中國真空計量發(fā)展概述
回顧了近50 多年來中國真空計量的發(fā)展歷史。內(nèi)容包括真空(全壓力) 測量與校準、分壓力測量與校準、氣體微流量測量與校準,從中可對中國真空計量的歷史淵源和現(xiàn)狀有一個完整的了解。
1、引言
在中國,早在春秋末年,即公元前480～420年,墨子就提出了“間虛”的觀點。后來到漢朝,王允約在公元27～99 年,進一步提出了“虛空”的概念。到了唐朝,大詩人劉禹錫在公元772～842 年對虛空概念作了進一步闡述。他曾說:“空者,形之微也,”這是最早有記載的樸素而科學的真空概念。在公元281～361 年間,東晉的葛洪就在《肘后備急方》中記載了從戰(zhàn)國時期就采用的“拔火罐”醫(yī)療方式,這是利用氣體熱脹冷縮的原理來產(chǎn)生真空并應用于醫(yī)療的例子。因此,中國在真空認識和應用方面都是最早的。然而近100 多年來,由于遭受侵略和長期戰(zhàn)爭等原因,中國在真空技術(shù)方面發(fā)展緩慢,從而形成落后的態(tài)勢。盡管這樣,一些定居海外的中國人仍然在真空技術(shù)方面做出了重要貢獻,例如何增祿在1932年提出了著名的何氏系數(shù)(抽速因子) [1] 。20 世紀50 年代初,壓縮式真空規(guī)在許多大學、科研單位和計量部門被應用。電離規(guī)和其他一些真空規(guī)也在20 世紀50 年代被研制和生產(chǎn)。例如,清華大學曾研究和生產(chǎn)的B2A 型電離規(guī),其中一種可測量低至10 -12 Pa 的最低壓力[2] ;復旦大學的可通電除氣的B-A 規(guī)[3 ]和簡式冷規(guī)[4 ]分別獲得1963 年國家科委四新獎兩項,當時對真空工作者和規(guī)管生產(chǎn)單位(南京電子管廠) 是很大的鼓勵。經(jīng)過多年的努力,中國的真空計量已有了長足發(fā)展。作者主要回顧了近50 年來中國真空計量的發(fā)展歷史,內(nèi)容包括真空(全壓力) 測量與校準、分壓力測量與校準、氣體微流量測量與校準。同時,隨著真空技術(shù)應用領域的不斷擴大,對真空計量儀器的需求量也在逐年增加。
2、真空測量與校準
2.1、中國真空(全壓力) 測量的起步階段
20 世紀50 年代至60 年代,國際上研制出多種真空測量規(guī),并且真空測量研究正處于一個活躍時期,這為中國真空測量的快速發(fā)展提供了可供借鑒的成熟經(jīng)驗。在1957 年,中國就已經(jīng)有了完全自制的壓縮式真空規(guī)、熱陰極電離規(guī)、超高真空B-A 規(guī)、皮喇尼規(guī)和冷陰極電離規(guī)等多種真空測量工具[5] ,研究者不僅從理論方面,而且從實踐方面對這些真空規(guī)進行了深入研究。
文獻[6]的作者對普通三極管型熱陰極電離規(guī)的理論作了詳細研究,分析和計算了熱陰極電離規(guī)的各種設計參數(shù),討論了熱陰極電離規(guī)的非線性問題,首先提出了拓寬熱規(guī)的高壓測量上限需要降低靈敏度的理論依據(jù)。文獻[7]對熱陰極電離規(guī)的性能進行了大量實驗研究,為熱陰極電離規(guī)在中國的商業(yè)化奠定了基礎。這種真空規(guī)的測量范圍在10 - 1～10 - 5 Pa 。
1966 年,蘭州物理研究所還研制成功了具有中國獨特風格的熱陰極中真空電離規(guī)。規(guī)管的電極采用平板正交軸對稱結(jié)構(gòu),電子加速極由一對平行相連的寬極板組成,離子收集極由一對平行相連的狹極板組成。2組極板在空間是互相垂直和軸對稱的,其軸線上有一直熱式敷氧化釔銥陰極。該中真空電離規(guī)測量范圍為10 - 4～50 Pa ,規(guī)管系數(shù)零散性小于10 %。
文獻[8.0]的作者對B-A 型電離規(guī)的理論和電特性進行了研究,分析了B-A規(guī)在超高真空下的非線性和抽氣特性,使真空測量的下限延伸到10 -9 Pa 量級。X 射線效應引起的殘余電流是限制B-A 規(guī)測量下限的一個重要因素,華中一在1964 年提出了一種消除X 射線效應的超高真空電離規(guī)[11 ] 。在這種新結(jié)構(gòu)真空規(guī)中,陰極和收集極位于柵極的兩端,收集極外有一個屏蔽極,可將來自柵極的X 射線完全屏蔽,在理論上沒有X射線效應的限制。這種規(guī)稱為軸向式熱陰極電離規(guī),后來有許多改進和發(fā)展。
壓縮式真空規(guī)是20世紀60 年代中國真空測量研究的一個熱點,許多研究者都做了報道。第一套(三只) 國家標準的壓縮式真空規(guī)在1962 年由國家科委計量局、上海計量局、復旦大學、上海玻璃廠合作制成[13 ] ,并通過國家鑒定。李旺奎在1964 年研制的壓縮式真空規(guī)[14] ,發(fā)現(xiàn)摩擦阻力是毛細管中水銀不規(guī)則運動的主要原因。因此,在毛細管內(nèi)表面涂一層3μm 油層(DC2704) ,徹底消除了毛細管中水銀運動的異常現(xiàn)象,并采用雙磨口閥門結(jié)構(gòu),徹底消除了水銀蒸氣流效應,能在1～10 - 3 Pa 范圍進行絕對真空測量和對其他相對真空規(guī)進行校準。中國國家計量院也對原始的壓縮式真空規(guī)進行了改進,防止了水銀蒸氣流效應。
文獻[17 ]的作者對皮喇尼規(guī)的理論作了詳細研究,并對皮喇尼規(guī)的性能進行了大量實驗研究,為皮喇尼規(guī)在中國的商業(yè)化奠定了基礎。當時該規(guī)的測量范圍可達103～10 - 1 Pa 。
20世紀60 年代對冷陰極電離規(guī)也做了大量研究 ,包括潘寧規(guī)、磁控規(guī)和反磁控規(guī),還提出了一些新結(jié)構(gòu)冷陰極電離規(guī),如無磁場冷陰極電離規(guī)[22 ] 、正反磁控規(guī)[21] ,但這些冷陰極電離規(guī)只能覆蓋的測量范圍為102～10 - 6 Pa 。
2.2、20 世紀70 年代以來真空測量的發(fā)展
20 世紀70 年代,中國真空測量有了更大發(fā)展,真空測量工具的種類越來越多,商業(yè)化水平也越來越高。1971 年,北京真空儀表廠研制出一種熱陰極電離規(guī)[25 ] ,該規(guī)采用敷氧化釔的銥陰極擴展上限,并采用新型電極結(jié)構(gòu),通過電參數(shù)和電極轉(zhuǎn)換,實現(xiàn)一只規(guī)管測量10～10 - 7 Pa 的壓力。此后,在擴展熱陰極電離規(guī)測量上下限方面做了大量研究工作,如1974 年清華大學研制的測量范圍為102～10 - 3 Pa 的高壓力電離規(guī)[26] ;1975 年,北京大學研制的測量范圍為102～10 - 4 Pa 的高壓力電離規(guī)[27 ] ;1975 年,陳建中研制的測量范圍為10～10
