材料放氣率測試技術(shù)的發(fā)展時期

2011-02-22 張滌新 蘭州物理研究所

  1995 年德國葛利克大學物理實驗研究所采用對稱的結(jié)構(gòu)測量材料放氣率,兩個測量室共用一組抽氣系統(tǒng),兩個測量室壓力之差乘以小孔的流導即為材料的放氣率,如圖4 所示。兩個測量室有相同的形狀和大小,通過直徑5 mm 的管道與抽氣系統(tǒng)連接。一個測量室放置試樣,另一個測量室用于本底的測量(器壁表面的吸放氣、真空規(guī)的抽氣等),由于左右容器、流導和質(zhì)譜計存在差別,這種差別在空載時測定,將用于放氣率測量值的修正。樣品通過磁力傳動機構(gòu)把試樣放置在測量室內(nèi),可避免測量室暴露于大氣。測量室內(nèi)有加熱系統(tǒng),能控制樣品的加熱溫度,測量樣品在特定溫度下的放氣率。質(zhì)譜計取代熱陰極離子規(guī),測量單一氣體的壓力,并計算單一氣體的放氣率。該測量裝置的極限真空優(yōu)于10-8 Pa,烘烤溫度能達到200℃,測量范圍是2×10-9 Pa·L/(s·cm2)~1×10-14 Pa·L/(s·cm2)。

放氣率測量裝置示意圖

  1.離子泵;  2.鈦升華泵; 3.機械泵組;  4.超高真空閥門; 5.分子泵; 6. 磁傳動機構(gòu); 7. 全金屬閥門; 8.B- A 規(guī); 9. 質(zhì)譜計; 10. 質(zhì)譜及控制單元; 11.觀察窗;  12.測量室; 13.電加熱測量與控制; 14.小孔; 15.皮拉尼規(guī); 16.90℃轉(zhuǎn)換超高真空閥; 17.可調(diào)閥

圖4 放氣率測量裝置示意圖

  1995 年日本筑波頂級材料研究院采用一種改進的雙真空規(guī)流導法(Twin- gauge throughputTGT)測量材料的放氣率,如圖5 所示。測量裝置選用冷凝泵和雙分子泵組作為抽氣系統(tǒng),極限真空能達到10- 10 Pa;選用水冷套主動控溫方式,保持測試室內(nèi)的溫度恒溫;選用流導為8 L/s(20℃,氮氣)的小孔。真空測量系統(tǒng)由兩個電離真空規(guī)(LEYBOLD,IE514)和質(zhì)譜計(ULVAC ,MSQ- 200S)組成,分離規(guī)G1 和G2 用磁懸浮規(guī)校準,一致性好于99.5%,其中一個規(guī)是主規(guī)另外一個是輔助規(guī)。通過四個閥門的組合,測量出真空規(guī)的放氣率,從而延伸了測量下限。

TGT 方法測量材料放氣率裝置示意圖

圖5 TGT 方法測量材料放氣率裝置示意圖

  1996 年日本的筑波材料協(xié)會采用轉(zhuǎn)換氣體路徑的方法(switching between two pumping paths)測量低放氣率材料。通過不同的進氣路徑測量測試室本底[6],如圖6 所示。測量裝置采用304 L不銹鋼制作,極限真空能達到10- 8 Pa,烘烤溫度能達到450℃,選用流導為6.1 L/s 的小孔,測量下限能達到1×10-12 Pa·L/(s·cm2)。上游室安裝一個B- A 規(guī)(G1)和一個四極質(zhì)譜計;下游室安裝一個B- A 規(guī)(G2)。經(jīng)過長時間的烘烤和抽氣后,打開Vu 并且關(guān)閉Vd,測量總的放氣量QZ;關(guān)閉Vu 并且打開Vd 時,測量測試室的放氣量Qb。QZ和Qb 相減即為試樣和試樣室內(nèi)的放氣量。試樣室內(nèi)的放氣量在不放置試樣時測量。這種方法可以根據(jù)不同的進氣方式,測量測試室和真空規(guī)帶來的影響;如果從下游室進氣時,返流對測量結(jié)果影響較大。

SPP 方法測量放氣率裝置示意圖

圖6 SPP 方法測量放氣率裝置示意圖

  2006 年日本山口大學科學與工程研究院采用轉(zhuǎn)換氣體路徑的方法測量低放氣率的材料。測量系統(tǒng)采用試樣室和對稱的測試室組成,并利用SPP(switching between two pumping paths)方法測量材料放氣率,如圖7 所示。測量裝置選用低溫泵和雙分子泵串聯(lián)的抽氣系統(tǒng),極限真空為10- 9 Pa;選用對稱的測試結(jié)構(gòu),能實時測量出真空規(guī)和測試室產(chǎn)生本底,測量范圍為(1×10-7Pa·L/s·cm2~1×10 - 10 Pa·L/s·cm 2)。測試室和超高真空室之間選用流導為6.1×10- 3 m3/s 的小孔。系統(tǒng)經(jīng)過長時間的烘烤和抽氣后,打開Vu 并且關(guān)閉Vd,測量總的放氣量Qz;關(guān)閉Vu 并且打開Vd 時,測量測試室的放氣量QB。Qz和QB 相減即為試樣和試樣室內(nèi)的放氣量。試樣室內(nèi)的放氣量在不放置試樣時測量。采用同一個分離規(guī)前后兩次測量測試室的壓力,其測量結(jié)果均包括了分離規(guī)本身吸放氣的影響,如果兩次測量的吸放氣量一致時,則兩次測量結(jié)果相減,就可以消除分離規(guī)吸放氣的影響。

SPP 方法測量材料放氣率的裝置示意圖

圖7 SPP 方法測量材料放氣率的裝置示意圖

  在這一時期,測量裝置主要采用不銹鋼材料,并經(jīng)過特殊的處理,降低測量室內(nèi)的本底,同時,提高真空儀器的測量精度,延伸測量下限,為減小材料放氣率的測量不確定度奠定了基礎。