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。
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。
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。
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。