抽速是決定低溫泵抽氣性能的關(guān)鍵參數(shù),高質(zhì)量的抽速測(cè)試結(jié)果可有效指導(dǎo)低溫泵的工程設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)運(yùn)行。介紹了低溫泵抽氣性能測(cè)試平臺(tái)的組成和抽速測(cè)量的基本原理,分析了壓力和充氣量的不確定度分量來(lái)源,研究了各不確定度分量的估計(jì)與合成,確定了低溫泵的抽速測(cè)量不確定度,給出了抽速測(cè)量結(jié)果的完整表述,探討了降低抽速測(cè)量不確定度、提高測(cè)量結(jié)果質(zhì)量所采取的措施。研究結(jié)果對(duì)合理配置低溫泵抽氣性能測(cè)試平臺(tái)、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案、提高抽速測(cè)量結(jié)果可靠性有指導(dǎo)意義。

1、引言

　　低溫泵的抽速是衡量低溫泵抽氣性能的重要指標(biāo),利用專門設(shè)計(jì)的低溫泵抽氣性能測(cè)試平臺(tái),研究低溫抽氣面溫度、單位時(shí)間進(jìn)氣量、氣體種類等因素對(duì)低溫泵抽速的影響,為低溫泵的設(shè)計(jì)與運(yùn)行提供理論指導(dǎo),具有非常重要的意義。而由測(cè)量不確定度原理和測(cè)量不確定度表示指南可知,測(cè)量不確定度既是表征測(cè)量質(zhì)量的重要標(biāo)志,也是判定測(cè)試水平高低、測(cè)試設(shè)備質(zhì)量的一個(gè)重要依據(jù),它表征合理賦予被測(cè)量之值的分散性,是與測(cè)量結(jié)果相關(guān)聯(lián)的參數(shù),在測(cè)量結(jié)果的完整表述中,應(yīng)包括測(cè)量不確定度^{[1, 2]} 。為了合理配置低溫泵抽氣性能測(cè)試平臺(tái)以提高抽速測(cè)量結(jié)果的可靠性,須研究其抽速測(cè)量不確定度。

2、低溫泵抽氣性能測(cè)試平臺(tái)的基本組成與抽速測(cè)量原理

　　所研制的低溫泵抽氣性能測(cè)試平臺(tái)示意圖如圖1所示,它主要由專門設(shè)計(jì)的低溫泵、測(cè)試罩、氦排氣壓力控制系統(tǒng)、真空測(cè)量?jī)x表、充氣系統(tǒng)及輔助抽氣系統(tǒng)等部分組成。

圖1　低溫泵抽氣性能測(cè)試平臺(tái)示意圖

　　有關(guān)低溫泵抽氣性能測(cè)試平臺(tái)的研制詳情可參閱文獻(xiàn)^[3] ,此處只簡(jiǎn)單介紹其各主要組成部分的功能。作為測(cè)試平臺(tái)關(guān)鍵部件的低溫泵,它以液氦(LHe)杜瓦底面作為低溫抽氣面,該泵的主要功能是以其低溫抽氣面的工作狀態(tài)模擬大型低溫泵低溫抽氣面的運(yùn)行狀態(tài),通過(guò)性能測(cè)試研究獲得該狀態(tài)下低溫抽氣面的抽氣性能,為大型低溫泵的設(shè)計(jì)與運(yùn)行提供理論指導(dǎo);抽速測(cè)試罩的主要功能是提供符合抽速測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的氣體流動(dòng)條件,使測(cè)試抽速盡可能與泵的實(shí)際抽速吻合,本測(cè)試平臺(tái)的抽速測(cè)試罩為單規(guī)測(cè)試罩,結(jié)構(gòu)尺寸按照美國(guó)真空協(xié)會(huì)推薦的低溫泵抽速測(cè)試罩制作標(biāo)準(zhǔn)^[4]設(shè)計(jì)制作,根據(jù)文獻(xiàn)^[5] ,采用單規(guī)法獲得的抽速測(cè)量結(jié)果更接近低溫泵本身的真實(shí)抽速;氦排氣壓力控制系統(tǒng)的主要功能是通過(guò)控制氦氣排氣壓力達(dá)到控制液氦杜瓦內(nèi)的液氦的飽和溫度的目的,以實(shí)現(xiàn)對(duì)低溫抽氣面溫度的控制,為開(kāi)展不同低溫抽氣面溫度條件下的低溫抽氣性能測(cè)試研究服務(wù);真空壓力測(cè)量?jī)x表的主要功能是監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中測(cè)試罩特定點(diǎn)壓力的變化,為后續(xù)的抽速計(jì)算提供數(shù)據(jù);充氣系統(tǒng)的主要功能是按照設(shè)定的進(jìn)氣量通過(guò)測(cè)試罩上的充氣口向測(cè)試系統(tǒng)充入測(cè)試氣體;輔助抽氣系統(tǒng)為低溫泵的啟動(dòng)運(yùn)行提供預(yù)真空,并抽出低溫泵再生期間釋放的氣體。

　　低溫泵的抽速測(cè)量采用流量計(jì)法,其基本測(cè)量原理是利用專門設(shè)計(jì)的測(cè)試罩,通過(guò)分別測(cè)量不進(jìn)氣和一定進(jìn)氣量定量進(jìn)氣條件下測(cè)試罩特定位置處的穩(wěn)態(tài)真空壓力值P0 與P,利用專門的抽速計(jì)算公式來(lái)計(jì)算低溫泵的抽速。考慮到設(shè)計(jì)該低溫泵抽氣性能測(cè)試平臺(tái)的主要目的是研究低溫泵的抽氫能力,為聚變研究中用到的大型LHe低溫冷凝泵的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供依據(jù),而做LHe低溫冷凝泵抽氫性能測(cè)試時(shí)的P比P0 一般至少低1個(gè)量級(jí),根據(jù)文獻(xiàn)^[6] ,為了不失一般性,采用抽速計(jì)算公式:

S =Q / ( P - P0 ) (1)

　　式中, Q為單位時(shí)間充氣量, P為與Q 相對(duì)應(yīng)的、測(cè)試罩特定位置處真空壓力測(cè)量?jī)x所測(cè)得的壓力值, P0 為Q = 0時(shí)真空室內(nèi)的本底壓力。

3、低溫泵抽速測(cè)量的不確定度分析

　　為了提高抽速測(cè)試結(jié)果的可靠性,需要研究影響抽速測(cè)量不確定度的因素。根據(jù)低溫泵的抽速測(cè)量原理表達(dá)式(1) ,實(shí)測(cè)抽速S 通過(guò)測(cè)量真空室內(nèi)的本底壓力P0、在給定的充氣量Q 下的壓力值P并加以計(jì)算得到,故抽速的測(cè)量不確定度取決于P、P0 和Q的測(cè)量不確定度。

3.1、壓力P的測(cè)量不確定度

　　傳統(tǒng)的真空壓力測(cè)量由真空規(guī)和真空計(jì)所組成的測(cè)量系統(tǒng)來(lái)完成,真空計(jì)為真空規(guī)提供符合要求的電力供應(yīng)并對(duì)來(lái)自真空規(guī)的信號(hào)進(jìn)行處理后予以顯示。由于科技的進(jìn)步,現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)真空規(guī)與傳統(tǒng)意義上的真空計(jì)的集成化,這種集成化處理后的真空壓力測(cè)量?jī)x器,抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好。本低溫泵抽氣性能測(cè)試平臺(tái)采用的是某公司生產(chǎn)的BCG 450型全量程壓力測(cè)量?jī)x。此時(shí),壓力P的測(cè)量不確定度由多個(gè)不確定度分量合成,它們分別為全量程壓力測(cè)量?jī)x誤差所引起的不確定度分量、重復(fù)性所引起的不確定度分量、測(cè)量?jī)x穩(wěn)定性所引起的不確定度分量。

3.1.1、壓力測(cè)量?jī)x誤差引起的不確定度分量

　　在正常的低溫泵抽氣性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)中,壓力測(cè)量?jī)x工作在10^{- 2} Pa 以下,根據(jù)廠家提供的資料,在此壓力范圍內(nèi)儀器精度為讀數(shù)的15% ,則由全量程壓力測(cè)量?jī)x誤差所引起的不確定度分量可表示為:

　　式中, p為n 次重復(fù)測(cè)量的平均值, kp 為包含因子。壓力測(cè)量?jī)x的示值誤差服從均勻分布,取包含因子k_p = 根號(hào)3 ,此時(shí)式(2)可表示為:

3.1.2、測(cè)量重復(fù)性引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

　　由于壓力測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性所引起的A 類不確定度分量s1P要根據(jù)實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)得到。假設(shè)實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)應(yīng)于給定充氣量Q的壓力P的測(cè)量次數(shù)為n,單次測(cè)量結(jié)果為pi ( i = 1, 2 ⋯n) ,則根據(jù)貝塞爾公式,測(cè)量結(jié)果p- 的標(biāo)準(zhǔn)差σ_1P為:

　　式中, p為n次重復(fù)測(cè)量的平均值, pi 為第i次測(cè)量的壓力值。s_1p =σ_1p ,自由度為n - 1。

3.1.3、壓力測(cè)量?jī)x的穩(wěn)定性引起的不確定度分量

　　穩(wěn)定性通常指測(cè)量系統(tǒng)保持其計(jì)量特性隨時(shí)間恒定的能力。通常是通過(guò)對(duì)某一被測(cè)量在一段時(shí)間(遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)實(shí)際測(cè)量時(shí)所需的時(shí)間)內(nèi)測(cè)得值的變化來(lái)反映穩(wěn)定性的影響。根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀察,所選壓力測(cè)量?jī)x的穩(wěn)定性好,由穩(wěn)定性引起的不確定度分量對(duì)總體不確定度的貢獻(xiàn)可忽略,故不予考慮。