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，真空容器器壁的放氣會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。

　　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，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，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驗膨脹氣體，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，其壓力和體積的乘積保持不變。即式(1)

　　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

　　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

　　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

　　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，運用靜態(tài)膨脹法公式計算膨脹后在大容器內(nèi)產(chǎn)生氣體的標(biāo)準(zhǔn)壓力時，需要精確測量容積比。實驗裝置的結(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(SRG)和真空閥門等組成。

　　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作為實驗氣體然后進(jìn)行容器容積比的測量。

　　為達(dá)到式(4)中的T1/T2=1，采用鉑電阻溫度計進(jìn)行溫度測量。為了消除環(huán)境溫度波動對實驗結(jié)果帶來的影響，在實驗開始前的24 h打開實驗設(shè)備(例如分子泵)，同時打開實驗室溫控設(shè)備并設(shè)定溫度23° C，記錄鉑電阻溫度計的溫度波動小于0.2 °C/h開始實驗。認(rèn)為這為磁懸浮轉(zhuǎn)子真空計的使用提供了較好實驗條件，同時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)果證實該方法可以成功的應(yīng)用在靜態(tài)氣體膨脹實驗的校準(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%