分壓力

由幾種不同的氣體均勻地混合在一起，所組成的氣體混合物叫“混合氣體 ^[1]  ”。空氣就是一種混合氣體。組成混合氣體的每一種成分叫“組分”。

在混合氣體中，各種組分的氣體分子分別佔有相同的體積(即容器的總空間)和具有相同的温度。混合氣體的總壓力是各種分子對器壁產生撞擊的共同作用的結果。每一種組分所產生的壓力叫分壓力 ^[1]  ，它可看作在該温度下各組分分子單獨存在於容器中時所產生的壓力Pn。

實驗證明，混合氣體的總壓力户等於各組分的分壓力Pn之和：（道爾頓定律）

P=P1+P2+……+Pn

混合氣體均為理想氣體的狀態下, 各成分的分壓力之比=對應氣體的物質的量比,即上式可表示為

n=n1+n2+........+nn

需要注意的是，實際氣體並不嚴格遵從道爾頓分壓定律，在高壓情況下尤其如此。當壓力很高時，分子所佔的體積和分子之間的空隙具有可比性；同時，更短的分子間距離使得分子間作用力增強，從而會改變各組分的分壓力。這兩點在道爾頓定律中並沒有體現。

裝置的組成分壓力質譜計校準裝置工作原理 ^[2]  簡圖如圖1所示 , 主要由供氣系統、進樣系統、校準室和抽氣系統等幾部分組成。供氣系統、進樣系統共有相同的三路 , 圖中只畫出了其中一路。

抽氣系統由機械泵 1, 分子泵 4 , 6 , 濺射離子泵 7 等組成。校準室由上球室 14, 下球室 10 ,超高真空冷規 13 和磁懸浮轉子規 15 組成 ; 進樣系統由角閥 16, 小孔 17, 針閥 20, 穩壓室 21 ,磁懸浮轉子規 19 組成 ; 供氣系統由機械26 ,氣瓶 27 , 電磁閥 23, 2 4, 減壓閥 25組成 ^[2]  。

該校準裝置的主要功能是對混合氣體的分壓力進行測量 , 在分壓力準確測量的基礎上對質譜計的靈敏度等參數進行校準。 以下主要介紹分壓 力測量方法和質 譜計靈敏度的校準方法 ^[2]  。

該校準裝置主要採用了兩種方法對分壓力進行測量 , 每種方法適合於一定範圍的分壓力測量。

1) 動態直接測量法

如果 校準的壓 力範圍 處於 10- 1～ 10- 4Pa內 , 可用校準室所接的磁懸浮轉子規 15作為參考標準規直接測量分壓力。 通過調節微調閥或改變穩壓室中的壓力可達到控制校準室中壓力的目的。當使用磁懸浮轉子規測量單一氣體的壓力時 , 壓力 p 表達式為 ^[2] 

式中: K 為與轉子和温度有關的常數 ; e 為某一氣體的切向動量傳遞係數 ; M 為某一氣體的分子量 ; ( - k/ k )為轉子轉速的相對衰減率。 用式( 1)不能直接測量分壓力 , 但經過分析 , 通過適當的轉換 , 可以實現分壓力的測量。對於磁懸浮轉子規 , 式 ( 1 )成立的條件是在分子流狀態下 ,即氣體分子之間無碰撞 , 這樣在混合氣體條件下 , 每種氣體成份與轉子發生碰撞引起的轉子轉速衰減率是相互獨立的。因此 , 在混合氣體條件下 , 可以對每種氣體成分引起的轉子轉速的相對衰減率進行線性迭加 , 只要讓磁懸浮轉子規的測量輸出為 ( - k/ k ) , 就可方便地得到混合氣體中氣體成分的分壓 ^[2]  力 .

2) 衰減壓力的分子流動態進樣法

如果校準壓力在 10- 4～ 1 0- 6Pa範圍內 , 可採用衰減壓力的分子流動態進樣法用上游室上所接的磁懸浮轉子規 1 9測量。即關閉超高真空角閥 16 , 調節微調閥或穩壓室中的壓力 , 使上游室中的壓力處於 10- 4～ 10- 1P a 範圍內 , 利用磁懸浮轉子規 19 的測量值 , 並經過計算得到校準室中的壓力 ^[2]  。

若上游室中的壓力為 p 1 , 限流小孔 17的分子流流導為 C1 , 限流小孔 12 的分子流 流導為C2 , 當氣體達到動態平衡後 , 校準室中的壓力 p2為 ^[2] 

在分子流條件下 , 對 某一種氣體 , C1 和 C2不變。 儘管 C1 和 C2 與氣體的種類有關 , 但流導比 R= C1 / C2 的值與氣體的種類無關。 因此 , 在分子流條件下 , R 為常數 , 只要以任何一種氣體準確測定了 R , 就可以利用式 ( 2 ) 計算校準室中的壓力 ^[2]  。

根據式 ( 2 ) , 在分子流條件下 , 有 R= C1 / C2= p 2 /p 1 。 因此 , 不必分別測定 C1 和 C2 , 只要準確測定 p 2 和 p 1 , 即可確定 R 。在該校準裝置中 ,選擇限流小孔 , 使 R 的值接近 1 0- 3, 這時可利用上游室上的磁懸浮轉子規 19 和校準室上的磁懸浮轉子規 15準確測定 R 。 調節氣體量 , 使上游室中的壓力為 10- 1P a, 則校準室中的壓力為10- 4Pa, 均在磁懸浮轉子規的精確測量範圍內。用 Ar 、 N2 和 He 等氣體實際測定 R , 經過多次反覆測定 , 證明 R 的重複性優於 1 % ^[2]  。

當準確測定 R 值後 , 就可用 R 值和上游室中氣體的壓力計算校準室中的壓力 , 校準室中的壓力比上游室中的壓力衰減了三個數量級 ,因此可用此方法在 10- 4～ 1 0- 7Pa 範圍內測量分壓力。 校準裝置設計有三路相同的獨立進樣系統 , 當同時向校準室引入三種不同氣體時 , 可在校準室中建立起三種氣體混合物的分壓力 ,並進行壓力測量 ^[2]  .