CN108318376A - 一种判断密封铯束管材料出气率的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种判断密封铯束管材料出气率的方法，该方法用铯束管材料平均出气率的设计值q计算材料表面总的出气量，作为每秒从铯束管抽掉的气体量Q，即Q＝q·A，其中A为铯束管材料的内表面积之和；根据得到的Q，由公式P2＝P0+Q/S2计算抽气系统的压强P2，其中P0是抽气系统的极限压强，S2是抽气系统进口处的有效抽速；采用排气系统对铯束管进行烘烤排气，完成后读出连接于抽气系统的真空计的读数P，并与计算得到的抽气系统的压强P2进行比较，如P≤P2说明材料出气率满足设计要求，如P>P2则升温继续烘烤。使用本发明既不需要改造系统，又能很容易的判断材料的出气率。

Description

一种判断密封铯束管材料出气率的方法
技术领域
本发明属于铯原子钟和真空技术领域，尤其涉及一种判断密封铯束管材料出气率的方法。
背景技术
小型密封铯束管是铯原子钟的物理部分，属于密封的电真空器件，内部的真空度要求小于1×10-4Pa，否则将影响铯原子钟的性能及指标。
影响密封铯束管真空度的因素来自三个方面：首先是管壁渗透进入管内的气体，其次是通过漏孔进入的气体，最后是材料表面的出气。由于现代铯束管管壁材料采用了优质不锈钢，使得渗透进入的气体量非常小，因此对真空度的影响也很小，此外铯束管在封离排气台时，要求漏率(单位Pa·L/s)小于-10量级，通过漏孔进入的气体量也可忽略，所以铯束管的真空设计可以不考虑这两个因素。目前材料表面的出气是影响铯束管真空度的关键因素，密封铯束管的体积只有5L，但其内部材料表面积之和达到了5×104cm2，为了满足铯束管静态放置使用要求，材料的出气率(单位Pa·L/(s·cm2))应该在-11量级。实际材料的出气率一般在-4量级，远不能满足要求，因此需要对铯束管包含的各种材料进行真空处理，包括清洗、高温烘烤等，最后还要将铯束管接入排气系统进行真空烘烤排气。
铯束管的烘烤排气受到一些条件的限制，如国产的聚酰亚胺材料在温度超过400℃时将发生碳化，所以烘烤温度不宜过高，所以只能延长排气时间，究竟延长多久取决于铯束管内材料的出气率是否达到设计要求。然而一般排气系统上并没有接测量出气率的设备，所以人们无法判断材料的出气率，只能根据实践经验来决定排气时间。这带来如下问题：如果排气时间短了，铯束管的真空度将达不到，导致失败；如果排气时间过长，尽管真空度达到了，但付出了时间和资源的代价。
为了解决上述问题，可以考虑改造排气系统，给该系统接入出气率测试系统，但这会导致排气系统异常复杂与昂贵。如果能找到一种方法，既不需要改造系统，又能很容易的判断材料的出气率将是很有意义的。本发明找到了这样一种方法。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种判断密封铯束管材料出气率的方法，既不需要改造系统，又能很容易的判断材料的出气率。
为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
一种判断密封铯束管材料出气率的方法，采用排气系统对铯束管进行真空烘烤排气处理，铯束管通过排气管与排气系统内的抽气系统连接；该方法包括如下步骤：
用铯束管材料平均出气率的设计值q计算材料表面总的出气量，作为每秒从铯束管抽掉的气体量Q，即Q＝q·A，其中A为铯束管材料的内表面积之和；
根据得到的Q，由公式P2＝P0+Q/S2计算抽气系统的压强P2，其中P0是抽气系统的极限压强，S2是抽气系统进口处的有效抽速；
采用排气系统对铯束管进行烘烤排气，完成后读出连接于抽气系统的真空计的读数P，并与计算得到的抽气系统的压强P2进行比较，如P≤P2说明材料出气率满足设计要求，如P>P2则升温继续烘烤。
优选地，所述抽气系统的极限压强P0的获取方式为：将排气系统上连接铯束管的部位用盲板堵住，同时保证盲板跟该部位之间的漏率小于1E-10Pa·L/s，然后对排气系统抽真空，观察真空计的读数，当读数不发生变化或变化很小时，该读数值就作为抽气系统的极限压强P0。
优选地，所述真空计采用真空计能够覆盖-1Pa至-8Pa量级范围的真空计，如果一种真空计无法覆盖该范围，则同时采用两种以上的真空计组合完成。
优选地，铯束管通过管壁上的排气管连接抽气系统，连接处的漏率小于1E-10Pa·L/s。
优选地，所述抽气系统对铯束管进行烘烤抽气后，待铯束管降温达到室温后记录真空计的读数。
有益效果：
本发明给出了一套判断铯束管材料出气率是否满足设计要求的方法，该方法建立在严格的理论基础之上，不但具有可操作性，分为4个可执行的步骤，而且不需要引入其它系统与设备，可从真空计的数值直接判断。
附图说明
图1—铯束管材料放气率判断模型。
图2—排气系统的组成。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种判断密封铯束管材料出气率的方法，包括如下步骤：
步骤(一)：将铯束管和排气系统考虑成一个整体，建立如图1所示的模型，模型包括铯束管、排气管、抽气系统和真空计四个部分，其中铯束管和抽气系统之间由排气管连接，真空计连接在抽气系统上。模型中P1、P2分别是铯束管和抽气系统的压强，S1、S2分别是铯束管出口和抽气系统进口处的有效抽速。该模型为等效模型，用于进行后续的公式推导，并不是真正的连接关系示意图。
对第(一)步进行说明：排气系统是一个比较复杂的系统，由抽气系统、烘烤系统和控制系统组成，见图2。抽气系统由真空泵组、阀门及各种管道组成(见图2虚框)。为了完成铯束管的烘烤排气，将铯束管放入烘烤系统内，通过铯束管管壁上的排气管连接在抽气系统上，连接处的漏率保证小于1E-10Pa·L/s。控制系统采集包括抽气系统、烘烤系统在内的运行数据并进行处理。建立材料放气率模型时不考虑烘烤系统与控制系统，只考虑有直接相关的抽气系统。将包括真空泵组、阀门与管道在内的整个抽气系统用一个框图代表，真空计和铯束管分别接在抽气系统上。这样通过略去排气系统的次要部分，同时对抽气系统进行简化就形成了图1所示的模型。
步骤(二)：用铯束管材料平均出气率的设计值q计算材料表面总的出气量，并令该出气量等于每秒从铯束管抽掉的气体量Q，即Q＝q·A，其中A为铯束管材料的内表面积之和。
对第(二)步进行说明：在第(一)步的说明中保证了铯束管连接处的漏率小于1E-10Pa·L/s，因此通过连接处从外界漏进的气体量可以忽略，此外由于管壳采用优质不锈钢材料，通过管壳表面渗透进入的气体量也可以忽略。铯束管内的气体量主要是由于材料表面的出气引起，假定材料的平均出气率为q，铯束管的内表面积和为A，则单位时间的出气量由q·A计算。任何真空系统，长时间抽气后必定达到某一稳定压强，此时进入真空系统的气体量等于抽走的气体量。同样，铯束管属于真空系统，在长时间烘烤除气后其内部压强P1趋于稳定，此时抽掉或流出的气体量P1·S1等于材料表面的出气量，在材料出气率达到设计值q时从铯束管流出的气体量Q＝P1·S1＝q·A。
步骤(三)：根据第(二)步得到的Q，由公式P2＝P0+Q/S2计算P2，其中P0是抽气系统的极限压强。
对第(三)步进行说明：首先对抽气系统的极限压强P0进行解释：P0指抽气系统未接铯束管即空载时经过长时间抽气压强达到稳定时的值。该值通过如下方法获得，将排气系统上连接铯束管的部位用盲板堵住，同时保证盲板跟该部位之间的漏率小于1E-10Pa·L/s，然后对排气系统抽真空，观察真空计的读数，当读数不发生变化或变化很小时，该读数值就作为抽气系统的极限真空或压强。其次对公式P2＝P0+Q/S2进行解释。公式中的S2是抽气系统的有效抽速，由抽气系统的真空泵组抽速、管道的尺寸决定。当抽气系统装载铯束管后，其内部压强将不同于空载时的压强P0，这种不同来自于从铯束管流入的气体量带来的压强变化，当流入的气体量为Q时压强增加Q/S2，因此装载铯束管后抽气系统达到稳定时的压强为P2＝P0+Q/S2。
步骤(四)：采用排气系统对铯束管进行烘烤排气，完成后读出连接于抽气系统中真空计的读数P，并与第(三)步得到的P2进行比较，如P≤P2说明材料出气率满足设计要求，如P>P2则升温继续烘烤。
对第(四)步进行说明：真空计用于监视铯束管排气及剪管时抽气系统的真空度或压强，要求真空计能够覆盖-1至-8Pa量级范围，如果一种真空计无法覆盖该范围，可以同时采用两种以上的真空计。铯束管烘烤完毕后进行降温，当达到室温后记录真空计的读数P，将P与P2比较。由于第(三)步得到的P2是当材料的出气率达到设计值时抽气系统内的最大压强，所以当P≤P2说明材料出气率已满足设计要求，可以将铯束管封离排气系统了；P>P2说明出气率超出了设计要求，铯束管还需要继续烘烤除气。
下面举一个具体实例。
本实例取静态放置时间为1个月，即材料出气率设计值q为q＝3.9×10-11Pa·L/(s·cm2)的铯束管。铯束管的内表面积S＝50000cm2。
抽气系统的方案如图2所示。其中抽气机组包括机械泵、分子泵，真空计采用了冷阴极规和电离规，冷阴极规的范围9×10-1～1×10-7Pa，电离规将真空度下限延伸到10- 10Pa。根据机械泵和分子泵的抽速、系统管道的尺寸，可以求得模型中抽气系统的有效抽速S2＝20L/s。抽气系统的极限压强是从电离规获得的：P0＝8.0×10-8Pa。
按照第(二)步得到Q＝q·S＝3.9×10-11×50000＝2.0×10-6Pa·L/s。按照第(三)步得到P2＝P0+Q/S2＝8.0×10-8+2.0×10-6/20＝1.8×10-7Pa，即当铯束管的材料放气率达到设计值时，抽气系统的真空度或压强不超过P2＝1.8×10-7Pa。
铯束管烘烤完毕进行降温，当到达室温后从电离规或冷阴极规读出抽气系统的压强P，这里给出一些测得的不同铯束管的实例：8.9×10-8Pa、9.1×10-8Pa、9.7×10-8Pa、1.5×10-7Pa等等，将P与P2进行比较，给出的实例均小于P2＝1.8×10-7Pa，说明这些铯束管的材料出气率满足设计要求。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种判断密封铯束管材料出气率的方法，采用排气系统对铯束管进行真空烘烤排气处理，铯束管通过排气管与排气系统内的抽气系统连接；其特征在于，该方法包括如下步骤：
用铯束管材料平均出气率的设计值q计算材料表面总的出气量，作为每秒从铯束管抽掉的气体量Q，即Q＝q〃A，其中A为铯束管材料的内表面积之和；
根据得到的Q，由公式P2＝P0+Q/S2计算抽气系统的压强P2，其中P0是抽气系统的极限压强，S2是抽气系统进口处的有效抽速；
采用排气系统对铯束管进行烘烤排气，完成后读出连接于抽气系统的真空计的读数P，并与计算得到的抽气系统的压强P2进行比较，如P≤P2说明材料出气率满足设计要求，如P>P2则升温继续烘烤。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述抽气系统的极限压强P0的获取方式为：将排气系统上连接铯束管的部位用盲板堵住，同时保证盲板跟该部位之间的漏率小于1E-10Pa〃L/s，然后对排气系统抽真空，观察真空计的读数，当读数不发生变化或变化很小时，该读数值就作为抽气系统的极限压强P0。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述真空计采用真空计能够覆盖-1Pa至-8Pa量级范围的真空计，如果一种真空计无法覆盖该范围，则同时采用两种以上的真空计组合完成。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，铯束管通过管壁上的排气管连接抽气系统，连接处的漏率小于1E-10Pa〃L/s。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述抽气系统对铯束管进行烘烤抽气后，待铯束管降温达到室温后记录真空计的读数。
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