劉珈彤，馮焱，趙瀾，李莉，馬奔，劉賜賢

(蘭州空間技術(shù)物理研究所，甘肅 蘭州730000)

0 引言

冷陰極電離真空計(jì)是目前應(yīng)用最廣泛的真空計(jì)之一，具有靈敏度高、沒(méi)有熱陰極、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、操作簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電子、半導(dǎo)體、集成電路、冶金、食品、醫(yī)藥、運(yùn)輸、焊接、鑄造、鍍膜、檢測(cè)、激光、熱處理、電子束、離子束、微機(jī)電、可控?zé)岷朔磻?yīng)及航空航天領(lǐng)域的超高真空系統(tǒng)中。為了提高測(cè)量準(zhǔn)確性，必須對(duì)冷陰極電離真空計(jì)進(jìn)行定期校準(zhǔn)，并給出全量程校準(zhǔn)結(jié)果的測(cè)量不確定度。

1 冷陰極電離真空計(jì)結(jié)構(gòu)及工作原理

冷陰極電離真空計(jì)是利用低壓氣體分子的電離作用與壓力有關(guān)的特性而制成，它的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，由陽(yáng)極、陰極、磁鋼和絕緣子組成。

圖1 冷陰極電離規(guī)的結(jié)構(gòu)

冷陰極電離真空計(jì)的工作原理是:當(dāng)工作電壓加到電極上后，由于受到宇宙射線或其他荷能粒子的隨機(jī)觸發(fā)，在氣體中產(chǎn)生電離而形成了初始電子，這個(gè)初始電子在交叉電磁場(chǎng)的聯(lián)合作用下，沿著一個(gè)或多個(gè)擺線型路徑運(yùn)動(dòng)，在向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，獲得足夠高能量的電子與氣體分子碰撞再引起電離產(chǎn)生次級(jí)電子，最后電流受空間電荷限制達(dá)到與壓力相對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定值。冷陰極電離真空計(jì)中的電流和平均電子能量由規(guī)管結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)決定，使用者無(wú)法控制。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，冷陰極電離真空計(jì)中的電流I 與壓力p 是非線性關(guān)系，但在一定的壓力范圍內(nèi)放電電流與壓力的關(guān)系遵循式(1)的冪次方關(guān)系。

式中:I 為放電電流;K 為規(guī)管常數(shù);p 為壓力;n 為指數(shù)，一般在1 ～2 之間，它是與規(guī)管結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)［1］。

目前，還沒(méi)有實(shí)驗(yàn)證明可以克服冷陰極電離真空計(jì)中電流和電壓的非線性問(wèn)題。因此，冷陰極電離真空計(jì)校準(zhǔn)與常規(guī)線性校準(zhǔn)不同，需要在測(cè)量范圍內(nèi)對(duì)其校準(zhǔn)方法中的非線性問(wèn)題進(jìn)行研究，采取相應(yīng)修正措施，以保證校準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2 冷陰極電離真空計(jì)的校準(zhǔn)裝置及校準(zhǔn)步驟

冷陰極電離真空計(jì)采用超高真空校準(zhǔn)裝置進(jìn)行校準(zhǔn)［4］，其原理如圖2 所示。測(cè)試步驟為:首先采用動(dòng)態(tài)直接測(cè)量法及衰減壓力法記錄冷陰極電離真空計(jì)與主標(biāo)準(zhǔn)器的數(shù)值，最后對(duì)記錄的數(shù)值進(jìn)行線性或非線性方法處理。裝置校準(zhǔn)范圍10－6～10－1Pa ，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為1.3% 。

圖2 超高真空校準(zhǔn)裝置工作原理圖

2.1 動(dòng)態(tài)直接測(cè)量法

動(dòng)態(tài)直接測(cè)量法［2］測(cè)量范圍為10－1～10－4Pa，可用參考標(biāo)準(zhǔn)規(guī)直接測(cè)量。校準(zhǔn)時(shí)，調(diào)節(jié)可變漏閥或穩(wěn)壓室中的壓力，校準(zhǔn)室參考標(biāo)準(zhǔn)規(guī)測(cè)得的壓力值即為校準(zhǔn)壓力。

2.2 衰減壓力法

衰減壓力法測(cè)量范圍為10－4～10－6Pa。校準(zhǔn)時(shí)，用上游室所接的磁懸浮轉(zhuǎn)子規(guī)19 測(cè)量。在上游的磁懸浮轉(zhuǎn)子規(guī)和校準(zhǔn)室之間有可烘烤的金屬限流小孔12 和17。當(dāng)上游氣體通過(guò)限流小孔進(jìn)入校準(zhǔn)室時(shí)，上游室中壓力為p1，限流小孔17 的分子流流導(dǎo)為C1;限流小孔12 的分子流流導(dǎo)為C2，當(dāng)氣體達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡后，校準(zhǔn)室中的壓力p2為式(2)

小孔上游的壓力p1和校準(zhǔn)室中的壓力p2之比約為103，在校準(zhǔn)室壓力為10－3Pa 量級(jí)時(shí)，可由上游的磁懸浮轉(zhuǎn)子規(guī)和校準(zhǔn)室磁懸浮轉(zhuǎn)子規(guī)的讀數(shù)之比來(lái)確定流導(dǎo)精確值。由于校準(zhǔn)室的壓力在達(dá)到10－3Pa 量級(jí)時(shí)，通過(guò)小孔的氣體處于分子流狀態(tài)，因此流導(dǎo)是常數(shù)。這樣就可通過(guò)進(jìn)氣口上游磁懸浮轉(zhuǎn)子規(guī)的讀數(shù)來(lái)計(jì)算校準(zhǔn)室內(nèi)更低的10－4～10－6Pa 范圍內(nèi)的氣體壓力。

3 冷陰極電離真空計(jì)校準(zhǔn)結(jié)果處理

實(shí)驗(yàn)采用的是冷陰極電離真空計(jì)，校準(zhǔn)范圍選用為10－6～10－1Pa，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。通常冷陰極電離真空計(jì)的校準(zhǔn)結(jié)果包含校準(zhǔn)曲線及其測(cè)量不確定度兩部分。表1 為冷陰極電離真空計(jì)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

表1 冷陰極電離真空計(jì)校準(zhǔn)數(shù)據(jù) Pa

實(shí)際使用過(guò)程中，由于冷陰極電離真空計(jì)的原理決定了放電電流與氣壓之間并非簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，必須通過(guò)校準(zhǔn)做出標(biāo)準(zhǔn)壓強(qiáng)與放電電流對(duì)應(yīng)的校準(zhǔn)曲線。校準(zhǔn)方法采用校準(zhǔn)曲線來(lái)表征，按校準(zhǔn)曲線的校準(zhǔn)結(jié)果處理方法對(duì)冷陰極電離真空計(jì)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。冷陰極電離真空計(jì)中的電流I 與壓力p 是非線性關(guān)系，但在一定的壓力范圍內(nèi)放電電流與壓力的關(guān)系遵循式冪次方關(guān)系，因此，我們采用以標(biāo)準(zhǔn)壓力值取自然對(duì)數(shù)為橫坐標(biāo)，冷陰極電離真空計(jì)示值取自然對(duì)數(shù)為縱坐標(biāo)繪制的曲線作為校準(zhǔn)曲線，能有效減少式(1)中指數(shù)n 的影響，得到冷陰極電離真空計(jì)壓力示值校準(zhǔn)曲線如圖3 所示。

圖3 冷陰極電離真空計(jì)壓力示值校準(zhǔn)曲線

對(duì)校準(zhǔn)曲線進(jìn)行線性擬合，得出線性關(guān)系方程

式中:ps為標(biāo)準(zhǔn)壓力，Pa;pr為被校真空計(jì)示值壓力，Pa。

同時(shí)，校準(zhǔn)結(jié)果還應(yīng)包含校準(zhǔn)曲線的不確定度，其評(píng)定方法如下:

校準(zhǔn)曲線上選擇某一測(cè)量點(diǎn)，在該點(diǎn)附近重復(fù)校準(zhǔn)6 次，數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，計(jì)算在該點(diǎn)校準(zhǔn)引入的A 類標(biāo)準(zhǔn)不確定度，用測(cè)量點(diǎn)的示值誤差來(lái)表征。

表2 示值點(diǎn)5.0 ×10－4的示值誤差

示值相對(duì)誤差k 按公式(4)計(jì)算，有

式中:ps為標(biāo)準(zhǔn)壓力，Pa;pr為被校真空計(jì)算出的標(biāo)準(zhǔn)壓力，Pa。

示值相對(duì)誤差平均值及其實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別參考公式(5)和(6)計(jì)算，即

式中:s 為平均修正因子的標(biāo)準(zhǔn)偏差，s=2.45%。

相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度按公式(7)計(jì)算:

相對(duì)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度按公式(8)計(jì)算:

式中:ucr為相對(duì)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度;uBr為校準(zhǔn)裝置的相對(duì)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度［3］。

相對(duì)擴(kuò)展不確定度按公式(9)計(jì)算:

式中:Ur為相對(duì)擴(kuò)展不確定度;kp為包含因子。

根據(jù)式(4)，(5)，(6)，(7)，(8)，分別計(jì)算出了壓力示值相對(duì)誤差的平均值為4.96%，其標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.45%，標(biāo)準(zhǔn)不確定度為1% ，相對(duì)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為1.9%。通過(guò)式(9)計(jì)算，其相對(duì)擴(kuò)展不確定度為3.8% (kp=2)。

因此，用戶在實(shí)際使用冷陰極電離真空計(jì)時(shí)，可以通過(guò)查校準(zhǔn)曲線修正測(cè)量值，利用線性擬合方程快速計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)值和偏差，對(duì)校準(zhǔn)曲線采用取自然對(duì)數(shù)方法進(jìn)行擬合，能有效提高測(cè)量的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

1)對(duì)冷陰極電離真空計(jì)的校準(zhǔn)，由于真空計(jì)自身原理特性決定了采用校準(zhǔn)曲線方法對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果處理，測(cè)量值的不確定度較小，用戶可以通過(guò)擬合曲線方程較準(zhǔn)確的修正測(cè)量值。

2)采用自然對(duì)數(shù)擬合測(cè)量值和標(biāo)準(zhǔn)值，減小了真空放電中電流和電壓的非線性關(guān)系對(duì)測(cè)量造成的影響，減小了校準(zhǔn)不確定度，保證了真空測(cè)量的可靠性。

［1］國(guó)防科工委科技與質(zhì)量司. 計(jì)量技術(shù)基礎(chǔ)［M］. 北京:原子能出版社，2002.

［2］李正海，李得天，劉強(qiáng). 復(fù)合式真空標(biāo)準(zhǔn)裝置的性能研究［J］. 真空與低溫，1993，12 (3):128 －132.

［3］呂時(shí)良. 測(cè)量不確定度的評(píng)定和表示方法［J］. 真空與低溫，1995，14 (2):109 －116.

［4］李莉，趙光平，趙瀾，等. 放射性電離真空計(jì)的校準(zhǔn)方法［J］. 真空與低溫，2010，29 (3):174 －176.