膨胀法被用于相对真空规(电离规) 的校准。在等温条件下, 将已知体积和压力的小容器中的永久气体膨胀到已知体积的低压大容器中, 根据波义耳定律计算出膨胀后的气体压力。膨胀法校准系统是静态校准系统, 它的最大优点是真空系统中的气流分布是一种较理想的随机状态, 能够满足气体分子运动论的基本假设 。

单级静态膨胀校准系统的原理, 如图1 所示。

单级静态膨胀校准系统

      图1 中V1、V2、V3分别为气源室、膨胀小室和校准室的体积; p0、p分别为气源室和校准室的压力;W 1~W 5 为管道阀门

       当系统各部分抽至本底压力,关闭阀W2、W4和W5,使校准室和气源室处于静态真空。气体样品经阀W1送入气源室,达到所需压力p0即关闭W1。通过阀W3和W4的开关作用, 将膨胀小室中已知压强和体积的气体,一次一次地膨胀到校准室。假定膨胀是等温的,而且没有气体损耗, 则第一次膨胀后, 校准室的压力可表示为

       其中, p 是校准室在静态下的本底压强, 它比被校最低压力低2个数量级,因而可以忽略。

      V2/V3为单级系统的容积比, V2<V3,所以V 2/(V2+ V3)≈V2/V3。单级膨胀系统经n 次膨胀后校准室的压力为

 

     单级膨胀系统校准范围是1E-2~1E-4 Pa , 降低气源室压力, 可以适当延伸压力校准的下限。增大校准室容积或减小膨胀小室容积,是减小容积比、延伸压力校准下限的一种方法,而采用多级膨胀是减小容积比的行之有效的方法。

       在静态膨胀法真空校准的研制和使用中, 应注意前级标准的选择、取样室和校准室的容积和容积比的精确测量、标准压力的计算和修正,还需要考虑吸附效应、温度效应和实际气体效应对校准压力的影响。

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