真空技术及应用系列讲座 第六讲_真空测量05

真 空 技 术 及 应 用 系 列 讲 座 东北大学真空工程博士点,博士导师杨乃恒先生主持 第一讲:真空科学的发展及其应用李云奇 95 (2) 第二讲:真空物理基础张世伟 95 (3) 第三讲:机械真空泵(一) (二) (三) (四) (五) (六)张以忱95(4)、(5)、(6)、96(1)、(2)、(3) 第四讲:蒸汽流真空泵姚民生 96 (4) 第五讲:气体捕集式真空泵徐成海 96 (5) 第六讲:真空测量刘玉岱 96(6)、97(1)、(2)、(3) 第六讲:真空测量 刘玉岱 (东北大学) 三、 分压力测量 21 四极滤质器(上接1997第3期) 四极滤质器又称四极质谱计。四极滤质器的质量分离原理是基于不同质荷比的离子在高 频和直流四极场中,运动轨迹稳定与否来实现的。 它是近代残余气体分析器中最为流行的无磁 滤质器,其性能指标较高。 四极滤质器的探测器结构示意图如图26所示。它由三部分组成:离子源、 分析器和收集 器。离子源由灯丝、 反射极和阳极组成。电子由加热的灯丝发出,被阳极加速,有一部分穿过阳 极孔而进入离化室,电子在离化室内与气体分子碰撞电离,产生正离子。离化室内的离子被离 子入口膜片加速并吸出,进入分析器。分析器由四根对称排列的四极杆组成,两个相对的极杆 彼此连接起来,两对极杆之间加直流电压和高频电压,直流电压和高频电压幅值保持一定比值 11 灯丝 21 离化室 31 阳极 41 反射极 51 离子膜片 61 离 子入口 71 四极杆 81 离子出口 91 离子收集极 ? 1 离子源 1 分析器 1 收集器 图26 四极滤质器探测器结构示意图 (一般约为1? 6) 。当直流电压和高频电压 低时,低质量的离子在四极场中运动轨迹 稳定(有界 ), 且运动轨迹幅度小于四极场 半径,故低质量的离子可以通过四极杆空 间,通过离子出口打到离子收集极上。 当直 流电压和高频电压高时,高质量的离子可 以通过四极场空间。 在一特定的电压下,只 有一种质量的离子可以通过,其余的离子 都通不过,所以称为质量过滤器或简称滤 质器。 依据滤质器的特点,当直流电压和高 频电压由小逐渐变大时,质量不同的离子,从质量小到质量大,依次地通过分析器达到收集极。 14 第4期 1997年8月 真 空 V acuum2V acuum Technology andM aterial 因此,根据收集极离子流的变化,可以判断各种气体的成分和相对多少。 一般商品滤质器质量范围为1500u,分辨本领100500,灵敏度为10251026APa21, 带倍增器的达几安每帕,最小可检分压力为102910211Pa,分压比灵敏度为201026,最高工作 K1 阴极 G1G51 栅极 C1 收集极 图27 射频质谱计结构原理图 压力为10211022Pa。 31 射频质谱计 射频质谱计没有笨重的磁铁,只靠电场来达到质量 分析的目的。 其工作原理见结构图27。K为阴极,G1G5 为等距的栅极,C为离子收集极。以阴极电位为参照,G1 加正电位,做电子收集极;G5加正电位,以对向收集极运 动的离子形成一适当的拒斥场;在G3与G2,G4间加一角 频率为 的高频电压。于是,G2、G3间的电位差为 V23=V0 sin ( t+) G3、G4间的电位差为 V34= -V0 sin ( t+) (17) 因为G1正而G2负,故阴极发射的电子在G1前后来回振荡。它在G1、G2间产生的离子群 受G2加速,除G2截获一部分外,其余进入高频电场,在G2、G3和G4间进行分析。 原来,离子经 G2加速后不同质量的离子已具有不同的速度,在合适相位时进入高频电场的离子,就会受到 电场的加速。如果有一种离子,它们的速度使得当其飞抵G3开始进入G3G4时,电场相位正 好改变,那么它们就能从电场获得最大能量;其余离子因速度不合适,能量有大有小,但都未能 达到此最大值。这样,便可以调节G5的拒斥场,使只有动能最大的离子才能穿过G5,飞抵离子 收集极。质量扫描由改变高频电场的频率来实现的。 41 识谱技术 质谱计对残余气体或气体样品析的结果,实际上是离子流与分析器扫描参数的关系图,即 质谱图。 如何由该图正确判断样品的化学成分及其含量是一个比较复杂的问题,它是建立在详 细了解系统中所找到的气体和蒸气碎片图型的基础上的。 在熟悉了残余气体分析之后,残余气 体的许多主要成分的定量分析就相当简单易懂了。 然而,精确的定量分析需要细致的校准和许 多复杂的分析技术。质谱分析的精确性除了与质谱计本身性能有关外,还与使用方法、 分析技 术等有关。 (1)质量数的标定 对质谱图进行分析,首先应准确地判断出各个谱峰对应的质量数。 真空系统中常见的残余 气体质量数Mn,系统是超定义的。 然后将最小均方准则或其它平滑 准则用于数据,以得到最佳的吻合。 假如图型是仔细地取得的,并且标准差也是仔细测得的话, 那么主要组分精度可达3 。 实际中的矩阵将包括1050个元素,求解就需要计算机。 在这种 情况下,用一台计算机来获得数据、 控制仪器和用作分析是实用的。这些实验是费钱和费时间 的,只有在要求相当精确的情况与才那样做。 四、 真空计校准 11 真空计校准概述 真空计校准是真空测量的基础,是研究和发展真空测量的有力工具。 它不但能使已有的相 对真空计统一在可靠的标准之下,而且还可对发展中的真空计进行性能的研究。 所谓 “真空计校准” 就是对相对真空计进行 “刻度” 。真空计刻度是在一定条件下对一定种 类气体进行的,从而得到校准系数或刻度曲线。因此气体种类的改变或工作条件的变化,原校 准曲线就不能使用,必须重新进行校准。 同一台测量仪器,更换规管时校准曲线也会发生变化。 由此观之,对相对真空计校准是非常必要的,又要定期进行,否则会产生超过允许的测量误差。 校准是对真空计整体而言,既包括所谓的一次仪表的真空规管,又包括所谓的二次仪表的 电子线路。通常是二者合在一起进行校准,也可以分别对真空计规管和电子线路进行校准,而 后者是较为理想的。 真空计校准的前提是必须有标准真空计和校准系统,并通过一定方法进行。 真空标准有绝对真空计、 标准相对真空计(或副标准真空计)和绝对校准系统。 所有绝对真 空计均可作为真空标准。 而以绝对真空计为基准,将经过压力衰减后精确计算出的再生低压力 作为标准的真空计校准系统称为绝对校准系统。 如膨胀法校准系统应用静力热平衡,其理论基 础为理想气体的玻意耳定律,把U型管压力计校准下限延伸至高真空 (10 24Pa)。 稳定性和精度 高的真空计,经过校准之后,可作为次级标准,对工作真空计进行校准,称这种真空计为副标准 真空计。 在计量学中,所谓标准是按精度等级排列的一个体系。国家技术监督局批准并于1990年 5月1日实施 “真空计量器具检定系统”(JJG20222 89) 。根据当前真空技术发展水平,真空获得 和真空测量范围,已从大气压 (10 5Pa)至极高真空( 10210Pa)。但工业生产和科学研究中, 实际 广泛应用的压力范围为1028105Pa。为了保证该范围内真空度量值的准确一致,制定了检定 系统,进行真空度量值传递,检定各级真空计时器具。 该检定系统主要适用于1028105Pa范围 内,计量、 科研和工业部门使用的真空标准装置和真空计的检定。 图28示出真空计量器具检定框图。 44真 空 第4期 图28 真空计量器具检定框图 21 静态膨胀法 1910年克努曾最早提出静态膨胀法压力校准系统。静态膨胀校准低真空计时,因为容器 壁吸、 放气不显著,校准精度较高。 在高真空校准时,由于器壁吸、 放气显著,必须设法减小其影 响。此方法制作简单、 操作方便、 运算迅速、 检定效率高,且排除了汞蒸气对人的危害。 膨胀法校准是基于波意耳定律,即在恒定的温度下,一定质量的气体的压力与体积之积为 一常数。 单级膨胀系统工作示意图见图29所示。 首先将气源室中充有需要压力为p1的校准气体, 由标准真空计G2测量。再将校准室抽气至低于校准压力下限两至三个数量级。这样可略去校 准室本底压力对校准的影响。 54第4期 刘玉岱:真空测量 每操作一次传递阀K4,就将由气源室中的压力为p1容积为传递容积Vs的气体输送到校 准室。第一次膨胀后,校准室压力为 p (1) = Vs V+Vsp 1(27) 第n次膨胀之后,校准室的压力p n为 p n =n Vs V+Vsp 1=np (1) (28) 此法计算简单,如校准高真空可用双级膨胀。 31 动态流导法 动态流导法有时也称为动态流量法和小孔法校准,它是建立在气流连续性原理、 分子流状 态和等温条件基础上的,由于是动态校准,吸气和放气的影响很小。 在分子流状态下,流导公为 结构几何尺寸的函数,与压力元关。其校准下限随真空获得和小流量测量水平而延伸。是目前 超高真空和极高真空的切实可行的校准方法。 动态流导法校准原理是根据气体分子运动论原理,利用薄壁小孔作标准流导产生已知低 压力的。 图30是这种校准方法原理示意图。 首先将校准室压力抽至校准压力下限以下23个 数量级,这样计算校准压力时可忽略本底的影响。 校准气体以稳定流量pG通过针阀K,由进气 管注入校准室。气体以分子流流经一薄壁小孔并由真空系统抽除。在达到动态平衡时,在小孔 上方的校准室建立起已知的低压力p,用它来校准真空计G。校准室的压力可由下式计算 p= qG C +pb(29) 11 气源室 21 校准室 3、41 接泵 51 接校准气体 G11 待校计 G21 标准计 K1、K2、K31 真空阀 K41 传递阀 (传递容积为Vs) V ,V11 分别为校准室和气源室容积 p、p11 分别为校准室和气源室压力 图29 单级膨胀系统原理图 11 校准气体 21 散流器 31 薄壁小孔 41 抽气系 统 51 校准室 K1 微调阀 G1 被校真空计 C1 薄壁小孔流导 p1 校准室压力 pb1 小孔下游压力 图30 动态流导法校准原理图 由于系统的有效抽速比小孔流导大很多,故使得小孔下游的压力pb远小于校准室压力 p。 这样小孔下游压力测量值误差对校准压力的影响很小。 因此,只要根据校准气体流量qG、 小 孔流导C和小孔下游压力pb,就可以计算出校准室压力来。 校准气体的流量qG由流量计测量。流量范围为10271023Pam 3s21, 其测量精度可达 0. 5% ,压力校准 范围是10251021Pa。 由于很难测定微小的流量,也就直接限制了校准压力下限。采用分流的办法,能扩展压力 校准下限,这就是二级动态流导校准法。 64真 空 第4期 K1、K21 无脂球阀 H1 侧管水银面高度 h01 测量毛细管 外顶端高度 ha1 比较毛细管中水银面高度值 hc1 测量 毛细管中水银面高度值 N-N1 交叉口 21 压缩后气 柱修正量 V11 交叉口N面以上压缩泡的容积 V21 交叉 口N面以上至无脂阀K1之间的管道容积 V31 交叉口N 面以下至无脂阀K2之间的容积 11 接水银升降系统 图31 标准压缩式真空计 41 标准压缩式真空计 标准压缩式真空计不论是在结构上还是测 量方法上和第二章所述的工作压缩式真空计都 有所不同,它是用比对法校准其它标准真空计 量器具,在51023103Pa压力范围内,是一可 靠的压力标准,因此,各国普遍将它确定为国家 真空计量的基准器具。 标准压缩式真空计是在分析了工作压缩式 真空计误差的基础上,进行了结构和测量方法 的改进而成。主要有以与几方面: (1)采用磨毛毛细管,使毛细管内径更均 匀,消除了毛细管不同长度上水银压低值的无 规则变化,以及水银在毛细管中运动的异常现 象。 (2)设置两个无脂阀,防止水银蒸气抽气 效应。 (3)采用无定标法进行测量。 (4)测量毛细管采用锥形封顶。为防止测 量毛细管封顶时,破坏测量毛细管顶端已磨毛 的内表面。 采用锥形封顶,如图31右上角所示。 这样就要考虑测量毛细管的内顶端位置问题, 所以引入压缩后气柱高度修正量 2。 (5)要考虑测量毛细管和比较毛细管之间 压低值不同的压低值修正量 1所谓压低值是 指由于水银不浸润玻璃,所以毛细现象使得水银柱有所下降,此下降值称压低值。标准压缩式 真空计用比对法进行动态校准,标准压缩式真空计结构见图31所示。其压力计算公式如下: p=g V1