磁懸浮轉(zhuǎn)子規(guī)在分壓力測(cè)量中的應(yīng)用

2009-11-19 李得天蘭州物理研究所

1、引言

　　進(jìn)入80年代，質(zhì)譜分析技術(shù)在科學(xué)及工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用與日俱增，許多方面都對(duì)分壓力質(zhì)譜計(jì)提出了定量要求。隨之而來(lái)的是國(guó)際上對(duì)分壓力質(zhì)譜計(jì)校準(zhǔn)技術(shù)研究的高度重視。從1985年召開(kāi)的首屆國(guó)際分壓力質(zhì)譜計(jì)校準(zhǔn)專題討論會(huì)來(lái)看，美國(guó)、加拿大、英國(guó)、奧地利、德國(guó)、意大利和日本等國(guó)家已在進(jìn)行這方面的研究，并逐步建立了一些質(zhì)譜計(jì)校準(zhǔn)系統(tǒng)和形成了質(zhì)譜計(jì)校準(zhǔn)方法，尤其是美國(guó)真空學(xué)會(huì)還在1993年公布了新的質(zhì)譜計(jì)校準(zhǔn)推薦方法。

　　通常，質(zhì)譜計(jì)測(cè)量結(jié)果的精度取決于2個(gè)因素; 一是校準(zhǔn)過(guò)程中使用的參考標(biāo)準(zhǔn)的精度和校準(zhǔn)系統(tǒng)的適用性；二是質(zhì)譜計(jì)本身的性能。由此看來(lái)，氣體成分的分壓力校準(zhǔn)技術(shù)研究應(yīng)包括以下3個(gè)方面的內(nèi)容：①校準(zhǔn)系統(tǒng)的研制；②校準(zhǔn)技術(shù)的不斷改進(jìn)；③質(zhì)譜計(jì)的計(jì)量學(xué)特性探索。

　　目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)質(zhì)譜計(jì)計(jì)量學(xué)特性的研究相對(duì)較多，而對(duì)分壓力校準(zhǔn)系統(tǒng)的研制和分壓力校準(zhǔn)技術(shù)的研究相對(duì)較少，要有效地進(jìn)行分壓力校準(zhǔn)必須對(duì)上述3方面的內(nèi)容進(jìn)行深入的研究，三者缺一不可。本文作者將探討磁懸浮轉(zhuǎn)子規(guī)用于分壓力測(cè)量的可行性，并給出了2種分壓力測(cè)量方法和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2、磁懸浮轉(zhuǎn)子規(guī)（SRG）測(cè)量分壓力

　　當(dāng)SRG測(cè)量單一氣體的壓力時(shí)，壓力p表達(dá)式為

(1)

　　式(1)中K為與轉(zhuǎn)子和溫度有關(guān)的常數(shù)；σ為某一氣體的切向動(dòng)量傳遞系數(shù)；M為某一氣體的分子量； (-·ω/ω)為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的相對(duì)衰減率。用式(1)不能直接測(cè)量分壓力，但經(jīng)過(guò)分析，通過(guò)適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換，可以實(shí)現(xiàn)分壓力的測(cè)量。對(duì)于SRG,式(1)成立的條件是在分子流狀態(tài)下，即氣體分子之間無(wú)碰撞，這樣在混合氣體條件下，每種氣體成分與轉(zhuǎn)子發(fā)生碰撞引起的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速衰減率是相互獨(dú)立的。因此，在混合氣體條件下，可以對(duì)每種氣體成分引起的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的相對(duì)衰減率進(jìn)行線性迭加，只要讓SRG的測(cè)量輸出為 (-·ω/ω)，就可方便地得到混合氣體中氣體成分的分壓力，分壓力測(cè)量原理如圖1所示。方法如下：①用氣體1在真空室中建立一定的動(dòng)態(tài)平衡壓力，用SRG測(cè)出該氣體引起的轉(zhuǎn)子衰減率 (-·ω/ω)₁₊₂；②保持氣體1壓力不變，用氣體2在真空室中建立第2種氣體的某一動(dòng)態(tài)平衡壓力，這時(shí)真空室中為2種氣體的混合物，所以SRG測(cè)出的轉(zhuǎn)子衰減率為2種氣體作用所產(chǎn)生的衰減率 (-·ω/ω)₁₊₂，這樣第2種氣體所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子衰減率應(yīng)為(-·ω/ω)₂=(-·ω/ω)₁₊₂-(-·ω/ω)；③測(cè)出了兩種氣體分別所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子衰減率，由式(1)就可得到兩種氣體成分的分壓力p₁和p₂。