磁悬浮转子规在分压力测量中的应用(1)

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

1、引言

  进入80年代,质谱分析技术在科学及工业领域中的应用与日俱增,许多方面都对分压力质谱计提出了定量要求。随之而来的是国际上对分压力质谱计校准技术研究的高度重视。从1985年召开的首届国际分压力质谱计校准专题讨论会来看,美国、加拿大、英国、奥地利、德国、意大利和日本等国家已在进行这方面的研究,并逐步建立了一些质谱计校准系统和形成了质谱计校准方法,尤其是美国真空学会还在1993年公布了新的质谱计校准推荐方法。

  通常,质谱计测量结果的精度取决于2个因素; 一是校准过程中使用的参考标准的精度和校准系统的适用性;二是质谱计本身的性能。由此看来,气体成分的分压力校准技术研究应包括以下3个方面的内容:①校准系统的研制;②校准技术的不断改进;③质谱计的计量学特性探索。

  目前,国内外对质谱计计量学特性的研究相对较多,而对分压力校准系统的研制和分压力校准技术的研究相对较少,要有效地进行分压力校准必须对上述3方面的内容进行深入的研究,三者缺一不可。本文作者将探讨磁悬浮转子规用于分压力测量的可行性,并给出了2种分压力测量方法和实验结果。

2、磁悬浮转子规(SRG)测量分压力

   当SRG测量单一气体的压力时,压力p表达式为

(1)

  式(1)中K为与转子和温度有关的常数;σ为某一气体的切向动量传递系数;M为某一气体的分子量; (-·ω/ω)为转子转速的相对衰减率。用式(1)不能直接测量分压力,但经过分析,通过适当的转换,可以实现分压力的测量。对于SRG,式(1)成立的条件是在分子流状态下,即气体分子之间无碰撞,这样在混合气体条件下,每种气体成分与转子发生碰撞引起的转子转速衰减率是相互独立的。因此,在混合气体条件下,可以对每种气体成分引起的转子转速的相对衰减率进行线性迭加,只要让SRG的测量输出为 (-·ω/ω),就可方便地得到混合气体中气体成分的分压力,分压力测量原理如图1所示。方法如下:①用气体1在真空室中建立一定的动态平衡压力,用SRG测出该气体引起的转子衰减率 (-·ω/ω)1+2;②保持气体1压力不变,用气体2在真空室中建立第2种气体的某一动态平衡压力,这时真空室中为2种气体的混合物,所以SRG测出的转子衰减率为2种气体作用所产生的衰减率 (-·ω/ω)1+2,这样第2种气体所产生的转子衰减率应为(-·ω/ω)2=(-·ω/ω)1+2-(-·ω/ω);③测出了两种气体分别所产生的转子衰减率,由式(1)就可得到两种气体成分的分压力p1和p2

  如果气体成分超过2种,同理可以得到各种气体成分的分压力。SRG的测量范围为10-5~1Pa,因此,只要混合气体的总压力在此范围内,就可用SRG精确地测量出各种气体成分的分压力。

3 、用磁悬浮转子规(SRG)与电容规(CDG)测量2种气体混合物分压力

  如果真空室中的气体是已知的2种气体,并且压力均在SRG和CDG的可测范围内,则用SRG和CDG可测出两种气体成分的分压力。其理论如下:

  在SRG测量压力的基本表达式(1)中,σ 随气体种类的变化非常小,可以认为是常数,于是在一定温度下有关系式:

(4)

  如果测量的是2种气体的混合物,则根据前面的分析有:

(5)

  引入有效分子量M,则有:

(6)

  或

(7)

  式中α1、α2分别为第1种和第2种气体的分压力p1和p2与总压力pt之比。这样如果已知两种气体成分的比例,则以有效分子量Me输入SRG,即可测出总压力来。

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