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Sandbox Physics
物理仪器怎样测量

走进仪器

泵很大,为什么样品旁边还抽不干净

泵已经转起来,入口附近的压力很低,样品旁边的压力计却迟迟不肯降。换一台更大的泵,改善有时仍很小。气体离开腔体之前,要先穿过阀门和管道;这段路有多好走,决定了样品真正得到多少抽气能力。

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分子先得找到出口

真空很高时,气体分子之间很少相撞。一个分子更常碰到腔壁,弹开,再撞另一处表面。泵吸走的是抵达入口的分子。它无法隔着一段细长管,把腔体里所有分子直接带走。

这时气路有多好走,叫流导。把管子缩细,能找到并穿过出口的分子就少了;把管子加长,分子得经过更多次碰壁。对足够长的圆管,在同样的气体和温度下,管径减半,分子流流导大约只剩八分之一。

设泵入口的抽速是每秒80升,连接管的流导是每秒5升。把两者连起来,腔体处的有效抽速只有每秒约4.7升。换成每秒160升的泵,有效抽速也只升到约4.85升;分子仍挤在原来的窄路上。这里的升每秒描述抽气能力,实际移走多少气体还取决于入口压力。

把管道缩短、加粗,或者把泵移近腔体,常常比继续放大泵更有帮助。腔体和泵入口同时装压力计,就能看到气体沿路流动时留下的压力差。这个差值和流导一起,给出穿过管道的气体流率。

1Seff=1S+1C\frac{1}{S_{\mathrm{eff}}}=\frac{1}{S}+\frac{1}{C}
S是泵入口抽速,C是连接气路的分子流流导,S_eff是腔体处的有效抽速。三者须使用相同的体积每时间单位。它适用于这里的线性分子流气路。

来源:[3][4]

密封好了,墙壁仍会送出气体

把一只真空腔关紧,里面的气体也不会立刻消失。接触过空气的金属表面会留住水等分子。抽气时,一部分分子慢慢离开表面,这叫放气。泵每秒移走多少,腔壁每秒补进多少,两者接近平衡后,压力下降就会变慢。

还有一种气体藏在盲孔、螺纹或接缝的深处。外面的腔体已经抽得很低,里面的小空腔却只能通过一条很窄的缝慢慢排气。它好像在漏气,气源却来自装置内部,通常叫虚漏。设计时给盲孔留出排气通道,能让这团气体更早离开。

真正与外界连通的裂缝,也会让压力降不下来。腔壁放气、内部藏气和外部漏气可以同时存在。一段相似的压力下降曲线,可能由不同气源叠加而成。要找到外部通路,得给外面的气体加一个可辨认的标记。

来源:[3][5]

压力计怎样把气体变成读数

高真空里的电离压力计,会让电子撞上残余气体,再收集产生的离子。压力越高,通常产生的离子越多。不过,不同气体被电离的难易不同。同样的真实压力,氦气和氮气可能给出不同电流。

仪器若用氮气校准,面对未知混合气体,读数首先是氮气等效压力:它表示多少氮气会产生当前信号。要进一步换算成混合气体的真实总压力,需要知道组分和各组分的响应。把一个氦修正系数乘在所有未知气体上,会丢掉这层区别。

另一类压力计让气体压弯一片薄膜。膜片与固定电极之间的距离一变,两者储存电荷的能力也跟着变,这种能力叫电容。电路读出电容变化,再换成压力。膜片电容式压力计测的是气体施加的力,氦气和氮气可以共用同一压力刻度。压力很低时,位移带来的信号接近零点漂移和分辨限,仪器就难以给出可靠的压力。

校准时,已知压力提供尺上的刻度,原始电压则保留下来,供以后重算。再用一份没有参加定标的已知样本检查这把尺。两处压力计各有自己的响应,比较腔体和泵入口之前,需要分别校准。

来源:[3][7][1][2]

让氦气沿着漏缝带路

在待查接缝外侧送入氦气,腔体内的检漏器专门观察氦。如果这条路与外面连通,氦进入腔体,经过阀门和管道,到达检漏器。检漏器先把气体电离,再按离子的质量选择氦信号;最后收集的是离子。

信号不会在喷气的瞬间跳到最终值。腔体要积累一些氦,气路需要输送,探测器也有响应时间。停止送氦后,留在系统里的氦还要被抽走。大体积腔体接上细管,等待的时间可能比预想长得多。

先测背景,再把一份已知流量的氦标准接到同样的位置,让它走完整条气路。未知信号扣去背景后,和标准信号比较,才能换算流量。泵、阀门或管路换了,抵达检漏器的比例和时序也会变化,需要重新校准。每秒多少摩尔和压强体积流率之间的换算,还要写清气体参考温度。

氦响应说明存在能传递示踪气的路径。某些材料也会让氦慢慢渗透,因此实际检漏还会结合位置、响应快慢与材料判断。把原始信号、背景、标准、送气时刻和等待时间一起留下,后来的人才能知道:这个漏率是怎样量出来的。

来源:[4][6][7][5]

来源与延伸阅读

  1. INFICON SKY CDG025D Operating Manual, tina49e1-f (2024-08)

    核读第6、9页:压力使陶瓷膜片变形,电容变化转为线性模拟信号,以及气种无关性与有限分辨能力。实验采用单独声明的缩减模型。

  2. INFICON SKY CDG025D Datasheet, tiba33e1-h (2024)

    核读第2–3页的满量程选件、分辨能力和建议读数下限,用来说明膜片式压力计的低压可读范围。

  3. Pfeiffer Vacuum, Vacuum Technology Book II, Part 2

    第15–17、19–20、94–95页:压强体积流率、分子流长管、腔壁放气及电离压力计的气体依赖。核读所列部分,未声称通读。

  4. Pfeiffer Vacuum, Leak Detection Compendium (April 2013)

    第11–15页:单位、整条气路校准、有效抽速与示踪响应。本页的计算限定在分子流。

  5. Leybold, Definition and measurement of vacuum leaks

    漏气类型、藏气空腔产生的虚漏,以及由外向内检漏、氦参考条件和分流测量。

  6. P. Cruikshank and G. Bregliozzi, CERN CAS Leak Detection Tutorial (June 2017)

    第25、29–30、35–37张:背景与外部标准修正、质量选择探测、响应及恢复时间。

  7. C. Ehrlich and S. Tison, NIST SP 250-38 (January 1992)

    第1–5页:稳定后比较未知氦流和已知流量、温度与摩尔流量单位。引用历史方法;本模拟不具有NIST溯源资格。

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