固定流導法校準真空漏孔方法研究
1、引言
檢漏技術(shù)在航天、航空、電子工業(yè)、高能物理、核工業(yè)等方面應(yīng)用十分廣泛[1]。檢漏工作通常使用氦質(zhì)譜檢漏儀，而氦質(zhì)譜檢漏儀要用真空漏孔進行標定，因此，需要建立真空漏孔校準裝置對其進行校準。近20年來，國內(nèi)外在真空漏孔的校準方面做了大量的研究工作，建立了一系列真空漏孔校準裝置[2-8]，根據(jù)工作原理的不同主要分為定容法、恒壓法、檢漏儀比較法、四極質(zhì)譜計比較法、定容分流法和固定流導法等。
2、真空漏孔校準方法比較
定容法是將真空漏孔漏出的氣體引人已知體積的定容室，通過測量定容室氣體壓力的變化量來計算漏率，是一種直接校準真空漏孔的方法。這種方法需要專用標準體積測量各定容室的容積，每次校準真空漏孔時都需要重新測量接頭的體積，工作過程比較繁瑣。由于校準過程是靜態(tài)的，材料漏放氣對校準結(jié)果的影響大，材料表面處理工藝要求嚴格，校準下限受到限制，所以定容法只適合于校準較大漏率的漏孔。
恒壓法是將恒壓式流量計提供的氣體流量與真空漏孔產(chǎn)生的漏率用四極質(zhì)譜計進行比較，從而得到真空漏孔漏率值。恒壓法校準裝置的核心是恒壓式流量計。恒壓式流量計在保持變?nèi)菔覂?nèi)氣體壓力恒定的條件下，測量體積的變化量，從而得到氣體流量。這種裝置的校準范圍由恒壓式流量計的測量范圍決定，通常為10-3~10-8 Pa· m3/s�，F(xiàn)在國際上通用的流量計結(jié)構(gòu)是波紋管壓縮式和活塞桿推移式2種:德國PTB的波紋管是經(jīng)過7年實驗，在大量波紋管中選出理想的一根[3],國防科工委真空計量一級站采用電機驅(qū)動活塞桿壓縮油的方式工作�？傮w來說，恒壓法真空漏孔校準裝置結(jié)構(gòu)復雜，研制費用高，需要自動控制和精密機械加工等多方面的知識和人員，不易于進行大批量的校準工作。雖然恒壓法校準不確定度小，但流量校準下限也不能滿足絕大多數(shù)漏孔的漏率范圍。
檢漏儀比較法是將已知漏率的真空漏孔作為參考標準，運用檢漏儀將參考標準的流量與待校真空漏孔氣體流量進行比較，從而得出待校真空漏孔漏率值。由于檢漏儀和真空漏孔的穩(wěn)定性差，檢漏儀的靈敏度和線性無法保證，所以這種方法的測量下限無法滿足要求，測量不確定度大，一般用于工業(yè)現(xiàn)場測量，而不適合于真空計量部門進行真空漏孔的校準。
四極質(zhì)譜計比較法與檢漏儀比較法類似，只是流量比較器用四極質(zhì)譜計替換了檢漏儀，也同樣需要已知漏率的真空漏孔作為參考標準。雖然四極質(zhì)譜計的分辨率高、測量下限低，但其穩(wěn)定性和線性差，四極質(zhì)譜計計量學特性的研究是國際上目前仍沒有完全解決的一個難題，因此校準結(jié)果無法令人信服。
定容分流法[5]是定容法延伸測量下限的一種方法，是定容式流量計向外提供流量，經(jīng)一定比例的流量分流后，用四極質(zhì)譜計作為比較器校準真空漏孔的方法。這種方法系統(tǒng)復雜，中間環(huán)節(jié)多，需要定容法流量計、分流系統(tǒng)，還要精確測量流量的分流比例等。此外，盡管在消除四極質(zhì)譜計非線性方面作了考慮，但不能完全消除四極質(zhì)譜計非線性影響。
固定流導法是將通過已知流導小孔的氣體與真空漏孔流出的氣體用四極質(zhì)譜計進行比較，從而得到真空漏孔漏率。小孔是用機械、激光等加工方法制作而成。小孔流導的大小可以用定容式流量計或恒壓式流量計精確測量，通過小孔的氣體流量等于穩(wěn)壓室氣體壓力與對應(yīng)小孔流導之積。通過調(diào)節(jié)穩(wěn)壓室的氣體壓力很方便地調(diào)節(jié)通過小孔的氣體流量，使其與待校真空漏孔漏率相同或非常接近，從而避免四極質(zhì)譜計的非線性影響。這種方法簡單實用，便于實現(xiàn)，校準范圍寬，測量不確定度小。
3、固定流導法校準裝置
固定流導法校準真空漏孔的裝置由固定流導法流量計、校準系統(tǒng)和被校漏孔三部分組成，如圖1所示。固定流導法流量計如圖1左邊所示，主要由固定流導小孔、穩(wěn)壓室、電容薄膜規(guī)、氣瓶、閥門以及抽氣機組等組成，可根據(jù)需要向校準系統(tǒng)提供已知流量的氣體。校準系統(tǒng)如圖1中問所示，主要由質(zhì)譜分析室、四極質(zhì)譜計、超高真空電離規(guī)和抽氣機組組成。被校漏孔如圖1右邊所示，主要由自帶氣室型真空漏孔(如薄膜滲氦型漏孔)、通道型真空漏孔、穩(wěn)壓室、氣瓶和閥門等組成。
4、真空漏孔校準原理
4.1、流量計測量原理
氣體通過固定流導小孔的流量用式(1)計算[9]
Qs=C(p-p') (1)
1, 30. He氣瓶;2,28.微調(diào)陰;3,4,8.全金屬隔斷間;5.固定流導小孔6.FS13.3 kPa電容薄膜規(guī);7,2 7.穩(wěn)壓室;9.F5 13.3 Pa電容薄膜規(guī);10,1 8.C F35全金屬超高真空角閥;11,1 9.分子泵;12,13 .電磁隔斷悶;14,2 0.機械泵;15.四極質(zhì)譜計;16.質(zhì)譜分析室;17.超高真空電離規(guī);21.22,23.手動超高閥;24,25,26.被校漏孔;29精密真空壓力表
圖1固定流導法校準真空漏孔裝置
