近二十年来,各国国家计量研究院在10³Pa～10^-4Pa 范围内的真空基准大多为静态膨胀法真空装置,测量不确定度由二十年前的10^-2提高到10^-3量级。我国,目前磁悬浮真空计和电容薄膜真空计使用较多,这类仪器在测量精度和稳定性上的指标较高,需要有相应的标准装置来满足新仪器的校准需求。因此,我院新建立了一套静态膨胀法真空装置,既能够满足大量新仪器校准需求,也能以较高的水平参加相应的国际比对。该静态膨胀法真空装置,测量范围:5×10^-4～1×10⁵Pa,不确定度:0.19%～0.02% (k=2)。

静态膨胀法真空系统装置概述

       静态膨胀法真空装置在高真空范围可以对磁悬浮等真空计进行校准,在低真空范围可以对电容薄膜等真空计进行校准。其原理是基于玻意尔-马略特定律,气体由已知压力的小体积内向高真空的大体积膨胀,膨胀后的平衡压力为: 

      式中:P0为小体积内压力(Pa);v为小体积容积(L);V为大体积容积(L);P为平衡后压力(Pa) 。

       我们称v/v+V为体积比,是静态膨胀法真空装置最重要的基本参数。

      膨胀法真空标准装置由主机系统、抽气系统(分子泵和机械泵)、阀门(K1～K15)、气源室V等几部分组成,如图1所示。

图1 　静态膨胀系统示意图

        其中,主机系统是由两个80L的不锈钢密封容器V1和V2(我们称为I 级膨胀室和II级膨胀室)和三个分别为800mL、80mL、800mL的v1、v2和v3组成,所有与小体积连接的阀门密封面均朝向小体积。这样我们就可以获得1∶100和1∶1000的体积比,前级压力从10³ Pa～10⁵ Pa, 使用标称满度时准确度优于0.008%的石英谐振数字压力计测量得到。工作时,气体分别由小体积膨胀到I级膨胀室,压力下降,得到所需要的压力。还可通过循环膨胀或两级膨胀,获得更低的所需压力值。

       为了获得较好的静态本底压力,I级膨胀室和II级膨胀室加工中经过高温预处理,实验前,还要经200℃的烘烤72h以上,极限压力达到10-8Pa。在常规工作条件下,通过长时间监测,II级膨胀室对氮气的压力升高率为2×10-9Pa/s 。

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