低壓力下復(fù)雜結(jié)構(gòu)真空容器容積比的測量方法研究
真空容器容積比的測量方法通常有稱重法和靜態(tài)膨脹法。目前，復(fù)雜結(jié)構(gòu)真空容器容積比主要是在較高的壓力下通過氣體靜態(tài)膨脹進(jìn)行測量。但當(dāng)膨脹壓力低于10-2Pa 時(shí)，真空容器器壁的放氣會(huì)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(jié)合靜態(tài)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(fù)雜結(jié)構(gòu)真空容器容積比的測量廣泛應(yīng)用于真空計(jì)量領(lǐng)域，例如真空檢漏技術(shù)、高精度真空標(biāo)準(zhǔn)壓力的產(chǎn)生、氣體微流量測量校準(zhǔn)技術(shù)等，這些技術(shù)都應(yīng)用于航空、航天、制冷、高能物理等領(lǐng)域。使用稱重法等對容積比進(jìn)行測量時(shí)，通過測量容器裝滿液體(通常為水)前后的質(zhì)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(zhǔn)確，對復(fù)雜結(jié)構(gòu)的真空容器來說，由此引起的不確定度更大。使用靜態(tài)膨脹法對容積比進(jìn)行測量時(shí)，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(jié)果的準(zhǔn)確性，需要考慮真空容器器壁放氣對測量結(jié)果的影響。
在低壓力的條件下，測量真空容器容積比會(huì)受到器壁放氣的嚴(yán)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(shí)驗(yàn)膨脹氣體，在低壓力下對復(fù)雜結(jié)構(gòu)真空容器容積比用靜態(tài)膨脹法進(jìn)行了精確測量研究。
1、測量原理
靜態(tài)膨脹法最早是1910 年由Knudsen提出的作為真空標(biāo)準(zhǔn)，靜態(tài)膨脹法是基于波意爾一馬略特定律，當(dāng)一定質(zhì)量的氣體在溫度保持不變時(shí)，其壓力和體積的乘積保持不變。即式(1)
式中：P 為壓力，Pa；V 為體積，m3。在靜態(tài)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(yù)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：
起始壓力P0在膨脹過程中的衰減率為初態(tài)和終態(tài)容積之比v/v +V，即RV，運(yùn)用靜態(tài)膨脹法公式計(jì)算膨脹后在大容器內(nèi)產(chǎn)生氣體的標(biāo)準(zhǔn)壓力時(shí)，需要精確測量容積比。實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，主要由抽氣泵組、標(biāo)準(zhǔn)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(jì)(SRG)和真空閥門等組成。
圖1 真空容器容積比測量原理結(jié)構(gòu)圖
利用靜態(tài)膨脹法測量真空容器容積的原理基于理想氣體的狀態(tài)方程：
由理想氣體的狀態(tài)方程可得，兩個(gè)真空容器的容積比RV 通過式(4)計(jì)算：
式中： RV 為被測容器與標(biāo)準(zhǔn)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(shù)，mol。使用靜態(tài)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(shù)。在全金屬真空系統(tǒng)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(huán)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(jié)果的影響。在VC0 真空容器中連接一臺(tái)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(shí)驗(yàn)氣體然后進(jìn)行容器容積比的測量。
為達(dá)到式(4)中的T1/T2=1，采用鉑電阻溫度計(jì)進(jìn)行溫度測量。為了消除環(huán)境溫度波動(dòng)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來的影響，在實(shí)驗(yàn)開始前的24 h打開實(shí)驗(yàn)設(shè)備(例如分子泵)，同時(shí)打開實(shí)驗(yàn)室溫控設(shè)備并設(shè)定溫度23° C，記錄鉑電阻溫度計(jì)的溫度波動(dòng)小于0.2 °C/h開始實(shí)驗(yàn)。真空技術(shù)網(wǎng)（http://genius-power.com/）認(rèn)為這為磁懸浮轉(zhuǎn)子真空計(jì)的使用提供了較好實(shí)驗(yàn)條件，同時(shí)也是在低壓力下容積比準(zhǔn)確測量的前提條件。
5、結(jié)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(diǎn)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(jìn)行容積比的測量，解決了在低壓力環(huán)境中器壁放氣對測量帶來的問題。
研究結(jié)果證實(shí)該方法可以成功的應(yīng)用在靜態(tài)氣體膨脹實(shí)驗(yàn)的校準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)不確定度為2.1%。
