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低壓力下復雜結構真空容器容積比的測量方法研究

來源:真空技術網(www.sakcw.tw)蘭州空間技術物理研究所 作者:吉康

  真空容器容積比的測量方法通常有稱重法和靜態膨脹法。目前,復雜結構真空容器容積比主要是在較高的壓力下通過氣體靜態膨脹進行測量。但當膨脹壓力低于10-2Pa 時,真空容器器壁的放氣會對容積比的測量帶來很大的影響。為了確保在膨脹前后氣體量不改變,即減小在低壓力下真空容器的放氣對測量的影響,提出了利用非蒸散性吸氣泵選擇性抽氣的特性,結合靜態膨脹法利用惰性氣體氬氣(Ar)、氦氣(He)來測量真空容器的容積比。

  引言

  復雜結構真空容器容積比的測量廣泛應用于真空計量領域,例如真空檢漏技術、高精度真空標準壓力的產生、氣體微流量測量校準技術等,這些技術都應用于航空、航天、制冷、高能物理等領域。使用稱重法等對容積比進行測量時,通過測量容器裝滿液體(通常為水)前后的質量來測量容積比,但由于液體中的氣泡和閥門死空間的影響,使得容積比的測量不夠準確,對復雜結構的真空容器來說,由此引起的不確定度更大。使用靜態膨脹法對容積比進行測量時,通常是在高壓力的條件下測量真空容器容積比。為了保證真空容器容積比的測量結果的準確性,需要考慮真空容器器壁放氣對測量結果的影響。

  在低壓力的條件下,測量真空容器容積比會受到器壁放氣的嚴重影響。文章提出利用非蒸散型吸氣泵具有選擇性抽氣的特性,采用惰性氣體作為實驗膨脹氣體,在低壓力下對復雜結構真空容器容積比用靜態膨脹法進行了精確測量研究。

1、測量原理

  靜態膨脹法最早是1910 年由Knudsen提出的作為真空標準,靜態膨脹法是基于波意爾一馬略特定律,當一定質量的氣體在溫度保持不變時,其壓力和體積的乘積保持不變。即式(1)

低壓力下復雜結構真空容器容積比的測量方法研究

  式中:P 為壓力,Pa;V 為體積,m3。在靜態膨脹法中,將起始壓力為P0的高壓力氣體從小容器v 膨脹到已預先抽空的大容器中,通過壓力衰減得到大容器V 中的氣體壓力P1,用式(2)表示:

低壓力下復雜結構真空容器容積比的測量方法研究

  起始壓力P0在膨脹過程中的衰減率為初態和終態容積之比v/v +V,即RV,運用靜態膨脹法公式計算膨脹后在大容器內產生氣體的標準壓力時,需要精確測量容積比。實驗裝置的結構原理如圖1所示,主要由抽氣泵組、標準容器VC0、待測容器VC1、氣源(GAS)、非蒸散型吸氣泵(NEGP)、磁懸浮真空計(SRG)和真空閥門等組成。

真空容器容積比測量原理結構圖

圖1 真空容器容積比測量原理結構圖

  利用靜態膨脹法測量真空容器容積的原理基于理想氣體的狀態方程:

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  由理想氣體的狀態方程可得,兩個真空容器的容積比RV 通過式(4)計算:

低壓力下復雜結構真空容器容積比的測量方法研究

  式中: RV 為被測容器與標準容器的容積比;P1 和P2 分別為膨脹前、后的壓力,Pa;T1 和T2 分別為膨脹前、后的氣體溫度,K;n1 和n2 分別為膨脹前、后的氣體摩爾數,mol。使用靜態膨脹法測量容器容積比,為了確保式(4)中的n1/n2=1,即膨脹前后氣體量不變,主要存在漏氣和容器器壁放氣兩大因數。在全金屬真空系統中漏氣很容易消除,但是器壁放氣卻很難消除。

  所以低壓力環境中測量容器容積比存在最大的因素就是器壁放氣對測量結果的影響。在VC0 真空容器中連接一臺非蒸散型吸氣劑泵(NEGP)。利用NEGP吸收器壁的放氣,采用He、Ar作為實驗氣體然后進行容器容積比的測量。

  為達到式(4)中的T1/T2=1,采用鉑電阻溫度計進行溫度測量。為了消除環境溫度波動對實驗結果帶來的影響,在實驗開始前的24 h打開實驗設備(例如分子泵),同時打開實驗室溫控設備并設定溫度23° C,記錄鉑電阻溫度計的溫度波動小于0.2 °C/h開始實驗。真空技術網(http://www.sakcw.tw/)認為這為磁懸浮轉子真空計的使用提供了較好實驗條件,同時也是在低壓力下容積比準確測量的前提條件。

5、結論

  文章提出了一種利用非蒸散性吸氣泵選擇性抽速的特點用在低壓力條件下對真空容器容積比測量的方法,完成了在10-2Pa量級的條件下進行容積比的測量,解決了在低壓力環境中器壁放氣對測量帶來的問題。

  研究結果證實該方法可以成功的應用在靜態氣體膨脹實驗的校準之中。為在低壓力條件下對真空容器容積比的測量提供了參考,合成標準不確定度為2.1%。

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