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26 真空与低温 第 32 卷 第 1 期

found to vary between 0.77% and 3.31%，decreasing as pressure increases. This research provides essential calibration data
for the application of SRGs for measuring heavy inert gases，thereby enhancing measurement reliability in advanced techno-
logical processes where precise vacuum control is imperative.
Key words：spinning rotor gauge；inert gases；metrological characteristic；uncertainty analysis

0 引言 数据波动较为接近。迄今为止，采用 SRG 对 Ar、
Kr、Xe 等常见惰性气体，开展实际切向动量传递系
磁悬浮转子真空计（Spinning Rotor Gauge，SRG）
数（σ eff ）的系统性实验测定及偏差分析的相关研究
是一种精密的黏滞型真空计，具有黏滞性的气体分
较为匮乏，也缺乏对不同型号 SRG 测量结果的对
子与转子碰撞之后将对转子的转速造成衰减，通过
比研究。本研究对三种不同型号的磁悬浮转子真
测算转子的转速衰减率即可反演出实际的真空全
空计在三种惰性气体环境下的实际切向动量传递
压力。前期研究表明，SRG 对永久性气体具有优
系数 σ ef 进行了实验校准，对测量结果的不确定度
f
异的计量特性与长期稳定性，测量准确度高、线性
进行系统性评定，以提高 SRG 对上述惰性气体的
好，并且工作时不会对被测环境产生干扰，常用于
测量准确性与可靠性。
真空量值国际比对的传递标准，也作为真空校准的
参考标准 [1-6] 。 1 校准装置及方法
Ar、Kr、Xe 等常见惰性气体被广泛应用于半
1.1 校准装置简介
导体制造及空间环境模拟等场景，需用 SRG 精确
本研究采用静态膨胀法进行实验校准，图 1 为
测量其压力。相较于 N 2 、CO 2 、CH 4 等气体，Ar、Kr、
静态膨胀法 SRG 校准装置结构示意图，主要由抽
Xe 等常见惰性气体具有更高的相对分子质量和黏 气系统、烘烤系统、真空腔室、真空计等四部分
滞系数，这可能导致其与转子之间的切向动量传递 [12]
组成 。
效率发生变化，如表 1 所列。 1.2 容积比测量

本研究采用二级膨胀法测量进气室 V 进 、抽气

表 1 常见中性及惰性气体的黏滞系数与相对分子质量
室 V 抽 、校准室 V 校 之间的容积比。测量开始前，需
（1×10 ～1 Pa，295 K） [7]
−4
要用 Ar 反复冲洗真空系统三次，高温（150℃）烘烤
Tab. 1 Viscosity coefficient and relative molecular masses of
并且连续抽气 48 h 后对三种量程的绝压式电容薄
−4
common neutral and inert gases（1×10 ～1 Pa，295 K） [7]
4
膜真空计调零。随后向进气室 V 进 内充入 1×10 ～
−1
气体 黏滞系数/（Pa·s） 相对分子质量/（kg·mol ）
4
5×10 Pa 的 Ar，记录此时 FS133 kPa 绝压式电容薄
1.765×10 −5 2.801×10 −2
膜真空计 3 读数为 p 7 ；进一步将进气室 V 进 中的 Ar
N 2
1.476×10 −5 4.401×10 −2
CO 2 膨胀至抽气室 V 抽 ，记录此时 FS133 kPa 绝压式电容
1.096×10 −5 1.604×10 −2 薄膜真空计 3 读数为 p 15 ；最后将进气室 V 进 与抽
CH 4
Ar 2.241×10 −5 4.003×10 −2 气室 V 抽 中 的 Ar 膨 胀 至 校 准 室 V 校 ， 记 录 此 时
FS1.33 kPa 绝压式电容薄膜真空计 2 读数为 p 30 ，具
Kr 2.507×10 −5 8.380×10 −2
体测量公式如下 [13-15] ：
Xe 2.276×10 −5 1.313×10 −1

 V 15 p 7
 = −1


Comsa 等 通过校准 He、Ne、Ar、Kr、Xe、CH 4 、  p 15
[8]
 V 7




N 2 等气体，发现真空系统中本底气体在真空腔室  V 30 p 15



= −1 （1）


表面吸附会对切向动量传递系数产生影响；Bentz  V 7 +V 15 p 30





等 发现磁悬浮转子真空计对 He、Ar、Kr 等三种  p 7 (p 15 − p 30 )
[9]
 V 30


 =

气体的实际切向动量传递系数分别为 0.954、0.911、 V 15 p 30 (p 7 − p 15 )
0.933，均小于 1；李得天等 [10] 研究了传递系数随气 式中：V 7 、V 15 、V 3 分别为进气室 V 进 、抽气室 V 抽 、
0
体的变化，发现磁悬浮转子真空计的测量偏差与气 校准室 V 校 的容积，m ；测量得 V 30 /V 15 = 1086.210，
3
体成分有关；周明旭等 [11] 研究发现使用 GCr15 材 标准不确定度为 1.06，A 类相对标准不确定度 u A
料转子的磁悬浮转子真空计在不同气体中的测量 (V 30 /V 15 ) = 0.1%。