不同气体和压力对真空漏孔漏率的影响

针对目前大多数标准漏孔的漏率都是在He 和入口压力为100 kPa 下的漏率，采用定容变压法校准了铭牌漏率为2.3 × 10^-6 Pa·m³/s 的标准真空漏孔在使用H₂、He、D₂三种气体时，在不同入口压力下的漏率。预先对系统进行了加热除气后计算了系统本底漏率大小，并探讨了本底漏率对校准漏孔漏率的影响。结合粘滞流-分子流理论研究了不同气体和漏孔入口压力对漏孔漏率的影响。

　　近年来，真空漏孔越来越多地应用于航空航天、电子工业、电力工业及制冷工业等领域。真空漏孔是向真空端（出口压力小于1000 Pa）提供稳定气体流量的装置，目前，国内外很多计量实验室和研究机构都建立了相应的校准装置，常用的漏率校准方法有定容法、恒压法、质谱比较法、固定流导法、分流法等等。其中定容变压法适于校准漏率较大的漏孔，设备与操作简单，对漏孔校准精度较高。

　　目前大多数标准真空漏孔的漏率都是采用He 在漏孔入口压力为1 kPa 下标定的，而实际工作中常需要校准真空漏孔在非He 和漏孔压力大于一个大气压下的漏率。气体和压强都会对漏孔的漏率产生一定的影响，因此，为了获得更为的漏孔漏率，有必要研究气体和压力对真空漏孔漏率的影响。本文通过改变漏孔入口端气体种类和压力，对同一真空漏孔进行了漏率标定，并初步研究了气体种类和压力对漏孔漏率的影响。

1、漏率校准机理

　　根据定义，漏率Q 就是气体量pV 对时间t 的全微分，即

　这就是定容法，即将真空漏孔流出的气体引入到一封闭系统中，在系统温度、体积恒定不变的情况下，通过测量单位时间内系统压力的变化速率dp/dt，从而得到漏孔漏率Q 的方法。采用定容法校准漏孔漏率时，温度波动和定容室体积大小等因素对定容法校准系统会产生一定的影响，如真空漏孔的接入会带来系统的容积变化，使测得的系统容积存在误差。因此，认为系统温度需维持在296 K 以避免额外的温度修正，系统容积不能太小，一般要大于2 ×10^-3m³。

　　另外用定容法测漏孔漏率时还需考虑系统自身的漏放气，也就是系统的本底漏率影响。图1 为漏率与时间的关系，其中，线1 代表系统自身漏放气使本底压力随时间变化，使系统本底压力升高的因素包括系统放气、系统管壁渗透和未知泄漏。线2 代表理想的系统压力随时间变化关系，线2 的斜率dpL/dt 与系统容积V 的乘积即为漏孔漏率。线3代表实际实验记录到的压力-时间关系，为线1 与线2 的叠加。

图1 压力随时间变化关系

　　考虑到系统本底漏放气的影响，漏孔漏率可计算为

　　即起始时间相同时，可用相同时间段内的漏率与本底漏率之差表示漏孔的真实漏率。

2、校准装置及校准方法

2.1、校准装置

　　标准漏孔校准装置如图2 所示。该校准装置主要由气源、被校准漏孔、标准容积、定容室、薄膜真空规、复合真空计及抽气系统组成。

图2 定容法标准漏孔校准装置结构原理图

4、结论

　　(1) 在对系统加热除气后降至23℃并在抽真空度至10^-6 Pa 条件下对系统密闭静置。系统自身漏放气引起的本底漏率为1.15 × 10^-8 Pa·m³/s，该系统在此工作条件下校准漏率大于10 ^-6 Pa·m³/s 漏孔时可不考虑本底漏率影响，但当漏孔漏率低于10^-7 Pa·m³/s 时不可忽略系统漏放气造成的影响；

　　(2) 在100 ～ 400 kPa 压差范围内，对漏率为2.3 × 10^-6 Pa·m³/s 的标准真空漏孔漏率校准结果表明，在H2、He、D2三种充入气体下，漏孔漏率都与压力平方呈线性关系，漏孔气体处于粘滞流态；

　　(3) 对相同漏孔入口压强下，充入不同气体的漏孔漏率进行对比后发现，漏孔漏率与气体粘度成反比，相同压力下He 的粘滞系数大，气体流动性差，通过漏孔的漏率小； 而H2粘滞系数小，漏孔漏率大，漏孔气体为粘滞流。