分壓力裝置

裝置的組成分壓力質(zhì)譜計校準裝置工作原理簡圖如圖1所示 , 主要由供 氣系統(tǒng)、進樣系統(tǒng)、校準室和抽氣系統(tǒng)等幾部分組成。供氣系統(tǒng)、進樣系統(tǒng)共有相同的三路 , 圖中只畫出了其中一路。

抽氣系統(tǒng)由機械泵 1, 分子泵 4 , 6 , 濺射離子泵 7 等組成。校準室由上球室 14, 下球室 10 ,超高真空冷規(guī) 13 和磁懸浮轉(zhuǎn)子規(guī) 15 組成 ; 進樣系統(tǒng)由角閥 16, 小孔 17, 針閥 20, 穩(wěn)壓室 21 ,磁懸浮轉(zhuǎn)子規(guī) 19 組成 ; 供氣系統(tǒng)由機械26 ,氣瓶 27 , 電磁閥 23, 2 4, 減壓閥 25組成。

該校準裝置的主要功能是對混合氣體的分壓力進行測量 , 在分壓力準確測量的基礎上對質(zhì)譜計的靈敏度等參數(shù)進行校準。 以下主要介紹分壓 力測量方法和質(zhì) 譜計靈敏度的校準方法。

該校準裝置主要采用了兩種方法對分壓力進行測量 , 每種方法適合于一定范圍的分壓力測量。

1) 動態(tài)直接測量法

如果 校準的壓 力范圍 處于 10- 1~ 10- 4Pa內(nèi) , 可用校準室所接的磁懸浮轉(zhuǎn)子規(guī) 15作為參考標準規(guī)直接測量分壓力。 通過調(diào)節(jié)微調(diào)閥或改變穩(wěn)壓室中的壓力可達到控制校準室中壓力的目的。當使用磁懸浮轉(zhuǎn)子規(guī)測量單一氣體的壓力時 , 壓力 p 表達式為

式中: K 為與轉(zhuǎn)子和溫度有關的常數(shù) ; e 為某一氣體的切向動量傳遞系數(shù) ; M 為某一氣體的分子量 ; ( - k/ k )為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的相對衰減率。 用式( 1)不能直接測量分壓力 , 但經(jīng)過分析 , 通過適當?shù)霓D(zhuǎn)換 , 可以實現(xiàn)分壓力的測量。對于磁懸浮轉(zhuǎn)子規(guī) , 式 ( 1 )成立的條件是在分子流狀態(tài)下 ,即氣體分子之間無碰撞 , 這樣在混合氣體條件下 , 每種氣體成份與轉(zhuǎn)子發(fā)生碰撞引起的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速衰減率是相互獨立的。因此 , 在混合氣體條件下 , 可以對每種氣體成分引起的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的相對衰減率進行線性迭加 , 只要讓磁懸浮轉(zhuǎn)子規(guī)的測量輸出為 ( - k/ k ) , 就可方便地得到混合氣體中氣體成分的分壓力 .

2) 衰減壓力的分子流動態(tài)進樣法

如果校準壓力在 10- 4~ 1 0- 6Pa范圍內(nèi) , 可采用衰減壓力的分子流動態(tài)進樣法用上游室上所接的磁懸浮轉(zhuǎn)子規(guī) 1 9測量。即關閉超高真空角閥 16 , 調(diào)節(jié)微調(diào)閥或穩(wěn)壓室中的壓力 , 使上游室中的壓力處于 10- 4~ 10- 1P a 范圍內(nèi) , 利用磁懸浮轉(zhuǎn)子規(guī) 19 的測量值 , 并經(jīng)過計算得到校準室中的壓力。

若上游室中的壓力為 p 1 , 限流小孔 17的分子流流導為 C1 , 限流小孔 12 的分子流 流導為C2 , 當氣體達到動態(tài)平衡后 , 校準室中的壓力 p2為

在分子流條件下 , 對 某一種氣體 , C1 和 C2不變。 盡管 C1 和 C2 與氣體的種類有關 , 但流導比 R= C1 / C2 的值與氣體的種類無關。 因此 , 在分子流條件下 , R 為常數(shù) , 只要以任何一種氣體準確測定了 R , 就可以利用式 ( 2 ) 計算校準室中的壓力。

根據(jù)式 ( 2 ) , 在分子流條件下 , 有 R= C1 / C2= p 2 /p 1 。 因此 , 不必分別測定 C1 和 C2 , 只要準確測定 p 2 和 p 1 , 即可確定 R 。在該校準裝置中 ,選擇限流小孔 , 使 R 的值接近 1 0- 3, 這時可利用上游室上的磁懸浮轉(zhuǎn)子規(guī) 19 和校準室上的磁懸浮轉(zhuǎn)子規(guī) 15準確測定 R 。 調(diào)節(jié)氣體量 , 使上游室中的壓力為 10- 1P a, 則校準室中的壓力為10- 4Pa, 均在磁懸浮轉(zhuǎn)子規(guī)的精確測量范圍內(nèi)。用 Ar 、 N2 和 He 等氣體實際測定 R , 經(jīng)過多次反復測定 , 證明 R 的重復性優(yōu)于 1 % 。

當準確測定 R 值后 , 就可用 R 值和上游室中氣體的壓力計算校準室中的壓力 , 校準室中的壓力比上游室中的壓力衰減了三個數(shù)量級 ,因此可用此方法在 10- 4~ 1 0- 7Pa 范圍內(nèi)測量分壓力。 校準裝置設計有三路相同的獨立進樣系統(tǒng) , 當同時向校準室引入三種不同氣體時 , 可在校準室中建立起三種氣體混合物的分壓力 ,并進行壓力測量.

由幾種不同的氣體均勻地混合在一起，所組成的氣體混合物叫"混合氣體"。空氣就是一種混合氣體。組成混合氣體的每一種成分叫"組分"。

在混合氣體中，各種組分的氣體分子分別占有相同的體積(即容器的總空間)和具有相同的溫度?；旌蠚怏w的總壓力是各種分子對器壁產(chǎn)生撞擊的共同作用的結(jié)果。每一種組分所產(chǎn)生的壓力叫分壓力，它可看作在該溫度下各組分分子單獨存在于容器中時所產(chǎn)生的壓力Pn。

實驗證明，混合氣體的總壓力戶等于各組分的分壓力Pn之和:(道爾頓定律)

P=P1+P2+……+Pn

混合氣體均為理想氣體的狀態(tài)下, 各成分的分壓力之比=對應氣體的物質(zhì)的量比,即上式可表示為

n=n1+n2+........+nn

需要注意的是，實際氣體并不嚴格遵從道爾頓分壓定律，在高壓情況下尤其如此。當壓力很高時，分子所占的體積和分子之間的空隙具有可比性;同時，更短的分子間距離使得分子間作用力增強，從而會改變各組分的分壓力。這兩點在道爾頓定律中并沒有體現(xiàn)。