正航儀器動態流量法超高真空標準裝置結構
時間：2015-08-25 作者：正航儀器 點擊:次
正航儀器動態流量法超高真空標準裝置結構
動態流量法用于高真空和超高真空區間的一種校準真空規的絕對校準方法。在分子流條件下，連續地注入已知流量Q的氣體于校準室中，并通過已知流導C的小孔進行抽氣，從而在校準室內建立起可精確計算的動態平衡壓力p。
如校準室中的氣體處于熱力學平衡狀態，則有：
Q+Q0-pSg-(p-pe)C=V dp/dt (1)
式中Q為注入的氣體流量(PaL/s);Q0為校準室內表面的放氣量(PaL/s);p為校準室內的壓力(Pa) ; Sg為被校真空規的抽氣速率(L/s),pe為抽氣室內的壓力(Pa);C為校準室出口小孔的流導(L/s),V為校準室的體積(L),dp/dt為校準室壓力隨時間的變化速率(Pa/s)。
如能滿足下列條件: (1) Q0 <1%Q; (2)泵的抽速 Sp>50C; (3)Sg<1%C;(4)校準室內表面積≈小孔面積1000倍。
當壓力穩定平衡(dp/dt=0)時,則式(1)可簡化為p = Q/C (2)
由式(2)可知,用微流量計精確測量Q和根據分子流理論由小孔直徑和厚度計算出C,就能得出p值。
作為計量標準,計算公式越簡單,其準確度就有可能越高。但要得到此簡單的公式,就必須滿足上述一些條件,這就是本標準裝置的設計難點和研制關鍵。
動態流量法超高真空標準裝置由校準系統、微流量計系統、抽氣系統和計算機控制系統四部分組成,如圖1所示(控制系統未畫入)。圖中Ⅰ為流量計系統; Ⅱ為校準和主抽氣系統; Ⅲ為前級抽氣系統。1,21 為機械泵;2,13為渦輪分子泵;3為基準室;4為可變容積室;5為活塞;6為ACD G,7 為DCD G;8為裸規;9為入口室;10為裸規室;11 為校準球室;12 為離子泵;14 ,16為插板閥;15為抽氣室;17為低溫泵;18為鈦升華泵;19為冷阱;20為羅茨泵
1.校準系統
根據國際標準(ISO3570/1)的要求和我們多年的理論研究成果,校準系統按照四球結構進行了設計。校準室、入口室和裸規室采用球形結構 ,抽氣室為滿足內切球要求的圓柱形結構。
在校準系統的設計過程中,進行了計算機模擬設計 ,選擇最佳的結構尺寸 ,使校準室中的氣體盡可能接近于熱力學平衡狀態,以減小分子流場的不均勻分布和分子束射效應。
校準球室的直徑為500mm ,內表面積為7854cm2,有10個法蘭孔 ,用于安裝被校真空規。入口球室和裸規球室連接在校準球室上,直徑為150 mm。小孔安裝在校準球室與抽氣室連接的位置上。
氣體注入入口球室 ,經此室散亂后 ,再經小孔注入校準球室 ,以降低分子束射效應。
裸規球室實際是一個壓力平衡轉換器 ,為了防止入射的氣體分子直接進入規管的電離區 ,氣體分子通過一擋板進入裸規球室內。
小孔直徑為3.2939cm,厚為0.252mm,兩者比為1/131。孔面積為8.521cm2。孔面積與校準球室內表面積之比為1.08×10-3,接近1/1000。小孔流導C=99.186L/s(N2) 。抽氣室為直徑500mm ,高500mm的圓柱形 ,其體積大于校準室的體積。
恒壓式氣體微流量計系統用于產生和測量氣體流量Q,流量范圍3×10-3～1×10- 8Pa m3/s,不確定度<2%。恒壓不穩定度為0.01%。
獲得10-9Pa的極限真空是一項十分復雜的技術 ,對于一個較龐大的真空系統來說更是如此。抽氣系統由主抽氣機組、前級抽氣機組、管道和閥門組成。主抽氣機組由低溫泵、鈦升華泵、分子泵、濺射離子泵、插板閥等組成。前級抽氣機組由羅茨泵、擋油阱、機械泵等組成。
主抽泵為φ500mm口徑的制冷機低溫泵 ,對氮氣(N2)的抽速為16m3/s,對小孔的有效抽速為6.6m3/s,遠大于小孔流導值的50倍。在獲得極限真空的過程中需要300℃高溫烘烤48h,在主泵上配置了插板閥 ,并用一臺抽速為1.5m3/ s的分子泵作為烘烤時的抽氣泵。同時選用一臺15m3/s的液氮冷凍升華泵和一臺0.4m3/s的濺射離子泵作為獲得極限真空的輔助泵。前級泵是一臺抽速為100 m3/h的羅茨泵和一臺50 m3/h 的雙級旋片泵。
動態流量法用于高真空和超高真空區間的一種校準真空規的絕對校準方法。在分子流條件下，連續地注入已知流量Q的氣體于校準室中，并通過已知流導C的小孔進行抽氣，從而在校準室內建立起可精確計算的動態平衡壓力p。
如校準室中的氣體處于熱力學平衡狀態，則有：
Q+Q0-pSg-(p-pe)C=V dp/dt (1)
式中Q為注入的氣體流量(PaL/s);Q0為校準室內表面的放氣量(PaL/s);p為校準室內的壓力(Pa) ; Sg為被校真空規的抽氣速率(L/s),pe為抽氣室內的壓力(Pa);C為校準室出口小孔的流導(L/s),V為校準室的體積(L),dp/dt為校準室壓力隨時間的變化速率(Pa/s)。
如能滿足下列條件: (1) Q0 <1%Q; (2)泵的抽速 Sp>50C; (3)Sg<1%C;(4)校準室內表面積≈小孔面積1000倍。
當壓力穩定平衡(dp/dt=0)時,則式(1)可簡化為p = Q/C (2)
由式(2)可知,用微流量計精確測量Q和根據分子流理論由小孔直徑和厚度計算出C,就能得出p值。
作為計量標準,計算公式越簡單,其準確度就有可能越高。但要得到此簡單的公式,就必須滿足上述一些條件,這就是本標準裝置的設計難點和研制關鍵。
動態流量法超高真空標準裝置由校準系統、微流量計系統、抽氣系統和計算機控制系統四部分組成,如圖1所示(控制系統未畫入)。圖中Ⅰ為流量計系統; Ⅱ為校準和主抽氣系統; Ⅲ為前級抽氣系統。1,21 為機械泵;2,13為渦輪分子泵;3為基準室;4為可變容積室;5為活塞;6為ACD G,7 為DCD G;8為裸規;9為入口室;10為裸規室;11 為校準球室;12 為離子泵;14 ,16為插板閥;15為抽氣室;17為低溫泵;18為鈦升華泵;19為冷阱;20為羅茨泵
1.校準系統
根據國際標準(ISO3570/1)的要求和我們多年的理論研究成果,校準系統按照四球結構進行了設計。校準室、入口室和裸規室采用球形結構 ,抽氣室為滿足內切球要求的圓柱形結構。
在校準系統的設計過程中,進行了計算機模擬設計 ,選擇最佳的結構尺寸 ,使校準室中的氣體盡可能接近于熱力學平衡狀態,以減小分子流場的不均勻分布和分子束射效應。
校準球室的直徑為500mm ,內表面積為7854cm2,有10個法蘭孔 ,用于安裝被校真空規。入口球室和裸規球室連接在校準球室上,直徑為150 mm。小孔安裝在校準球室與抽氣室連接的位置上。
氣體注入入口球室 ,經此室散亂后 ,再經小孔注入校準球室 ,以降低分子束射效應。
裸規球室實際是一個壓力平衡轉換器 ,為了防止入射的氣體分子直接進入規管的電離區 ,氣體分子通過一擋板進入裸規球室內。
小孔直徑為3.2939cm,厚為0.252mm,兩者比為1/131。孔面積為8.521cm2。孔面積與校準球室內表面積之比為1.08×10-3,接近1/1000。小孔流導C=99.186L/s(N2) 。抽氣室為直徑500mm ,高500mm的圓柱形 ,其體積大于校準室的體積。
恒壓式氣體微流量計系統用于產生和測量氣體流量Q,流量范圍3×10-3～1×10- 8Pa m3/s,不確定度<2%。恒壓不穩定度為0.01%。
獲得10-9Pa的極限真空是一項十分復雜的技術 ,對于一個較龐大的真空系統來說更是如此。抽氣系統由主抽氣機組、前級抽氣機組、管道和閥門組成。主抽氣機組由低溫泵、鈦升華泵、分子泵、濺射離子泵、插板閥等組成。前級抽氣機組由羅茨泵、擋油阱、機械泵等組成。
主抽泵為φ500mm口徑的制冷機低溫泵 ,對氮氣(N2)的抽速為16m3/s,對小孔的有效抽速為6.6m3/s,遠大于小孔流導值的50倍。在獲得極限真空的過程中需要300℃高溫烘烤48h,在主泵上配置了插板閥 ,并用一臺抽速為1.5m3/ s的分子泵作為烘烤時的抽氣泵。同時選用一臺15m3/s的液氮冷凍升華泵和一臺0.4m3/s的濺射離子泵作為獲得極限真空的輔助泵。前級泵是一臺抽速為100 m3/h的羅茨泵和一臺50 m3/h 的雙級旋片泵。
