Page 59 - 《真空与低温》2025年第3期

330 真空与低温 第 31 卷 第 3 期

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长度和气体温度的影响 。Smetana 等 通过改变 分子传导换热可忽略；灯丝热辐射仅被结构不对称
法兰筒壁面温度来研究温度变化对电离真空计灵 的气体分子吸收，且热辐射对稀薄气体温度上升贡
敏 度 的 影 响， 发 现 灵 敏 度 随 温 度 升 高 而 减 小 。 献极小，可忽略。简化模型如图 2（a）所示，转化为
Jousten 等 提出了热阴极电离真空计在不同室温 STL 格式导入 Molflow 软件得到图 2（b）。
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下工作的灵敏度修正公式，把在不同室温下测量的
3
=1×10 Pa·m ·s −1
−9
灵敏度归一化为共同温度，进而修正了不同室温下 Q in
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的压力读数。Abbott 等 提出微小的温度变化也
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会造成电离计读数的较大变化。Moraw 等 在实
波纹管
验过程中发现灵敏度关于温度的拟合小于经验公
XHV 校准室 p 1
式。更多实验发现电离真空计高温阴极导致的温
度效应也对压力的测量产生影响 [6-7] 。 T 1 =293.15 K
HIG
可见，温度效应主要体现在两个方面，一是出 小腔室 p 2
T 2
气效应：高温阴极本身的热出气、高温阴极的热辐
射引起附近电极和器壁的出气；二是热流逸效应： T wall =293.15~393.15 K C out =0.1 m ·s −1
3
两个温度不相同的真空容器，当两容器间的气体达
到平衡时，它们的压力和分子数密度均不相同，进 图 1 温度修正实验的仿真模型二维图
而导致热阴极电离真空计的测量区域（阴极附近的 Fig. 1 Two-dimensional diagram of the simulation model for
电离空间区域）的压力与待测区域（整个真空腔室） the temperature correction experiment
产生差异，造成测量的误差。在考虑测量区域与待
测区域的温差后，必须对两个区域的一些参数加以
区分，比如分子数密度、温度和压力。
通过传统的实验测温方式难以测量热阴极电
离真空计附近的气体温度，且热电偶等温度传感器
在真空下应用存在溯源性问题 ，故本文提出利用
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仿真和控温实验对温度效应进行定量分析，修正压 （a）三维模型 （b）仿真模型
力测量过程中温度效应带来的误差。 图 2 温度修正实验模型示意图

1 仿真方法和分析 Fig. 2 Schematic diagram of temperature correction experi-

mental model
1.1 三维模型和仿真参数设定
Molflow 是一款用于计算任意形状腔体的分 根据图 1 实际运行工况设置气源分布和气量
子流动状态的软件。它通过跟踪气体分子在真空 大小。固定流量法气体微流量计提供的气体分流
腔室内的运动轨迹并不断迭代，计算出待测区域的 引入到校准室，使得校准室的压力校准范围达到
−11
−7
物理状态分布情况 。 10 ~10 Pa，故在仿真中进气小孔的流量范围设置
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3
−1
三维模型是基于超高/极高真空（UHV/XHV） 在此区间。设置限流孔的流导为 0.1 m ·s ，各面的
−2
−1
−11
3
校准装置 [10] 中的 XHV 校准腔室和专门设计的测 温度为 293.15 K，出气率为 1×10 Pa·m ·s ·cm 。
温装置建成。测温装置由三部分组成：波纹管、搭 小腔室的壁面温度和出气率随着工况不同可根据
载热阴极电离真空计的小腔室、连接 XHV 校准室 实际调整。
的管道。将其按实际设计尺寸建模，二维模型 基本参数设置完成后，通过调整壁面温度和出
如图 1 所示。XHV 校准腔室为直径 0.25 m、长度 气率模拟热阴极电离真空计温度效应的影响。在
0.25 m 的柱形容器，上方为直径 0.01 m 的进气小孔， 非等温系统中，气体分子碰撞平面后反射遵循余弦
流量可通过气体微流量计调整；下方通过直径为 定理，且会进行能量交换。启动热阴极电离真空计
0.033 m 的限流孔与 XHV 抽气室相连，限流孔对分 后，灯丝和栅网通过高温热辐射引起器壁温度上升，
子流态下的氮气的流导为 0.1 m ·s 。模型简化假 气体分子碰撞器壁后交换能量获得新的速度 v new，
−1
3
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设有：高温灯丝与栅网表面积远小于壁面，与气体 表示为 ：