針對(duì)當(dāng)前普遍采用的分子泵抽氣性能測(cè)試方法與程序，討論用升壓法測(cè)量渦輪分子泵壓縮比時(shí)實(shí)測(cè)計(jì)算值與真實(shí)值之間客觀存在的差異，并討論用其測(cè)量復(fù)合分子泵壓縮比的可行性；分析用滴管流量計(jì)法測(cè)量分子泵(渦輪分子泵和復(fù)合分子泵)抽速時(shí)可能產(chǎn)生的直接或間接的誤差，并提出消除此類誤差的基本思路，基于此思路，在實(shí)際工程中可得到科學(xué)可靠的更能客觀反映產(chǎn)品性能的測(cè)試數(shù)據(jù)。

　　分子泵能耗低，使用方便，易維護(hù)，其在分子流區(qū)域( 渦輪分子泵) 和接近分子流區(qū)域( 復(fù)合分子泵)有穩(wěn)定的抽氣性能，廣泛應(yīng)用于高能加速器、重粒子加速器、可控?zé)岷朔磻?yīng)裝置、等離子體物理空間研究、原子束分子束系統(tǒng)、表面物理和分析儀器、高級(jí)電子元器件制造、半導(dǎo)體和光學(xué)元器件制造、真空鍍膜、真空冶煉等涉及真空技術(shù)的電子、冶金、化工、科研等眾多領(lǐng)域。

　　分子泵主要抽氣性能指標(biāo)包括最低工作壓力、壓縮比與抽速。根據(jù)當(dāng)前普遍采用的分子泵性能測(cè)試方法與程序，最低工作壓力采用直接法測(cè)量，壓縮比采用升壓法測(cè)量，抽速采用流量法或標(biāo)準(zhǔn)流導(dǎo)法測(cè)量，而這三項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)量，從理論上分析是可行的，但在實(shí)際工程測(cè)量中，根據(jù)實(shí)際測(cè)量條件，對(duì)于渦輪分子泵，壓縮比的測(cè)量值與真實(shí)值之間存在較大的差異； 而無論是渦輪分子泵或復(fù)合分子泵，基于滴管流量計(jì)法的抽速的測(cè)量值與真實(shí)值之間也存在直接或間接的誤差，本文將逐一進(jìn)行分析討論。

1、壓縮比測(cè)量

　　壓縮比測(cè)量采用升壓法，通過向被測(cè)泵的前級(jí)真空側(cè)充入被測(cè)氣體以改變前級(jí)壓力與入口壓力，壓縮比由兩者變化量之比值衡量，測(cè)量過程中需先建立最低工作壓力。

　　設(shè)最低工作壓力為p01，對(duì)應(yīng)前級(jí)壓力為p02( 此處p01、p02即為本底值) ，第i(i=1，2，3，4.....) 次充氣后，入口壓力變?yōu)閜 i1，變化量為Δpi 1，前級(jí)壓力變?yōu)閜i 2，變化量為Δp i2，對(duì)應(yīng)的壓縮比為Ki，則有

　　最大壓縮比K max= max(K 1，K 2，，，，Ki ) 。

　　《GB/T 7774-2007 真空技術(shù)渦輪分子泵性能參數(shù)的測(cè)量》中關(guān)于壓縮比的測(cè)試規(guī)程未對(duì)前級(jí)壓力的充氣量作詳述，但根據(jù)理論研究和實(shí)踐證明，為了消除本底值對(duì)測(cè)量的影響，通過第一次對(duì)前級(jí)真空側(cè)充氣后，應(yīng)保證對(duì)應(yīng)的入口壓力

　　p11= 2 p01 ( 2)

　　也即Δp 11=p01 ( 3)

　　而對(duì)第二次( 含) 以后的充氣量則不作嚴(yán)格規(guī)定。實(shí)際工程產(chǎn)品中，考慮到實(shí)際應(yīng)用意義，加之由于條件所限，一般不對(duì)泵作極限壓力( 無限制拖動(dòng)和烘烤后，測(cè)試罩中最終趨近的壓力值； 相比最低工作壓力而言，此值在工程應(yīng)用中意義不大) 檢測(cè)，而對(duì)最低工作壓力的檢測(cè)有嚴(yán)格的規(guī)程和限制條件，其值是一個(gè)條件限制值而非趨近值，目前市場(chǎng)上的分子泵最低工作壓力一般為10^-6~ 10^-7 Pa 量級(jí)。

　　假定一臺(tái)壓縮比為1.0 × 10⁸ 量級(jí)的分子泵(復(fù)合分子泵或渦輪分子泵) ，對(duì)壓縮比進(jìn)行測(cè)量時(shí)，其建立的最低工作壓力為p01= 1.0 × 10^-6 Pa，前級(jí)壓力為p02= 0.1 Pa，按規(guī)定對(duì)前級(jí)第一次充氣升壓后，由式(1)-式(3) 可得：入口壓力p11= 2 × p01= 2.0× 10^-6 Pa，變化量Δp11= p 01= 1.0 × 10^-6 Pa，則前級(jí)壓力應(yīng)為p12= 1.0 × 10⁸ × 1.0 × 10^{- 6}+ p 02= 100.1Pa，由此可見，即使忽略前級(jí)壓力的本底值p02，前級(jí)壓力都已跨越過渡流進(jìn)入粘滯流。

　　由分子泵的抽氣機(jī)理易知，渦輪分子泵僅在分子流態(tài)時(shí)有穩(wěn)定的抽氣性能，而在過渡流或粘滯流時(shí)，抽氣性能急劇劣化，在實(shí)際測(cè)量計(jì)算渦輪分子泵的壓縮比時(shí)，通過第一升壓后，前級(jí)處于過渡流或粘滯流，泵的最末幾級(jí)( 壓縮級(jí)) 有一部分處于/ 未工作0狀態(tài)，因此此時(shí)測(cè)量計(jì)算的壓縮比值并不能表征真實(shí)值，這也是"GB/T 7774-2007中特別指出強(qiáng)烈建議使用另外一臺(tái)分子泵或擴(kuò)散泵作為前級(jí)泵以確保被測(cè)泵出口壓力處于分子流態(tài)時(shí)測(cè)量才有意義0的緣故； 但若要保持前級(jí)壓力一直處于分子流態(tài)，假定第一次升壓后前級(jí)壓力為0.1 Pa，則要能真實(shí)準(zhǔn)確測(cè)量計(jì)算壓縮比為1.0 × 10⁸ 量級(jí)的渦輪分子泵壓縮比，即使忽略前級(jí)本底值，入口壓力本底值( 最低工作壓力) 應(yīng)為1.0 × 10^{- 9} Pa； 但由前文所知，最低工作壓力是一個(gè)條件限制值，一般不可能達(dá)到10^{- 9} Pa 量級(jí)，因此目前采用的升壓法測(cè)量渦輪分子泵的壓縮比，其測(cè)量計(jì)算值是不準(zhǔn)確的，實(shí)際工程中也很難準(zhǔn)確測(cè)出真實(shí)的壓縮比值。通過理論研究和實(shí)踐證明，目前采用升壓法測(cè)量渦輪分子泵的壓縮比，測(cè)量計(jì)算值會(huì)比真實(shí)值降低1~ 2 個(gè)數(shù)量級(jí)，若測(cè)量過程中升壓間隔時(shí)間不當(dāng)，導(dǎo)致入口壓力與前級(jí)壓力未達(dá)穩(wěn)態(tài)，則測(cè)量計(jì)算值會(huì)降低得更多。需要特別指出的是： 與渦輪分子泵不同，復(fù)合分子泵由于牽引級(jí)的存在，不但可工作在分子流，而且還可工作在過渡流或粘滯流，前級(jí)壓力變?yōu)檫^渡流或粘滯流時(shí)對(duì)泵的抽氣性能并無影響，因此用升壓法測(cè)量計(jì)算復(fù)合分子泵的壓縮比是極為可行的，其測(cè)量計(jì)算值趨于真實(shí)值，且被測(cè)泵前級(jí)是否配置另一臺(tái)分子泵或擴(kuò)散泵并無關(guān)系。

2、抽速測(cè)量

2.1、滴管流量計(jì)工作原理

　　分子泵入口壓力大于10^-4 Pa 時(shí)采用流量法測(cè)量計(jì)算抽速，而流量法普遍采用的流量計(jì)為滴管流量計(jì)，其裝置如圖1 所示。

圖1 滴管流量計(jì)測(cè)試裝置

　　以下簡(jiǎn)述其流量測(cè)量原理：假定測(cè)量過程中環(huán)境溫度與測(cè)試裝置溫度處于同一恒定狀態(tài)，在一次測(cè)量周期內(nèi)，任一時(shí)刻t ，滴管內(nèi)氣體量為G，則有

G=f(t) ( 4)

　　令滴管直徑為d，微調(diào)閥到滴管初始液面之間的密閉體積為V0，當(dāng)?shù)卮髿鈮簽閜 at ，測(cè)量用液體密度為Q( 一般要求用20℃時(shí)運(yùn)動(dòng)黏度低于3 × 10^{- 5} m²/ s 的油) ，重力加速度為g，并作如下規(guī)定： 初始時(shí)：t 0 時(shí)刻，滴管零刻度線、滴管內(nèi)液面、貯液槽液面三者平齊，易知，此時(shí)滴管內(nèi)氣體壓力為p at； 測(cè)量計(jì)時(shí)開始時(shí)：t 1 時(shí)刻，滴管內(nèi)液面上升高度為h1，微調(diào)閥到滴管液面之間的密閉體積為V1，滴管內(nèi)氣體壓力為p 1，氣體量為G 1； 測(cè)量計(jì)時(shí)終止時(shí)：t 2 時(shí)刻，滴管內(nèi)液面上升高度為h2，微調(diào)閥到滴管液面之間的密閉體積為V2，滴管內(nèi)氣體壓力為p 2，氣體量為G2； 則有從t 1 時(shí)刻到t 2 時(shí)刻的測(cè)量時(shí)間內(nèi)，滴管內(nèi)液面凈上升高度

　　此ΔG 即為Δt = t 2- t1 時(shí)間內(nèi)輸送到測(cè)試罩被泵抽走的氣體量。在Δt 時(shí)間內(nèi)的平均氣流量為

　　若h1= 0，即測(cè)量開始計(jì)時(shí)時(shí)，滴管內(nèi)液面與貯液槽液面平齊，則對(duì)于一給定滴管和選定的測(cè)量用油，d、Q、V0 已知，滴管常數(shù)K 與p at、Δh 分別成一次函數(shù)關(guān)系，可表示為：

　　測(cè)出p at、Δh，可方便計(jì)算出K 。流量計(jì)裝置出廠時(shí)，一般會(huì)預(yù)先約定一個(gè)Δh值，然后根據(jù)幾個(gè)不同的常用p at值計(jì)算出對(duì)應(yīng)的K值，方便工程應(yīng)用中查閱。式(12) 可簡(jiǎn)化為

　　查出K 值后，可方便求出抽速S ，這正是實(shí)際工程中滴管流量法測(cè)試抽速的計(jì)算式。根據(jù)預(yù)先計(jì)算的K 值，下文分析其直接或間接的工程誤差。

2.2、工程誤差分析

　　在抽速實(shí)際測(cè)試中，工程誤差的產(chǎn)生是多方面的，此處僅分析討論滴管流量計(jì)裝置本身存在的工程誤差和人為操作不當(dāng)可能產(chǎn)生的工程誤差( 不含正常的客觀存在的讀數(shù)等誤差) 。

2.2.1、毛細(xì)管現(xiàn)象

　　真空測(cè)量用滴管流量計(jì)一般為小直徑玻璃管，由于毛細(xì)管現(xiàn)象的存在，起始狀態(tài)下，滴管內(nèi)液面與貯液槽液面存在一定的高度差，且滴管直徑越小，高度差越明顯； 在其他條件滿足的情況下，毛細(xì)管現(xiàn)象將間接影響式(13) 中p at與V0，進(jìn)而影響K 值，不過實(shí)踐證明，只要滴管內(nèi)徑不過于小，其測(cè)量中產(chǎn)生的毛細(xì)管現(xiàn)象誤差較小，在工程中可以忽略不計(jì)。

2.2.2、貯液槽液面變化

　　實(shí)際測(cè)量時(shí)，由于滴管內(nèi)液面上升，貯液槽液面比起始狀態(tài)稍有下降，直接影響式(13) 中h1，隨著滴管內(nèi)液面上升，h1 將比初始狀態(tài)增大，真實(shí)的K值要小于預(yù)先計(jì)算的K 值，不過由于貯液槽面積遠(yuǎn)大于滴管截面積，貯液槽液面下降高度在工程中可忽略不計(jì)。

2.2.3、滴管零刻度線初始位置

　　在測(cè)量中的初始狀態(tài)，滴管放置不當(dāng)，導(dǎo)致滴管零刻度線與貯液槽液面不平齊，將直接影響式( 13)中V0； 若零刻線處于液面以下，則實(shí)際的V0 將小于預(yù)先給定的V0，真實(shí)的K 值要小于預(yù)先計(jì)算的K值； 反之，若零刻線處于液面以上，則實(shí)際的V0 將大于預(yù)先給定的V0，真實(shí)的K 值要大于預(yù)先計(jì)算的K 值。

2.2.4、h1 影響

　　預(yù)先計(jì)算滴管常數(shù)K 值時(shí)，是基于h1= 0 即測(cè)量開始計(jì)時(shí)時(shí)，滴管內(nèi)液面與貯液槽液面平齊的先決條件，但在實(shí)際工程測(cè)試中，為了便于計(jì)時(shí)，一般都是從某一個(gè)高度h1( h1 > 0) 開始計(jì)時(shí)，此種情況下，由式(13) 易知，真實(shí)的K 值要小于預(yù)先計(jì)算的K值。

2.2.5、Δh 影響

　　預(yù)先計(jì)算滴管常數(shù)K 值時(shí)，約定了恒定的液柱凈上升高度Δ h 值，由式(13) 易知，若測(cè)量選取的液柱凈上升高度大于預(yù)先約定Δh，真實(shí)的K 值要小于預(yù)先計(jì)算的K 值； 反之，若測(cè)量選取的液柱凈上升高度小于預(yù)先約定Δh，真實(shí)的K 值要大于預(yù)先計(jì)算的K 值。

2.2.6、膠管處漏氣

　　在裝置中，若膠管與微調(diào)閥或/ 和膠管與滴管連接處有微漏，在其他條件滿足的情況下，輸送到測(cè)試罩被泵抽走的氣體量要大于計(jì)算值，因此泵的實(shí)際抽速要大于計(jì)算抽速。

2.3、誤差消除思路

　　針對(duì)在滴管流量計(jì)裝置操作過程中可能帶來的測(cè)量誤差提出以下消除思路：

　　(1) 對(duì)滴管常數(shù)K 值提前計(jì)算以便簡(jiǎn)化抽速計(jì)算，在測(cè)量過程中實(shí)時(shí)滿足預(yù)先計(jì)算K 值時(shí)的先決條件并遵從預(yù)定的操作規(guī)程，如保證初始狀態(tài)下滴管零刻線與液面平齊、開始計(jì)時(shí)時(shí)滴管內(nèi)液面與貯液槽液面平齊、每次測(cè)量的液柱凈上升高度與預(yù)先計(jì)算K 值時(shí)的Δh 相同等等。顯然，預(yù)先計(jì)算K值時(shí)，限制條件較多，操作不便。

　　(2) 對(duì)滴管常數(shù)K 值不作提前計(jì)算，而根據(jù)實(shí)際測(cè)量中各相關(guān)參數(shù)的實(shí)測(cè)值按照式(12) 實(shí)時(shí)計(jì)算，顯然，抽速計(jì)算雖相對(duì)較繁瑣，但不受約定條件限制，操作簡(jiǎn)單，讀數(shù)、計(jì)時(shí)方便，數(shù)據(jù)可靠。

　　(3) 測(cè)量開始前，對(duì)流量計(jì)密閉空間進(jìn)行檢漏，確保漏率不大于10^-7 Pa.L/ s 量級(jí)。

3、總結(jié)

　　用目前普遍采用的升壓法測(cè)量渦輪分子泵的壓縮比時(shí)，在實(shí)際工程中，難以測(cè)出真實(shí)壓縮比值，一般測(cè)量計(jì)算值會(huì)比真實(shí)值降低1~ 2 個(gè)數(shù)量級(jí)或更多，但用此法測(cè)試復(fù)合分子泵的壓縮比時(shí)，較為準(zhǔn)確，測(cè)量計(jì)算值趨于真實(shí)值。用滴管流量計(jì)法測(cè)量分子泵抽速時(shí)，務(wù)必滿足預(yù)先計(jì)算K 值時(shí)的先決條件并遵從預(yù)定的操作規(guī)程，同時(shí)確保流量計(jì)密閉空間有良好的密封性，否則，將產(chǎn)生不可忽略的工程誤差； 在工程應(yīng)用中，為了減小此類誤差并不受條件或規(guī)程的約束，建議對(duì)K 值不作預(yù)先簡(jiǎn)化計(jì)算，而根據(jù)實(shí)際測(cè)量中各相關(guān)參數(shù)的實(shí)測(cè)值按照式(12) 實(shí)時(shí)計(jì)算，誤差小，數(shù)據(jù)可靠，這已在本公司近幾年新研制的幾種新型分子泵測(cè)試中得到了很好的驗(yàn)證。