劉 波，丁立莉，劉 卿，曹 慧

(1.西安航天計(jì)量測(cè)試研究所，陜西 西安710100;2.中國(guó)航空工業(yè)第一集團(tuán)公司西安飛行自動(dòng)控制研究所，陜西西安710065)

1 引言

熱陰極電離真空計(jì)是目前測(cè)量高真空的主要儀器，隨著高真空測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，熱陰極電離真空計(jì)由于其測(cè)量范圍寬，抗污染能力強(qiáng)，使用成本低等有點(diǎn)，被各廠、礦、院、所及軍工企事業(yè)單位使用。為了確保真空測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確可靠，國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督局規(guī)定:建議電離真空計(jì)的校準(zhǔn)時(shí)間間隔周期為一年，這樣就對(duì)校準(zhǔn)電離真空計(jì)的單位提出了嚴(yán)格的要求，要求確保校準(zhǔn)的嚴(yán)肅性與公正性，保證量值的準(zhǔn)確傳遞。同時(shí)對(duì)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器具也作出了同樣嚴(yán)格的要求，必須依據(jù)國(guó)家相應(yīng)的檢定規(guī)程或校準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行檢定或校準(zhǔn)。

我國(guó)現(xiàn)在施行的《電離真空計(jì)校準(zhǔn)規(guī)范》JJF1062－1999［1］中明文規(guī)定，電離真空計(jì)的校準(zhǔn)首先應(yīng)對(duì)其外觀及電路電參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)。在電路電參數(shù)校準(zhǔn)方面，現(xiàn)有的各級(jí)校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)依據(jù)使用設(shè)備的不同對(duì)其校準(zhǔn)的方法也不盡相同。運(yùn)用真空比對(duì)標(biāo)準(zhǔn)裝置及電參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)幾種熱陰極電離真空計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)，為了保證校準(zhǔn)的可靠性，對(duì)熱陰極電離計(jì)測(cè)量和使用中應(yīng)注意的問(wèn)題進(jìn)行認(rèn)真研究［2］，通過(guò)分析其測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性來(lái)判斷該套裝置及方法的可行性。

2 工作原理

熱陰極電離真空計(jì)的工作原理是當(dāng)陰極發(fā)射出的電子在加速場(chǎng)的作用下飛向柵極，有一部分電子打到柵極被吸收，另一部分電子穿過(guò)柵極，并與氣體分子發(fā)生碰撞，由于碰撞的過(guò)程中電子的動(dòng)能大到電子的脫出功，使氣體分子產(chǎn)生電離，在收集極回路中形成離子流，而離子流正比于氣體壓力，通過(guò)測(cè)量離子流的大小來(lái)指示真空度。熱陰極電離真空計(jì)有3個(gè)電極，即陰極、柵極和收集極，陰極加零電位，柵極加正電位，收集極加負(fù)電位。在測(cè)量和校準(zhǔn)的過(guò)程中首先要確保熱陰極電離真空計(jì)的電參數(shù)符合校準(zhǔn)規(guī)范的要求。應(yīng)用電信號(hào)測(cè)量設(shè)備將電離后的離子流信號(hào)轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)進(jìn)行輸出，并對(duì)輸出的值進(jìn)行采集和數(shù)據(jù)分析，給出相對(duì)應(yīng)各項(xiàng)電參數(shù)的誤差值。

3 校準(zhǔn)裝置的組成

熱陰極電離真空計(jì)電參數(shù)的校準(zhǔn)主要由二部分校準(zhǔn)系統(tǒng)組成，其中電參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)當(dāng)真空規(guī)管被點(diǎn)亮后測(cè)量電離真空計(jì)相應(yīng)的電路參數(shù)值，獲得標(biāo)準(zhǔn)電參信號(hào)(圖1中的＜1＞部分)。真空比對(duì)校準(zhǔn)裝置主要完成真空環(huán)境的模擬，使得熱陰極電離真空計(jì)在相應(yīng)的真空度條件下被點(diǎn)亮，能夠發(fā)射電子流(圖1中的＜2＞部分)。

圖1 熱陰極電離真空計(jì)電參數(shù)校準(zhǔn)裝置組成示意圖

其中電參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)主要包括BD－I型標(biāo)準(zhǔn)電流源、測(cè)量信號(hào)源及各種熱陰極電離真空計(jì)。

真空比對(duì)校準(zhǔn)裝置由抽氣系統(tǒng)、校準(zhǔn)系統(tǒng)及測(cè)量控制系統(tǒng)組成。抽氣系統(tǒng)包括:機(jī)械泵、分子泵;校準(zhǔn)系統(tǒng)包括:校準(zhǔn)室、主標(biāo)準(zhǔn)器;測(cè)量控制系統(tǒng)包括:氣體微調(diào)閥、各種控制閥、氣源、數(shù)據(jù)采集和程序控制等。

4 數(shù)學(xué)模型

依據(jù)在真空狀態(tài)下，熱陰極發(fā)射的電子被柵極加速，荷能電子與氣相中的氣體分子發(fā)生碰撞使氣體分子電離，收集極上接收的離子流與熱陰極發(fā)射的電子流和真空度產(chǎn)生相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系［3］:

式中 S為熱陰極電離真空計(jì)的靈敏度系數(shù)，Pa－1;IC為收集極上接收的離子流，A;Ie為陰極發(fā)射的電子電流，A;P為熱陰極電離真空計(jì)電離后的真空度，Pa。

5 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及數(shù)據(jù)

將目前最常用的四支全新不同型號(hào)的熱陰極電離真空計(jì)分別連接在真空比對(duì)校準(zhǔn)裝置上。規(guī)管型號(hào)分別為 ZJ－27，ZJ－12，ZJ－10，ZJ－2。經(jīng)過(guò)對(duì)真空校準(zhǔn)室進(jìn)行抽氣及烘烤，使校準(zhǔn)室獲得5.0×10－5Pa的本底真空度。

按照BD－I標(biāo)準(zhǔn)電流源示意連接示意圖，將4支熱陰極電離真空規(guī)依次與標(biāo)準(zhǔn)電流源進(jìn)行連接，并依次連接與其對(duì)應(yīng)的四臺(tái)電離真空計(jì)，開(kāi)機(jī)預(yù)熱半小時(shí)后進(jìn)行測(cè)量，其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別如下表所示:

表1 (配ZJ－27型)電離真空計(jì)電參數(shù)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

查ZJ－27規(guī)的使用說(shuō)明書可知該型號(hào)真空計(jì)的發(fā)射電流、加速極對(duì)陰極中心點(diǎn)電位、陰極中心點(diǎn)對(duì)地電位的各項(xiàng)標(biāo)稱值。由于該規(guī)管的出廠靈敏度系數(shù)為0.15 Pa－1，在標(biāo)準(zhǔn)電流源上各檔位的標(biāo)準(zhǔn)電阻值是已知的，通過(guò)運(yùn)算公式可算出，在(100－10－4)檔時(shí)的離子流放大器滿度刻度時(shí)所對(duì)應(yīng)的電壓值為150V。示值誤差，(式中δ為示值誤差;I為電參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量的各項(xiàng)電參值;I被檢標(biāo)準(zhǔn)為該型電離真空計(jì)各項(xiàng)電參數(shù)的標(biāo)稱值)，進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算，可知計(jì)算后的誤差都在《電離真空計(jì)校準(zhǔn)規(guī)范》規(guī)定的允差之內(nèi)。

表2 (配ZJ－12型)電離真空計(jì)電參數(shù)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

查ZJ－12規(guī)的使用說(shuō)明書可知該型號(hào)真空計(jì)發(fā)射電流、加速極對(duì)陰極中心點(diǎn)電位、陰極中心點(diǎn)對(duì)地電位的各項(xiàng)標(biāo)稱值。由于該規(guī)管的出廠靈敏度系數(shù)為0.075 Pa－1，在標(biāo)準(zhǔn)電流源上各檔位的標(biāo)準(zhǔn)電阻值是已知的，通過(guò)公式可算出，在(10－2－10－6)檔時(shí)的離子流放大器滿刻度時(shí)所對(duì)應(yīng)的電壓值為30V。示值誤差，(式中δ為示值誤差;I為電參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量的各項(xiàng)電參值;I為該型電離真空被檢標(biāo)準(zhǔn)計(jì)各項(xiàng)電參數(shù)的標(biāo)稱值)，進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算，可知計(jì)算后的誤差都在《電離真空計(jì)校準(zhǔn)規(guī)范》規(guī)定的允差之內(nèi)。

表3 (配ZJ－10型)電離真空計(jì)電參數(shù)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

查ZJ－10規(guī)的使用說(shuō)明書可知該型號(hào)真空計(jì)發(fā)射電流、加速極對(duì)陰極中心點(diǎn)電位、陰極中心點(diǎn)對(duì)地電位的各項(xiàng)標(biāo)稱值。該規(guī)管的出廠靈敏度系數(shù)為0.15 Pa－1，在標(biāo)準(zhǔn)電流源上各檔位的標(biāo)準(zhǔn)電阻值是已知的，通過(guò)公式可算出，在(101－10－4)檔時(shí)的離子流放大器滿刻度時(shí)所對(duì)應(yīng)的電壓值為75V。示值誤差δ，(式中δ為示值誤差;I為電參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量的各項(xiàng)電參值;I為該型電離真空計(jì)被檢標(biāo)準(zhǔn)各項(xiàng)電參數(shù)的標(biāo)稱值)，進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算，可知計(jì)算后的誤差都在《電離真空計(jì)校準(zhǔn)規(guī)范》規(guī)定的允差之內(nèi)。

表4 (配ZJ－2型)電離真空計(jì)電參數(shù)校數(shù)據(jù)

查ZJ－2規(guī)的使用說(shuō)明書可知該型號(hào)真空計(jì)發(fā)射電流、加速極對(duì)陰極中心點(diǎn)電位、陰極中心點(diǎn)對(duì)地電位的各項(xiàng)標(biāo)稱值。由于真空規(guī)管的出廠靈敏度系數(shù)為0.15 Pa－1，在標(biāo)準(zhǔn)電流源上各檔位的標(biāo)準(zhǔn)電阻值是已知的，通過(guò)公式可算出，在(100－10－4)檔時(shí)的離子流放大器滿刻度時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓值為75 V。示值誤差，(式中δ為示值誤差;I為電參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量的各項(xiàng)電參值;I為該型電離真空被檢標(biāo)準(zhǔn)計(jì)各項(xiàng)電參數(shù)的標(biāo)稱值)，進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算，可知計(jì)算后的誤差都在《電離真空計(jì)校準(zhǔn)規(guī)范》規(guī)定的允差之內(nèi)。

通過(guò)對(duì)各單位使用熱陰極電離真空計(jì)狀況的了解，選取他們最常用的測(cè)量范圍，將四支不同型號(hào)熱陰極電離真空計(jì)的離子流放大器滿刻度在10－3Pa和10－4Pa檔位，分別重復(fù)測(cè)量8次，其實(shí)驗(yàn)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)如表5、表6所示:

表5 各型號(hào)熱陰極電離真空計(jì)離子流放大器滿刻度校準(zhǔn)數(shù)據(jù)(在10－3Pa檔位時(shí))

表6 各型號(hào)熱陰極電離真空計(jì)離子流放大器滿刻度校準(zhǔn)數(shù)據(jù)(在10－4Pa檔位時(shí))

經(jīng)過(guò)對(duì)離子流放大器滿刻度示值在10－3Pa和10－4Pa檔位的多次測(cè)量，可以得出四支不同型號(hào)熱陰極電離真空計(jì)在各檔位測(cè)量值的重復(fù)性是比較好的，由多次實(shí)驗(yàn)引起的偏差是比較小的，準(zhǔn)確度是較高的，是完全可以應(yīng)用的。

6 結(jié)論

根據(jù)以上所做的實(shí)驗(yàn)研究證明，運(yùn)用真空比對(duì)標(biāo)準(zhǔn)裝置及電參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)目前常用的各種熱陰極電離真空計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)，通過(guò)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的分析可知其各項(xiàng)電路電參數(shù)值均能滿足《電離真空計(jì)校準(zhǔn)規(guī)范》電參數(shù)指標(biāo)的技術(shù)要求。由此可見(jiàn)運(yùn)用該套系統(tǒng)對(duì)熱陰極電離真空計(jì)進(jìn)行電參數(shù)的校準(zhǔn)是可行的，是完全符合目前校準(zhǔn)規(guī)范的要求。

［1］JJF 1062－1999，《電離真空計(jì)校準(zhǔn)規(guī)范》［S］.北京:中國(guó)計(jì)量出版社，1999.

［2］李正海，熱陰極電離規(guī)測(cè)量和使用中應(yīng)注意的問(wèn)題，真空與低溫1996，P109.

［3］洪寶林.力學(xué)計(jì)量［M］.北京:原子能出版社，2002.6，526～528.