分壓強質(zhì)譜計校準(zhǔn)裝置的研制

　　在許多真空應(yīng)用中，系統(tǒng)中氣體特定組分的分壓強比其總壓強更能引起人們的興趣，而分壓強測量一般都是通過質(zhì)譜計進行的。為了將質(zhì)譜計的輸出變換成相對或絕對壓力，就必須對質(zhì)譜計進行校準(zhǔn)。開展分壓強校準(zhǔn)技術(shù)研究和建立相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)裝置，就是用來對各種質(zhì)譜計進行定量校準(zhǔn)的。

　　分壓強質(zhì)譜技術(shù)在航天、航空等方面具有十分重要的作用，為得到有效數(shù)據(jù)，對質(zhì)譜計的校準(zhǔn)也提出了迫切的要求。衛(wèi)星軌道內(nèi)各種粒子和離子濃度的變化和分布對衛(wèi)星的無線電通訊和遙測有很大影響，為了把軌道環(huán)境真實地反映出來，就必須對檢測用質(zhì)譜計進行定量校準(zhǔn)。在長壽命衛(wèi)星或永久性空間站的研究中，污染十分引人注意。要得到可靠的數(shù)據(jù)，須對污染物監(jiān)測質(zhì)譜計進行定量校準(zhǔn)。在飛船、航天飛機或空間站中，須有一套完善的環(huán)境維持系統(tǒng)以保證人在空間的正常生活，要對氣體的主要成分進行實時監(jiān)測和控制，維持氣體成分的固定比例和正常壓力，就要對空間質(zhì)譜計進行定量校準(zhǔn)。

　　另外，質(zhì)譜計在電子工業(yè)領(lǐng)域、核能領(lǐng)域、化學(xué)工業(yè)、高能加速器、微電子、光電子、材料、醫(yī)學(xué)、真空系統(tǒng)殘氣分析、真空工藝過程控制、電真空器件及真空鍍膜、檢漏等眾多行業(yè)和領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，因此，分壓強質(zhì)譜計校準(zhǔn)技術(shù)的研究勢在必行。

　　在分壓強質(zhì)譜計校準(zhǔn)技術(shù)方面，早在1972 年美國真空學(xué)會就公布了有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)(AVS Standard 2.3 1972)標(biāo)準(zhǔn)對質(zhì)譜計的性能指標(biāo)、工作條件、校準(zhǔn)系統(tǒng)及校準(zhǔn)方法等都作了詳細(xì)描述，并在1993年又發(fā)布了新的標(biāo)準(zhǔn)以取代1972 年發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)[1]。在我國，分壓強質(zhì)譜計校準(zhǔn)技術(shù)的研究開展得較少，但也取得了一定的進展，如清華大學(xué)在1993年建立了一臺分壓強質(zhì)譜計校準(zhǔn)與應(yīng)用研究系統(tǒng)。以前質(zhì)譜計僅作為分析儀器用，而在1987年7月10日國家已將其列為計量儀器，因此亟待進行分壓強校準(zhǔn)技術(shù)研究和建立分壓強校準(zhǔn)裝置。

　　“九五”期間，國防科工委將分壓強質(zhì)譜計校準(zhǔn)裝置列為國防計量重點項目，分壓強質(zhì)譜計校準(zhǔn)裝置就是在此基礎(chǔ)上研制而成的，它的建立將有助于促進我國分壓強測量與校準(zhǔn)技術(shù)的研究。

1 校準(zhǔn)裝置

　　校準(zhǔn)裝置工作原理簡圖如圖1所示，它主要由供氣系統(tǒng)、進樣系統(tǒng)、校準(zhǔn)室和抽氣系統(tǒng)等幾部分組成。供氣系統(tǒng)、進樣系統(tǒng)共有相同的3路，圖中只畫出了其中一路。其中1，26為機械泵；2，23，24為電磁隔斷閥；3為放氣閥；4，6為分子泵；5為中真空規(guī)；7為濺射離子泵；8為超高真空插板閥；9，13為超高真空冷規(guī)；10為抽氣室；11，16為超高真空角閥；；12，17為限流小孔；14為校準(zhǔn)室；15，19為磁懸浮轉(zhuǎn)子規(guī)；18為上游室；20為微調(diào)閥；21為穩(wěn)壓室；22為皮喇尼規(guī)；25為減壓閥；27為高壓氣瓶。

1.1、供氣系統(tǒng)

　　供氣系統(tǒng)主要由高壓氣瓶（27）、減壓閥（25）、電磁隔斷閥（23和27）和機械泵（26）組成。高壓氣瓶中是各種高純氣體，以便根據(jù)需要用不同種類氣體進行校準(zhǔn)，為了給進樣系統(tǒng)的穩(wěn)壓室（21）中充入純的校準(zhǔn)氣體，設(shè)有2個電磁隔斷閥和一臺4L/s的直聯(lián)泵，用以抽除穩(wěn)壓室和供氣管道中的殘余氣體。

1.2、進樣系統(tǒng)

　　進樣系統(tǒng)主要由穩(wěn)壓室（21）、皮喇尼規(guī)（22）、微調(diào)閥（20）、上游室（18）、磁懸浮轉(zhuǎn)子規(guī)（19）、限流小孔（17）和超高真空角閥（16）組成。穩(wěn)壓室的體積為10L，以保證在進樣過程中，穩(wěn)壓室中的壓強恒定，穩(wěn)壓室中的壓強用皮喇尼規(guī)測量。微調(diào)閥用以調(diào)節(jié)進氣量從而達到控制校準(zhǔn)室中壓強的目的。超高真空角閥打開時可對上游室進行抽氣，當(dāng)超高真空角閥關(guān)閉時，限流小孔為上游室的抽氣口，小孔的直徑為1mm，以保證上游室中壓強為1pa時，小孔的流導(dǎo)為分子流導(dǎo)。磁懸浮轉(zhuǎn)子規(guī)用于測量上游室中的壓力。

1.3、校準(zhǔn)室

　　校準(zhǔn)室（14）采用直徑350mm的球形容器，在球形容器內(nèi)最容易建立起均勻的分子流場，這對于動態(tài)校準(zhǔn)系統(tǒng)是很重要的。為了保證磁懸浮轉(zhuǎn)子規(guī)（15）和被校質(zhì)譜計處于相同的真空條件，校準(zhǔn)室按對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計。氣體注入口和出口限流小孔（12）位于校準(zhǔn)室的2個極點，氣體入口處加有散流裝置，限流小孔的直徑為18mm，以保證校準(zhǔn)室中壓強為10 -3 pa 量級時，小孔的流導(dǎo)為分子流導(dǎo)。校準(zhǔn)室上有7個標(biāo)準(zhǔn)CF35法蘭接口和1個標(biāo)準(zhǔn)CF63法蘭接口，這8個接口用于接磁懸浮轉(zhuǎn)子規(guī)、超高真空冷規(guī)和被校質(zhì)譜計，它們位于與入口和出口連成的軸線相垂直的同一赤道平面內(nèi)。為了避免規(guī)管同時工作時相互干擾，接口法蘭通過流導(dǎo)盡可能大的彎管與校準(zhǔn)室連接，并使任何2個接口之間的連線不通過球心。

1.4、抽氣系統(tǒng)

　　渦輪分子泵可在校準(zhǔn)室中獲得無油清潔真空，并對各種氣體的抽速無明顯的選擇性，因此選FB-500型分子泵（6）為主泵，為提高FB-500 分子泵對H₂，He等低壓縮比氣體的抽氣能力，在它的前級接有1臺FB-100型分子泵（4），以便提高FB-500分子泵前級的極限真空，這就構(gòu)成了雙分子泵串聯(lián)抽氣機組，其前級泵為1臺4L/s的直聯(lián)泵（1）。為了在分子泵停機時維持校準(zhǔn)室中的超高真空，還配置了輔助離子泵（7）、超高真空角閥（11）和超高真空插板閥（8）。