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不同氣體和壓力對真空漏孔漏率的影響

來源:真空技術網(www.sakcw.tw)表面物理與化學重點實驗室 作者:鐘博揚

  針對目前大多數標準漏孔的漏率都是在He 和入口壓力為100 kPa 下的漏率,采用定容變壓法校準了銘牌漏率為2.3 × 10-6 Pa·m3/s 的標準真空漏孔在使用H2、He、D2三種氣體時,在不同入口壓力下的漏率。預先對系統進行了加熱除氣后計算了系統本底漏率大小,并探討了本底漏率對校準漏孔漏率的影響。結合粘滯流-分子流理論研究了不同氣體和漏孔入口壓力對漏孔漏率的影響。

  近年來,真空漏孔越來越多地應用于航空航天、電子工業、電力工業及制冷工業等領域。真空漏孔是向真空端(出口壓力小于1000 Pa)提供穩定氣體流量的裝置,目前,國內外很多計量實驗室和研究機構都建立了相應的校準裝置,常用的漏率校準方法有定容法、恒壓法、質譜比較法、固定流導法、分流法等等。其中定容變壓法適于校準漏率較大的漏孔,設備與操作簡單,對漏孔校準精度較高。

  目前大多數標準真空漏孔的漏率都是采用He 在漏孔入口壓力為1 kPa 下標定的,而實際工作中常需要校準真空漏孔在非He 和漏孔壓力大于一個大氣壓下的漏率。氣體和壓強都會對漏孔的漏率產生一定的影響,因此,為了獲得更為精確的漏孔漏率,有必要研究氣體和壓力對真空漏孔漏率的影響。本文通過改變漏孔入口端氣體種類和壓力,對同一真空漏孔進行了漏率標定,并初步研究了氣體種類和壓力對漏孔漏率的影響。

1、漏率校準機理

  根據定義,漏率Q 就是氣體量pV 對時間t 的全微分,即

不同氣體和壓力對真空漏孔漏率的影響

  這就是定容法,即將真空漏孔流出的氣體引入到一封閉系統中,在系統溫度、體積恒定不變的情況下,通過測量單位時間內系統壓力的變化速率dp/dt,從而得到漏孔漏率Q 的方法。采用定容法校準漏孔漏率時,溫度波動和定容室體積大小等因素對定容法校準系統會產生一定的影響,如真空漏孔的接入會帶來系統的容積變化,使測得的系統容積存在誤差。因此,真空技術網(http://www.sakcw.tw/)認為系統溫度需維持在296 K 以避免額外的溫度修正,系統容積不能太小,一般要大于2 ×10-3m3

  另外用定容法測漏孔漏率時還需考慮系統自身的漏放氣,也就是系統的本底漏率影響。圖1 為漏率與時間的關系,其中,線1 代表系統自身漏放氣使本底壓力隨時間變化,使系統本底壓力升高的因素包括系統放氣、系統管壁滲透和未知泄漏。線2 代表理想的系統壓力隨時間變化關系,線2 的斜率dpL/dt 與系統容積V 的乘積即為漏孔漏率。線3代表實際實驗記錄到的壓力-時間關系,為線1 與線2 的疊加。

不同氣體和壓力對真空漏孔漏率的影響

圖1 壓力隨時間變化關系

  考慮到系統本底漏放氣的影響,漏孔漏率可計算為

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  即起始時間相同時,可用相同時間段內的漏率與本底漏率之差表示漏孔的真實漏率。

2、校準裝置及校準方法

2.1、校準裝置

  標準漏孔校準裝置如圖2 所示。該校準裝置主要由氣源、被校準漏孔、標準容積、定容室、薄膜真空規、復合真空計及抽氣系統組成。

不同氣體和壓力對真空漏孔漏率的影響

圖2 定容法標準漏孔校準裝置結構原理圖

4、結論

  (1) 在對系統加熱除氣后降至23℃并在抽真空度至10-6 Pa 條件下對系統密閉靜置。系統自身漏放氣引起的本底漏率為1.15 × 10-8 Pa·m3/s,該系統在此工作條件下校準漏率大于10 -6 Pa·m3/s 漏孔時可不考慮本底漏率影響,但當漏孔漏率低于10-7 Pa·m3/s 時不可忽略系統漏放氣造成的影響;

  (2) 在100 ~ 400 kPa 壓差范圍內,對漏率為2.3 × 10-6 Pa·m3/s 的標準真空漏孔漏率校準結果表明,在H2、He、D2三種充入氣體下,漏孔漏率都與壓力平方呈線性關系,漏孔氣體處于粘滯流態;

  (3) 對相同漏孔入口壓強下,充入不同氣體的漏孔漏率進行對比后發現,漏孔漏率與氣體粘度成反比,相同壓力下He 的粘滯系數最大,氣體流動性差,通過漏孔的漏率最小; 而H2粘滯系數最小,漏孔漏率最大,漏孔氣體為粘滯流。

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