CN102967527A - 具有自校准功能的复合型材料放气率测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于测量技术领域，具体涉及一种具有自校准功能的复合型材料放气率测试系统及方法。包括，干泵，分子泵，超高真空全金属角阀；吸气剂泵，小孔，四极质谱计，真空室，分离规，复合型真空规，样品室，电容薄膜规等器件；系统复合了累积法、动态流量法及双通路法三种材料放气率测试方法，可测试气体流量范围为1Pam³/s～6×10^-12Pam³/s(若表面积A＝6000cm²，放气率测量下限达1×10^-15Pam³/(s cm²))，系统覆盖了13个数量级材料放气量测试范围，采用的对称结构设计，提高了测试效率和数据的可靠性；同时系统能够对超高真空规、质谱计及气体微流量的自校准功能，具有功能多，集成度高等特点。

Description

具有自校准功能的复合型材料放气率测试系统及方法

技术领域

本发明属于测量技术领域，具体涉及真空条件下材料放气率的测试系统及方法，用于材料放气率的测试和真空规及质谱计的自校准。

背景技术

材料放气率是材料在真空状态下的主要特性之一，是研制真空仪器及设备的重要选择依据，对于航空航天、半导体工业、高能物理等应用领域选择合适的材料具有重要的意义。文献“小孔流导法测量材料放气率研究”，《真空》第47卷、2010年第3期、第55～58页”，介绍了小孔流导法测量材料放气率的方法，其测量范围为1×10^-7～1×10^-12Pa m³/(s cm²)。文献“基于双通道方法对不锈钢高温出气性能的研究”《真空科学与技术学报》第31卷，2011年第3期、第368～371页，介绍了双通道方法测量材料放气率的方法。以上文章建立的材料放气率测量系统的特点有，一是采用不锈钢作为样品室，其自身的放气率比较大，致使本底放气影响无法延伸测量下限；二是系统采用的抽气方式获得不了10^-10Pa的极限真空度致使测量下限受限；三是系统不具有自校准功能，因此系统上所接的超高真空规和质谱计测量结果不可靠；四是系统不能测量放气率较大的材料。而当前许多应用领域需要系统的测量范围宽、效率高、具有自校准功能，基于以上需要的系统国内尚属空白。

发明内容

本发明针对目前科研生产应用中对材料放气率测试需求，建立宽量程、具有自校准功能的复合型材料放气率测试系统，要求系统对材料放气量的测量范围，并且对超高真空规和质谱计具有自校准功能，提高测量数据的正确性和可靠性的问题，提供一种具有自校准功能的复合型材料放气率测试系统及方法。

本发明提供一种具有自校准功能的复合型材料放气率测试系统及方法，系统复合了累积法、动态流量法及双通路法三种材料放气率测试方法，可测试气体流量范围为1Pam³/s～6×10^-12Pam³/s(若表面积A＝6000cm²，放气率测量下限达1×10^-15Pam³/(s cm²))。累积法的气体流量测量范围为1～5×10^-6Pam³/s(若表面积A＝100cm²，放气率测量上限为1×10^-2Pam³/(s cm²)，若表面积A＝5000cm²，放气率测量下限为1×10^-9Pam³/(s cm²))；动态流量法对气体流量的测量范围为6×10^-6Pam³/s～6×10^-9Pam³/s，(若表面积A＝600cm²，放气率测量上限为1×10^-8Pam³/(s cm²)，若表面积A＝6000cm²，放气率测量下限为1×10^-12Pam³/(s cm²))；双通路法对气体流量的测量范围为6×10^-9Pam³/s～6×10^-12Pam³/s，(若表面积A＝6000cm²，放气率测量上限为1×10^-12Pam³/(s cm²)，若表面积A＝6000cm²，放气率测量下限为1×10^-15Pam³/(s cm²))。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种具有自校准功能的复合型材料放气率测试系统，该系统包括：

第一干泵、第二干泵、第一分子泵、第二分子泵、第三分子泵、第一超高全金属角阀、第二超高全金属角阀、第三超高全金属角阀、第四超高全金属角阀、第五超高全金属角阀、第六超高全金属角阀、第七超高全金属角阀、第八超高全金属角阀、第九超高全金属角阀、第十超高全金属角阀、吸气剂泵、第一小孔、第二小孔、第三小孔、第四小孔、四极质谱计、第一真空室、第二真空室、第一分离规、第二分离规、第一复合型真空规、第二复合型真空规、第一样品室、第二样品室、第三样品室、第四样品室、第一电容薄膜规，第二电容薄膜规、第一波纹管截止阀，第二波纹管截止阀、第三波纹管截止阀、第四波纹管截止阀、第五波纹管截止阀、第六波纹管截止阀、标准体积、超高全金属插板阀、电磁阀、稳压室、皮拉尼真空规、KF25接口波纹管截止阀、球阀及气源；其连接关系为：

第一干泵与第一分子泵连接，第一超高全金属超高角阀两端分别与第一分子泵、第二分子泵连接，第二分子泵通过第一小孔与第一真空室连接；第二超高全金属角阀一端与消气剂泵连接，另一端与第一真空室连接；四极质谱计、分离规、第三超高全金属角阀及第二小孔、第三小孔分别与第一真空室连接；复合型真空规与第三超高全金属角阀和第四小孔连接，波纹管截止阀的另一端与第四小孔连接；第一样品室分别与第四超高全金属角阀、第五超高全金属角阀连接，超高全金属角阀与第二小孔连接，第二分离规分别与第五超高全金属角阀、第六超高全金属角阀的一端连接；第六超高全金属角阀、第七超高全金属角阀的一端分别与第二样品室连接，第七超高全金属角阀的另一端通与第三小孔连接；第二真空室分别与第一波纹管截止阀、第五波纹管截止阀、第六波纹管截止阀、第八超高全金属角阀、第九超高全金属角阀、第十超高全金属角阀及超高全金属插板阀连接；第一电容薄膜规与第一波纹管截止阀、第二波纹管截止阀、第三波纹管截止阀的一端连接，标准体积分别与第三波纹管截止阀的、第四波纹管截止阀及第五波纹管截止阀的另一端连接；第二复合型真空规与第九超高全金属角阀的另一端连接，第二电容薄膜规与第六波纹管截止阀的另一端连接；稳压室分别与皮拉尼真空规、第四波纹管截止阀、KF25接口波纹管截止阀及球阀连接，球阀的另一端与气源连接，KF25接口波纹管截止阀的另一端分别与第二干泵与电磁阀连接；超高全金属插板阀的另一端与第三分子泵连接，电磁阀的一端与第三分子泵连接，另一端与KF25接口波纹管截止阀和第二干泵连接，第四样品室和第十超高全金属角阀连接。

第一样品室、第二样品室为石英玻璃制成的真空容器；第三样品室、第四样品室为不锈钢制成的真空容器。

本发明还提供一种具有自校准功能的复合型材料放气率测试方法，包括步骤：

(1)累积法测量

S1、将处理好的样品放置在第三样品室中，与第八超高全金属角阀连接，将相同的第四样品室与第十超高全金属角阀连接，并检查以上连接处的密封性；

S2、打开第二干泵、电磁阀及超高全金属插板阀对第二真空室抽气，打开第第八超高全金属角阀、第九超高全金属角阀、第六超波纹管截止阀和第二复合型真空规、第一电容薄膜规，在第二真空室中真空度小于10Pa后，打开第一波纹管截止阀，然后打开第三分子泵抽真空；

S3、打开第二电容薄膜规，并在第二真空室中真空度小于1×10^-4Pa且正常工作4小时以上对第一电容薄膜规、第二电容薄膜规进行调零；

S4、在第二真空室中真空度小于1×10^-5Pa后，关闭第九超高全金属角阀，然后关闭超高全金属插板阀，记录第一电容薄膜规、第二电容薄膜规((22)是满量程为1000Torr的电容薄膜规，38是满量程为1Torr的电容薄膜规)压力随时间t的变化，测量结果为样品及其管道等总的放气为

(式中：V为累积室体积，包括第二真空室及阀门管道之间的体积；ΔP为在Δt时间内累积室中的压力变化)；

S5、关闭第八超高全金属角阀后打开超高全金属插板阀，然后打开超高全金属角阀，在真空室中真空度小于1×10^-5Pa后关闭超高全金属插板阀，记录第一真空规、第二真空规测量压力随着时间的t的变化，测量第二真空室(31)、阀门管道及样品室的放气为

(式中：V为累积室体积，ΔP′为在Δt′时间内累积室中的压力变化)；

S6、关闭所有有阀门，关闭所有真空规，关闭第三分子泵后再关闭第二干泵，则所测材料放气率为：

(式中：A为样品表面积的大小)。

S7、以时间为横坐标，给出在一定温度下的材料放气率与时间的曲线为实验结果。

(2)动态流量法测量

动态流量法对气体流量的测量范围为6×10^-6Pam³/s～6×10^-9Pam³/s，(若表面积A＝600cm²，放气率测量上限为1×10^-8Pam³/(s cm²)，若表面积A＝6000cm²，放气率测量下限为1×10^-12Pam³/(s cm²))。

S1、将处理好的样品放置在第一样品室中，将相同的空载第二样品室和第一样品室与管道连接，并检查密封性；

S2、打开第一干泵、第一超高全金属角阀对第一真空室抽气，打开第三超高全金属角阀、第四超高全金属角阀、第五超高全金属角阀、第六超高全金属角阀、第七超高全金属角阀及第一复合型真空规，在第一真空室中真空度(第一复合型真空规测量)小于10Pa后，依次打开第一分子泵、第二分子泵对第一真空室抽真空；在第一复合型真空规测量第一真空室中的真空度小于1×10^-4Pa后打开第一分离规、第二分离规；

S3、关闭第六超高全金属角阀、第七超高全金属角阀后，记录第一分离规、第二分离规的读数(分别为P₁、P₂)随时间t的变化，测量结果为样品及其管道等总的放气Q_total＝C₁₃(P₂-P₁)，C₁₃为第二小孔的流导值；

S4、关闭第四超高全金属角阀、第五超高全金属角阀后，打开第六超高全金属角阀、第二样品室，记录第一分离规、第二分离规的读数(分别为P′₁，P′₂)随时间t的变化，测量结果为样品室及其管道等本底的放气为Q_g＝C₁₉(P′₂-P′₁)，C₁₉为第三小孔的流导值；

S5、则在某一时刻t，所测材料放气率为：

(式中：A为样品表面积的大小)；

S6、关闭所有有阀门，关闭所有真空规，关闭第三分子泵后再关闭第二干泵。计算出测量时间内每个测量点的材料放气率，以时间为横坐标，以材料放气率为纵坐标，可获得放气率的关系图。

(3)双通路法测量

双通路法对气体流量的测量范围为6×10^-9Pam³/s～6×10^-12Pam³/s，(若表面积A＝6000cm²，放气率测量上限为1×10^-12Pam³/(s cm²)，若表面积A＝6000cm²，放气率测量下限为1×10^-15Pam³/(s cm²))。

S1、将处理好的样品放置在第一样品室中，将第一样品室和第二样品室分别安装在法兰上，并检查密封性；

S2、打开第一干泵、第一超高全金属角阀对第一真空室抽气，打开第三超高全金属角阀、第四超高全金属角阀、第五超高全金属角阀、第六超高全金属角阀、第七超高全金属角阀及第一复合型真空规，在第一真空室中真空度(第一复合型真空规测量)小于10Pa后，依次打开第一分子泵、第二分子泵对第一真空室抽真空；在第一复合型真空规测量第一真空室中的真空度小于1×10^-4Pa后打开第一分离规、第二分离规。

S3、关闭第六超高全金属角阀后，记录第二分离规的读数(为P_1a)随时间t的变化；

S4、关闭第五超高全金属角阀后，打开第六超高全金属角阀，记录第二分离规的读数P_1b)随时间t的变化，则在某一时刻t所测材料放气率为：

(式中：A为样品表面积的大小，cm²)；；

S5、计算出测量时间内每个测量点的材料放气率，以时间为横坐标，以材料放气率为纵坐标，可获得材料放气率与时间的关系图。

(4)超高真空规和四极质谱计的校准

S1、打开第二干泵和KF25接口波纹管截止阀对稳压室抽真空，打开皮拉尼真空规测量压力稳压室中的压力，当稳压室中的压力小于5Pa时，关闭KF25接口波纹管截止阀，然后打开球阀向稳压室中引入一定压力的气体。

S2、打开电磁阀及超高全金属插板阀对第二真空室抽气，打开第九超高全金属角阀、第六波纹管截止阀、第十超高全金属角阀和第二复合型真空规，当第二复合型真空规测量第二真空室中真空度小于10Pa后，打开第一波纹管截止阀、第五波纹管截止阀和第三分子泵抽真空；打开第一干泵、第一超高全金属角阀对第一真空室抽气，打开第三超高全金属角阀、第四超高全金属角阀、第五超高全金属角阀、第六超高全金属角阀、第七超高全金属角阀及第一复合型真空规，在第一真空室中真空度(第一复合型真空规测量)小于10Pa后，依次打开第一分子泵、第二分子泵对第一真空室抽真空；在第一复合型真空规测量第一真空室中的真空度小于1×10^-4Pa后打开第一分离规；

S3、打开第九超高全金属角阀、第一波纹管截止阀、第六波纹管截止阀，打开第二复合型真空规，在第二真空室中压力小于10Pa后，打开第一电容薄膜规、第二电容薄膜规，然后打开第三分子泵对第二真空室抽气，当第二真空室中真空度小于1×10^-4Pa，且第一电容薄膜规和第二电容薄膜规正常工作4小时以上进行调零；

S4、在第二真空室中真空度小于1×10^-5Pa后关闭第九超高全金属角阀、第十超高全金属角阀，然后关闭超高全金属插板阀，之后打开第四波纹管截止阀、第五波纹管截止阀，将稳压室中的气体引入第二真空室中(如果该压力超过133Pa，需要关闭第一波纹管截止阀)；

S5、打开第二波纹管截止阀、第三波纹管截止阀及第三超高全金属角阀，将第二真空室中的气体通过第四小孔引入第一真空室中，采用第一电容薄膜规、第一电容薄膜规测量第二真空室中气体压力P1(当压力小于133Pa时，打开第六波纹管截止阀后采用第二电容薄膜规测量；当压力大于133Pa时，采用第一电容薄膜规测量)。则第一真空室中获得的标准压力为

(式中C₄₅为第四小孔的流导；C₆为第一小孔的流导)，记录第一分离规的指示值P_C，则校准的修正因子为

(如果校准质谱计，记录质谱计的离子流I，则质谱计在该校准点的灵敏度为

)。

S6、关闭第二波纹管截止阀，然后通过第四波纹管截止阀调节第二真空室中的气体压力，在第二真空室中气体压力稳定后，打开第二波纹管截止阀，重复步骤S5。

S7、给出第一分离规的平均修正因子

或者修正因子S′与压力的关系；给出四级质谱计的平均灵敏度

或者灵敏度与压力的关系。

(5)累积室体积测量方法

S1、打开第二干泵和第四波纹管截止阀、KF25接口波纹管截止阀，对标准体积和稳压室抽真空，打开电磁阀和第九超高全金属角阀对第二真空室抽气，打开第二真空规和皮拉尼真空规，当稳压室中压力小于5Pa后关闭第四波纹管截止阀和KF25接口波纹管截止阀，然后打开球阀向稳压室中引入一定压力的气体，打开第四波纹管截止阀向标准体积中引入一定压力的气体，打开第三波纹管截止阀通过第一电容薄膜规测量标准体积中压力为P₁。

S2、关闭阀门第三波纹管截止阀、第四波纹管截止阀后，打开第一波纹管截止阀、超高全金属插板阀、电磁阀对第二真空室和管道抽真空，在第二真空室中压力小于5Pa后关闭超高全金属插板阀，然后打开第五波纹管截止阀将标准体积中的气体膨胀到第二真空室中，记录第一电容薄膜规的读数为P₂，则累积室的体积为

(式中V₀为标准体积的标准体积)；

S3、关闭所有阀门和真空仪器。

优选地，第二小孔、第三小孔的分子流导大于6L/s，且具有非常好的一致性；

优选地，第一样品室、第二样品室采用石英玻璃制成的相同的两个放样室；

优选地，第一小孔是直径为50mm，厚度小于直径的1/200的圆形小孔；

优选地，第四小孔是直径约为2um，气体分子通过小孔必须处于分子流条件；

所述的消气剂泵对惰性气体无抽速。

有益效果

本发明建立的具有自校准功能的复合型材料放气率测试系统与以上技术相比具有以下特点：

1、系统集成了累积法、动态流量法和双通路三种材料放气率测试方法，可实现13个数量级材料放气率测试，对气体流量的测量范围为1Pam³/s～6×10^-12Pam³/s(若表面积A＝6000cm²，材料放气率测量下限达1×10^-15Pam³/(scm²))；

2、系统自带标准体积，在每次测试前可对累积室的体积进行精确测量，避免了以往累积法测量过程中由于样品引入的体积及其变化而引起的偏差，从而提高了累积法的测量精度；

3、、动态流量法和双通路法的样品室采用石英玻璃制作，与所查文献中报道的不锈钢样品室相比将样品室自身的放气率降低了2～3个数量级，同时可承受的烘烤温度可到1000℃；

4、采用消气剂泵和串联分子泵组合抽气，在第一真空室中获得10^-10Pa量级的极限真空度，并结合放气率小的石英玻璃样品室，从而将材料放气气体流量测量下限延伸至6×10^-12Pam³/s(若样品表面积A＝6000cm²，材料放气率测量下限达1×10^-15Pam³/(s cm²))；

5、系统复合了真空规、质谱计校准功能，能够随时校准/检测参与材料放气率计算的真空规/质谱计测量数据的正确性，保证了材料放气率测量数据量值溯源和结果正确；

6、系统均采用了对称结构设计，累积法测量中样品室28和47是相同的，动态流量法和双通路法中第一样品室、第二样品室均相同，在测量过程中避免了采用一个样品室在测量本底放气中重复拆卸带来的测量偏差和时间浪费。

附图说明

图1为本发明具有自校准功能的复合型材料放气率测试系统及方法的结构原理示意图；

图2为一定温度下的材料放气率与时间的曲线为实验结果图；

图3为计算出测量时间内每个测量点的材料放气率，以时间为横坐标，以材料放气率为纵坐标，测量结果图；

图4计算出测量时间内每个测量点的材料放气率，以时间为横坐标，以材料放气率为纵坐标，可获得材料放气率与时间的关系图；

图中，1-第一干泵、2-第一分子泵、3-第一超高全金属超高角阀、4-第二分子泵、5-消气剂泵、6-第一小孔、7-第二超高全金属角阀、8-四极质谱计、9-第一真空室、10-第一分离规、11-第一复合型真空规、12-第三超高全金属角阀、13-第二小孔、14-第四超高全金属角阀、15-第一样品室、16-第五超高全金属角阀、17-第二分离规、18-第六超高全金属角阀、19-第三小孔、20-第七超高全金属角阀、21-第二样品室、22-第一电容薄膜规、23-第一波纹管截止阀、24-第二波纹管截止阀、25-第三波纹管截止阀、26-标准体积、27-第四波纹管截止阀、28-第三样品室、29-第八超高全金属角阀、30-第五波纹管截止阀、31-第二真空室、32-超高全金属插板阀、33-第三分子泵、34-电磁阀、35-第九超高全金属角阀、36-第二复合型真空规、37-第六波纹管截止阀、38-第二电容薄膜规、39-第二干泵、40-稳压室、41-皮拉尼真空规、42-KF25接口波纹管截止阀、43-球阀、44-气源、45-第四小孔、46-第十超高全金属角阀、47-第四样品室。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不是限制本发明的范围。

如图1所示，本发明的具有自校准功能的复合型材料放气率测试系统，包括，第一干泵1、第二干泵39、第一分子泵2、第二分子泵4、第三分子泵33、第一超高全金属角阀3、第二超高全金属角阀7、第三超高全金属角阀12、第四超高全金属角阀14、第五超高全金属角阀16、第六超高全金属角阀18、第七超高全金属角阀20、第八超高全金属角阀29、第九超高全金属角阀35、第十超高全金属角阀46、吸气剂泵5、第一小孔6、第二小孔13、第三小孔19、第四小孔45、四极质谱计8、第一真空室9、第二真空室31、第一分离规10、第二分离规17、第一复合型真空规11、第二复合型真空规36、第一样品室15、第二样品室21、第三样品室28、第四样品室47、第一电容薄膜规22，第二电容薄膜规38、第一波纹管截止阀23，第二波纹管截止阀24、第三波纹管截止阀25、第四波纹管截止阀27、第五波纹管截止阀30、第六波纹管截止阀37、标准体积26、超高全金属插板阀32、电磁阀34、稳压室40、皮拉尼真空规41、KF25接口波纹管截止阀42、球阀43及气源44；其连接关系为：

第一干泵1与第一分子泵2连接，第一超高全金属超高角阀3两端分别与第一分子泵2、第二分子泵4连接，第二分子泵4通过第一小孔6与第一真空室9连接；第二超高全金属角阀7一端与消气剂泵5连接，另一端与第一真空室9连接；四极质谱计8、分离规10、第三超高全金属角阀12及第二小孔13、第三小孔19分别与第一真空室9连接；复合型真空规11与第三超高全金属角阀12和第四小孔45连接，波纹管截止阀24的另一端与第四小孔45连接；第一样品室15分别与第四超高全金属角阀14、第五超高全金属角阀16连接，超高全金属角阀与第二小孔13连接，第二分离规17分别与第五超高全金属角阀16、第六超高全金属角阀18的一端连接；第六超高全金属角阀18、第七超高全金属角阀20的一端分别与第二样品室21连接，第七超高全金属角阀20的另一端通与第三小孔19连接；第二真空室31分别与第一波纹管截止阀23、第五波纹管截止阀30、第六波纹管截止阀37、第八超高全金属角阀29、第九超高全金属角阀35、第十超高全金属角阀46及超高全金属插板阀32连接；第一电容薄膜规22与第一波纹管截止阀23、第二波纹管截止阀24、第三波纹管截止阀25的一端连接，标准体积26分别与第三波纹管截止阀的25、第四波纹管截止阀27及第五波纹管截止阀30的另一端连接；第二复合型真空规36与第九超高全金属角阀35的另一端连接，第二电容薄膜规38与第六波纹管截止阀37的另一端连接；稳压室40分别与皮拉尼真空规41、第四波纹管截止阀27、KF25接口波纹管截止阀42及球阀43连接，球阀43的另一端与气源44连接，KF25接口波纹管截止阀42的另一端分别与第二干泵39与电磁阀34连接；超高全金属插板阀32的另一端与第三分子泵33连接，电磁阀34的一端与第三分子泵33连接，另一端与KF25接口波纹管截止阀42和第二干泵39连接，第四样品室47和第十超高全金属角阀46连接。

第一样品室15、第二样品室21为石英玻璃制成的真空容器；第三样品室28、第四样品室47为不锈钢制成的真空容器。

实施例

说明：实例在温度为(23±3)℃的条件下完成。

(1)累积法测量

累积法的气体流量测量范围为1～5×10^-6Pam³/s(若表面积A＝100cm²，放气率测量上限为1×10^-2Pam³/(s cm²)，若表面积A＝5000cm²，放气率测量下限为1×10^-9Pam³/(s cm²))。

S1、将处理好的样品放置在样品室第三样品室28中(样品的表面积A＝500cm²)，与第八超高全金属角阀29连接，将相同的第四样品室47与第十超高全金属角阀46连接，并检查以上连接处的密封性；

S2、打开第二干泵39、电磁阀34及超高全金属插板阀32对第二真空室31抽气，打开第八超高全金属角阀29、第九超高全金属角阀35、第六波纹管截止阀37和第二复合真空规36、第一电容薄膜规22，在第二真空室31中真空度为3.6Pa后，打开第一波纹管截止阀23，然后打开第三分子泵33抽真空；

S3、打开第二电容薄膜规38，并在第二真空室31中真空度为3.7×10^-5Pa工作4.5小时，对第一电容薄膜规22、第二电容薄膜规38进行调零；

S4、在第二真空室31中真空度为3.2×10^-6Pa时，关闭第九超高全金属角阀35，然后关闭超高全金属插板阀32，记录第一电容薄膜规22、第二电容薄膜规38(22是满量程为1000Torr的第一电容薄膜规，38是满量程为1Torr的第二电容薄膜规)压力随时间t的变化，测量结果为样品及其管道等总的放气为

(式中：V为累积室体积，包括第二真空室31及阀门管道之间的体积；ΔP为在Δt时间内累积室中的压力变化)；

S5、关闭第八超高全金属角阀29后打开超高全金属插板阀32，然后打开第十超高全金属角阀46，在第二真空室31中真空度为3.3×10^-6Pa时关闭超高全金属插板阀32，记录第一电容薄膜规22、第二电容薄膜规38测量压力随着时间的t的变化，测量第二真空室31、阀门管道及样品室的放气为

(式中：V为累积室体积，ΔP′为在Δt′时间内累积室中的压力变化)；

S6、关闭所有有阀门，关闭所有真空规，关闭第三分子泵33后再关闭第二干泵39，则所测材料放气率为：

(式中：A为样品表面积的大小)。

S7、以时间为横坐标，给出在一定温度下的材料放气率与时间的曲线为实验结果如图2所示。

(2)动态流量法测量

动态流量法对气体流量的测量范围为6×10^-6Pam³/s～6×10^-9Pam³/s，(若表面积A＝600cm²，放气率测量上限为1×10^-8Pam³/(s cm²)，若表面积A＝6000cm²，放气率测量下限为1×10^-12Pam³/(s cm²))。

S1、将处理好的样品放置在第一样品室15中，样品表面积A＝6000cm²，将相同的空载第二样品室21和第一样品室15与管道连接，并检查密封性；

S2、打开第一干泵1、第一超高全金属角阀3对第一真空室9抽气，打开第三超高全金属角阀12、第四超高全金属角阀14、第五超高全金属角阀16、第六超高全金属角阀18、第七超高全金属角阀20及第一复合型真空规11，在第一真空室9中真空度(复合型真空规11测量)实际为4.2Pa后，依次打开第一分子泵2、第二分子泵4对第一真空室9抽真空；在第一复合型真空规11测量真空室9中的真空度为5.2×10^-5Pa后打开第一分离规10、第二分离规17。

S3、关闭第六超高全金属角阀18、第七超高全金属角阀20后，记录第一分离规10、第二分离规17的读数分别为P₁、P₂，随时间t的变化，测量结果为样品及其管道等总的放气Q_total＝C₁₃(P₂-P₁)，C₁₃为第二小孔13的流导值为8.1×10^-3m³ /s；

S4、关闭第四超高全金属角阀14、第五超高全金属角阀16后，打开第六超高全金属角阀18、第二样品室21，记录第一分离规10、第二分离规17的读数分别为P′₁，P′₂随时间t的变化，测量结果为样品室及其管道等本底的放气为Q_g＝C₁₉(P′₂-P′₁)，C₁₉为第三小孔19的流导值为8.1×10^-3m³/s；

S5、则在某一时刻t，所测材料放气率为：

(式中：A为样品表面积的大小)；

S6、关闭所有有阀门，关闭所有真空规，关闭第三分子泵33后再关闭第二干泵39。计算出测量时间内每个测量点的材料放气率，以时间为横坐标，以材料放气率为纵坐标，测量结果如图3所示。

(3)双通路法测量

双通路法对气体流量的测量范围为6×10^-9Pam³/s～6×10^-12Pam³/s，(若表面积A＝6000cm²，放气率测量上限为1×10^-12Pam³/(s cm²)，若表面积A＝6000cm²，放气率测量下限为1×10^-15Pam³/(s cm²))。

S1、将处理好的样品放置在第一样品室15中(样品表面积A＝6000cm²)，将第一样品室15和第二样品室21分别安装在法兰上，并检查密封性；

S2、打开第一干泵1、第一超高全金属角阀3对第一真空室9抽气，打开第三超高全金属角阀12、第四超高全金属角阀14、第五超高全金属角阀16、第六超高全金属角阀18、第七超高全金属角阀20及第一复合型真空规11，在第一真空室9中真空度(第一复合型真空规11测量)为5.2Pa后，依次打开第一分子泵2、第二分子泵4对第一真空室9抽真空；在第一复合型真空规11测量第一真空室9中的真空度为4.5×10^-5Pa后打开第一分离规10、第二分离规17。

S3、关闭第六超高全金属角阀18后，记录第二分离规17的读数(为P_1a)随时间t的变化；

S4、关闭第五超高全金属角阀16后，打开第六超高全金属角阀18，记录第二分离规17的读数P_1b)随时间t的变化，则在某一时刻t所测材料放气率为：

(式中：A为样品表面积的大小，cm²)；

S5、计算出测量时间内每个测量点的材料放气率，以时间为横坐标，以材料放气率为纵坐标，可获得材料放气率与时间的关系图，见图4。

(4)超高真空规和四极质谱计的校准

S1、打开第二干泵39和KF25接口波纹管截止阀42对稳压室40抽真空，打开皮拉尼真空规41测量稳压室40中压力，当稳压室40中压力为3.2Pa时，关闭KF25接口波纹管截止阀42，然后打开球阀43向稳压室40中引入一定压力的气体。

S2、打开电磁阀34及超高全金属插板阀32对第二真空室31抽气，打开第九超高全金属角阀35、第六波纹管截止阀37、第十超高全金属角阀46和第二复合型真空规36，当第二复合型真空规36测量第二真空室31中真空度为6.2Pa后，打开第一波纹管截止阀23、第五波纹管截止阀30和第三分子泵33抽真空；打开第一干泵1、第一超高全金属角阀3对第一真空室9抽气，打开第三超高全金属角阀12、第四超高全金属角阀14、第五超高全金属角阀16、第六超高全金属角阀18、第七超高全金属角阀20及第一复合型真空规11，在第一真空室9中真空度(第一复合型真空规11测量)为4.1Pa后，依次打开第一分子泵2、第二分子泵4对第一真空室9抽真空；在第一复合型真空规11测量第一真空室9中的真空度为2.3×10^-5Pa后打开第一分离规10；

S3、打开第九超高全金属角阀35、第一波纹管截止阀23、第六波纹管截止阀37，打开第二复合型真空规36，在第二真空室31中压力为4.5Pa后，打开第一电容薄膜规22、第二电容薄膜规38，然后打开第三分子泵33对第二真空室31抽气，当第二真空室31中真空度为1.3×10^-5Pa，且第一电容薄膜规22和第二电容薄膜规38正常工作4.6小时时进行调零；

S4、在第二真空室31中真空度为3.3×10^-6Pa后关闭第九超高全金属角阀35、第十超高全金属角阀46，然后关闭超高全金属插板阀32。之后打开第四波纹管截止阀27、第五波纹管截止阀30，将稳压室40中的气体引入第二真空室31中(如果该压力超过133Pa，需要关闭第一波纹管截止阀23)；

S5、打开第二波纹管截止阀24、第三波纹管截止阀25及第三超高全金属角阀12，将第二真空室31中的气体通过第四小孔45引入第一真空室9中，采用第一电容薄膜规22、第二电容薄膜规38测量第二真空室31中气体压力P1(打开第六波纹管截止阀37后采用第二电容薄膜规38测量，其值为102Pa)。则第一真空室9中获得的标准压力为

(式中C₄₅为第四小孔45的流导，其值为6.5×10^-10m³/s；C₆为第一小孔6的流导，其值为2.5×10^-2m³/s；则标准压力P＝2.65×10^-6Pa)，记录第一分离规10的指示值P_C为2.35×10^-6Pa，则校准的修正因子为

S6、关闭第二波纹管截止阀24，然后通过第四波纹管截止阀27调节第二真空室31中的气体压力，在第二真空室31中气体压力稳定后，打开第二波纹管截止阀24，重复步骤S5。

S7、给出第一分离规10的平均修正因子

为0.90，系统的合成标准不确定度为5.7％。

(5)累积室体积测量方法

S1、打开第二干泵39和第四波纹管截止阀27、KF25接口波纹管截止阀42对标准体积26和稳压室40抽真空，打开电磁阀34和第九超高全金属角阀35对第二真空室31抽气，打开第二复合真空规36和皮拉尼真空规41，当稳压室40中压力为3.1Pa后关闭第四波纹管截止阀27和KF25接口波纹管截止阀42，然后打开球阀43向稳压室40中引入一定压力的气体，打开第四波纹管截止阀27向标准体积26中引入一定压力的气体，打开第三波纹管截止阀25通过第一电容薄膜规22测量标准体积26中压力为P₁(50006Pa)。

S2、关闭第三波纹管截止阀25、第四波纹管截止阀27后，打开第一波纹管截止阀23、超高全金属插板阀32、电磁阀34对第二真空室31和管道抽真空，在第二真空室31中压力为2.1Pa后关闭超高全金属插板阀32，然后打开第五波纹管截止阀30将标准体积26中的气体膨胀到第二真空室31中，记录第一电容薄膜规22的读数为P₂(5210Pa)，则累积室的体积为

(式中V₀为26的标准体积，其值为0.556L，累积室体积为4.781L)，累积室合成标准测量不确定度为1.2％；

S3、关闭所有阀门和真空仪器。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.具有自校准功能的复合型材料放气率测试系统，其特征在于，该系统复合了累积法、动态流量法及双通路法三种材料放气率测试方法，集成了对真空规、质谱计的自校准功能；系统包括：

第一干泵(1)、第二干泵(39)、第一分子泵(2)、第二分子泵(4)、第三分子泵(33)、第一超高全金属角阀(3)、第二超高全金属角阀(7)、第三超高全金属角阀(12)、第四超高全金属角阀(14)、第五超高全金属角阀(16)、第六超高全金属角阀(18)、第七超高全金属角阀(20)、第八超高全金属角阀(29)、第九超高全金属角阀(35)、第十超高全金属角阀(46)、吸气剂泵(5)、第一小孔(6)、第二小孔(13)、第三小孔(19)、第四小孔(45)、四极质谱计(8)、第一真空室(9)、第二真空室(31)、第一分离规(10)、第二分离规(17)、第一复合型真空规(11)、第二复合型真空规(36)、第一样品室(15)、第二样品室(21)、第三样品室(28)、第四样品室(47)、第一电容薄膜规(22)，第二电容薄膜规(38)、第一波纹管截止阀(23)，第二波纹管截止阀(24)、第三波纹管截止阀(25)、第四波纹管截止阀(27)、第五波纹管截止阀(30)、第六波纹管截止阀(37)、标准体积(26)、超高全金属插板阀(32)、电磁阀(34)、稳压室(40)、皮拉尼真空规(41)、KF25接口波纹管截止阀(42)、球阀(43)及气源(44)；其连接关系为：

第一干泵(1)与第一分子泵(2)连接，第一超高全金属超高角阀3两端分别与第一分子泵(2)、第二分子泵(4)连接，第二分子泵(4)通过第一小孔(6)与第一真空室(9)连接；第二超高全金属角阀(7)一端与消气剂泵(5)连接，另一端与第一真空室(9)连接；四极质谱计(8)、分离规(10)、第三超高全金属角阀(12)及第二小孔(13)、第三小孔(19)分别与第一真空室(9)连接；复合型真空规(11)与第三超高全金属角阀(12)和第四小孔(45)连接，波纹管截止阀(24)的另一端与第四小孔(45)连接；第一样品室(15)分别与第四超高全金属角阀(14)、第五超高全金属角阀(16)连接，超高全金属角阀与第二小孔(13)连接，第二分离规(17)分别与第五超高全金属角阀(16)、第六超高全金属角阀(18)的一端连接；第六超高全金属角阀(18)、第七超高全金属角阀(20)的一端分别与第二样品室(21)连接，第七超高全金属角阀(20)的另一端通与第三小孔(19)连接；第二真空室(31)分别与第一波纹管截止阀(23)、第五波纹管截止阀(30)、第六波纹管截止阀(37)、第八超高全金属角阀(29)、第九超高全金属角阀(35)、第十超高全金属角阀(46)及超高全金属插板阀(32)连接；第一电容薄膜规(22)与第一波纹管截止阀(23)、第二波纹管截止阀(24)、第三波纹管截止阀(25)的一端连接，标准体积(26)分别与第三波纹管截止阀的(25)、第四波纹管截止阀(27)及第五波纹管截止阀(30)的另一端连接；第二复合型真空规(36)与第九超高全金属角阀(35)的另一端连接，第二电容薄膜规(38)与第六波纹管截止阀(37)的另一端连接；稳压室(40)分别与皮拉尼真空规(41)、第四波纹管截止阀(27)、KF25接口波纹管截止阀(42)及球阀(43)连接，球阀(43)的另一端与气源(44)连接，KF25接口波纹管截止阀(42)的另一端分别与第二干泵(39)与电磁阀(34)连接；超高全金属插板阀(32)的另一端与第三分子泵(33)连接，电磁阀(34)的一端与第三分子泵(33)连接，另一端与KF25接口波纹管截止阀(42)和第二干泵(39)连接，第四样品室(47)和第十超高全金属角阀(46)连接。

2.如权利要求1所述的具有自校准功能的复合型材料放气率测试系统，其特征在于：第一样品室(15)、第二样品室(21)为石英玻璃制成的真空容器；第三样品室(28)、第四样品室(47)为不锈钢制成的真空容器。

3.如权利要求1所述的具有自校准功能的复合型材料放气率测试系统，其特征在于：第二小孔、第三小孔的分子流导大于6L/s。

4.如权利要求1所述的具有自校准功能的复合型材料放气率测试系统，其特征在于：第一小孔优选直径约为50mm，厚度小于直径的1/200的圆形小孔；第四小孔是直径约为2um。

5.一种具有自校准功能的复合型材料放气率测试方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)累积法测量

累积法的气体流量测量范围为1～5×10^-6Pam³/s，若表面积A＝100cm²，放气率测量上限为1×10^-2Pam³/(s cm²；若表面积A＝5000cm²，放气率测量下限为1×10^-9Pam³/(s cm²)；

S1、将处理好的样品放置在第三样品室(28)中，与第八超高全金属角阀(29)连接，将相同的第四样品室(47)与第十超高全金属角阀(46)连接，并检查以上连接处的密封性；

S2、打开第二干泵(39)、电磁阀(34)及超高全金属插板阀(32)对第二真空室(31)抽气，打开第第八超高全金属角阀(29)、第九超高全金属角阀(35)、第六超波纹管截止阀(37)和第二复合型真空规(36)、第一电容薄膜规(22)，在第二真空室(31)中真空度小于10Pa后，打开第一波纹管截止阀(23)，然后打开第三分子泵(33)抽真空；

S3、打开第二电容薄膜规(38)，并在第二真空室(31)中真空度小于1×10^-4Pa且正常工作4小时以上对第一电容薄膜规(22)、第二电容薄膜规(38)进行调零；

S4、在第二真空室(31)中真空度小于1×10^-5Pa后，关闭第九超高全金属角阀(35)，然后关闭超高全金属插板阀(32)，记录第一电容薄膜规(22)、第二电容薄膜规(38)((22)是满量程为1000Torr的电容薄膜规，(38)是满量程为1Torr的电容薄膜规)压力随时间t的变化，测量结果为样品及其管道等总的放气为

式中：V为累积室体积，包括第二真空室(31)及阀门管道之间的体积；ΔP为在Δt时间内累积室中的压力变化；

S5、关闭第八超高全金属角阀(29)后打开超高全金属插板阀(32)，然后打开超高全金属角阀(46)，在真空室(31)中真空度小于1×10^-5Pa后关闭超高全金属插板阀(32)，记录第一真空规(22)、第二真空规(38)测量压力随着时间的t的变化，测量第二真空室(31)、阀门管道及样品室的放气为

(式中：V为累积室体积，ΔP′为在Δt′时间内累积室中的压力变化)；

S6、关闭所有有阀门，关闭所有真空规，关闭第三分子泵(33)后再关闭第二干泵(39)，则所测材料放气率为：

式中：A为样品表面积的大小；

S7、以时间为横坐标，给出在一定温度下的材料放气率与时间的曲线为实验结果；

(2)动态流量法测量

动态流量法对气体流量的测量范围为6×10^-6Pam³/s～6×10^-9Pam³/s，(若表面积A＝600cm²，放气率测量上限为1×10^-8Pam³/(s cm²)，若表面积A＝6000cm²，放气率测量下限为1×10^-12Pam³/(s cm²))；

S1、将处理好的样品放置在第一样品室(15)中，将相同的空载第二样品室(21)和第一样品室(15)与管道连接，并检查密封性；

S2、打开第一干泵(1)、第一超高全金属角阀(3)对第一真空室(9)抽气，打开第三超高全金属角阀(12)、第四超高全金属角阀(14)、第五超高全金属角阀(16)、第六超高全金属角阀(18)、第七超高全金属角阀(20)及第一复合型真空规(11)，在第一真空室(9)中真空度(第一复合型真空规(11)测量)小于10Pa后，依次打开第一分子泵(2)、第二分子泵(4)对第一真空室(9)抽真空；在第一复合型真空规(11)测量第一真空室(9)中的真空度小于1×10^-4Pa后打开第一分离规(10)、第二分离规(17)；

S3、关闭第六超高全金属角阀(18)、第七超高全金属角阀(20)后，记录第一分离规(10)、第二分离规(17)的读数(分别为P₁、P₂)随时间t的变化，测量结果为样品及其管道等总的放气Q_total＝C₁₃(P₂-P₁)，C₁₃为第二小孔(13)的流导值；

S4、关闭第四超高全金属角阀(14)、第五超高全金属角阀(16)后，打开第六超高全金属角阀(18)、第二样品室(21)，记录第一分离规(10)、第二分离规(17)的读数(分别为P′₁，P′₂)随时间t的变化，测量结果为样品室及其管道等本底的放气为Q_g＝C₁₉(P′₂-P′₁)，C₁₉为第三小孔(19)的流导值；

S5、则在某一时刻t，所测材料放气率为：

(式中：A为样品表面积的大小)；

S6、关闭所有有阀门，关闭所有真空规，关闭第三分子泵(33)后再关闭第二干泵(39)；计算出测量时间内每个测量点的材料放气率，以时间为横坐标，以材料放气率为纵坐标，可获得放气率的关系图；

(3)双通路法测量

双通路法对气体流量的测量范围为6×10^-9Pam³/s～6×10^-12Pam³/s，若表面积A＝6000cm²，放气率测量上限为1×10^-12Pam³/(s cm²)，若表面积A＝6000cm²，放气率测量下限为1×10^-15Pam³/(s cm²)；

S1、将处理好的样品放置在第一样品室(15)中，将第一样品室(15)和第二样品室(21)分别安装在法兰上，并检查密封性；

S2、打开第一干泵(1)、第一超高全金属角阀(3)对第一真空室(9)抽气，打开第三超高全金属角阀(12)、第四超高全金属角阀(14)、第五超高全金属角阀(16)、第六超高全金属角阀(18)、第七超高全金属角阀(20)及第一复合型真空规(11)，在第一真空室(9)中真空度(第一复合型真空规(11)测量)小于10Pa后，依次打开第一分子泵(2)、第二分子泵(4)对第一真空室(9)抽真空；在第一复合型真空规(11)测量第一真空室(9)中的真空度小于1×10^-4Pa后打开第一分离规(10)、第二分离规(17)；

S3、关闭第六超高全金属角阀(18)后，记录第二分离规(17)的读数(为P_1a)随时间t的变化；

S4、关闭第五超高全金属角阀(16)后，打开第六超高全金属角阀(18)，记录第二分离规(17)的读数P_1b)随时间t的变化，则在某一时刻t所测材料放气率为：

式中：A为样品表面积的大小，cm²；；

S5、计算出测量时间内每个测量点的材料放气率，以时间为横坐标，以材料放气率为纵坐标，可获得材料放气率与时间的关系图；

(4)超高真空规和四极质谱计的校准

S1、打开第二干泵(39)和KF25接口波纹管截止阀(42)对稳压室(40)抽真空，打开皮拉尼真空规(41)测量压力稳压室(40)中的压力，当稳压室(40)中的压力小于5Pa时，关闭KF25接口波纹管截止阀(42)，然后打开球阀(43)向稳压室(40)中引入一定压力的气体；

S2、打开电磁阀(34)及超高全金属插板阀(32)对第二真空室(31)抽气，打开第九超高全金属角阀(35)、第六波纹管截止阀(37)、第十超高全金属角阀(46)和第二复合型真空规(36)，当第二复合型真空规(36)测量第二真空室(31)中真空度小于10Pa后，打开第一波纹管截止阀(23)、第五波纹管截止阀(30)和第三分子泵(33)抽真空；打开第一干泵(1)、第一超高全金属角阀(3)对第一真空室(9)抽气，打开第三超高全金属角阀(12)、第四超高全金属角阀(14)、第五超高全金属角阀(16)、第六超高全金属角阀(18)、第七超高全金属角阀(20)及第一复合型真空规(11)，在第一真空室(9)中真空度(第一复合型真空规(11)测量)小于10Pa后，依次打开第一分子泵(2)、第二分子泵(4)对第一真空室(9)抽真空；在第一复合型真空规(11)测量第一真空室(9)中的真空度小于1×10^-4Pa后打开第一分离规(10)；

S3、打开第九超高全金属角阀(35)、第一波纹管截止阀(23)、第六波纹管截止阀(37)，打开第二复合型真空规(36)，在第二真空室(31)中压力小于10Pa后，打开第一电容薄膜规(22)、第二电容薄膜规(38)，然后打开第三分子泵(33)对第二真空室(31)抽气，当第二真空室(31)中真空度小于1×10^-4Pa，且第一电容薄膜规(22)和第二电容薄膜规(38)正常工作4小时以上进行调零；

S4、在第二真空室(31)中真空度小于1×10^-5Pa后关闭第九超高全金属角阀(35)、第十超高全金属角阀(46)，然后关闭超高全金属插板阀(32)，之后打开第四波纹管截止阀(27)、第五波纹管截止阀(30)，将稳压室(40)中的气体引入第二真空室(31)中(如果该压力超过133Pa，需要关闭第一波纹管截止阀(23))；

S5、打开第二波纹管截止阀(24)、第三波纹管截止阀(25)及第三超高全金属角阀(12)，将第二真空室(31)中的气体通过第四小孔(45)引入第一真空室(9)中，采用第一电容薄膜规(22)、第一电容薄膜规(38)测量第二真空室(31)中气体压力P1(当压力小于133Pa时，打开第六波纹管截止阀(37)后采用第二电容薄膜规(38)测量；当压力大于133Pa时，采用第一电容薄膜规(22)测量)；则第一真空室(9)中获得的标准压力为

(式中C₄₅为第四小孔(45)的流导；C₆为第一小孔(6)的流导)，记录第一分离规(10)的指示值P_C，则校准的修正因子为(如果校准质谱计，记录质谱计的离子流I，则质谱计在该校准点的灵敏度为 $S=\frac{I}{P}$ )；

S6、关闭第二波纹管截止阀(24)，然后通过第四波纹管截止阀(27)调节第二真空室(31)中的气体压力，在第二真空室(31)中气体压力稳定后，打开第二波纹管截止阀(24)，重复步骤S5；

S7、给出第一分离规(10)的平均修正因子

或者修正因子S′与压力的关系；给出四级质谱计(8)的平均灵敏度

或者灵敏度与压力的关系；

(5)累积室体积测量方法

S1、打开第二干泵(39)和第四波纹管截止阀(27)、KF25接口波纹管截止阀(42)，对标准体积(26)和稳压室(40)抽真空，打开电磁阀(34)和第九超高全金属角阀(35)对第二真空室(31)抽气，打开第二真空规(36)和皮拉尼真空规(41)，当稳压室(40)中压力小于5Pa后关闭第四波纹管截止阀(27)和KF25接口波纹管截止阀(42)，然后打开球阀(43)向稳压室(40)中引入一定压力的气体，打开第四波纹管截止阀(27)向标准体积(26)中引入一定压力的气体，打开第三波纹管截止阀(25)通过第一电容薄膜规(22)测量标准体积(26)中压力为P₁；

S2、关闭阀门第三波纹管截止阀(25)、第四波纹管截止阀(27)后，打开第一波纹管截止阀(23)、超高全金属插板阀(32)、电磁阀(34)对第二真空室(31)和管道抽真空，在第二真空室(31)中压力小于5Pa后关闭超高全金属插板阀(32)，然后打开第五波纹管截止阀(30)将标准体积(26)中的气体膨胀到第二真空室(31)中，记录第一电容薄膜规(22)的读数为P₂，则累积室的体积为

(式中V₀为标准体积26的标准体积)；

S3、关闭所有阀门和真空仪器。

6.如权利要求5所述的一种具有自校准功能的复合型材料放气率测试方法，其特征在于：累积法的气体流量测量范围为1～5×10^-6Pam³/s。

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