基于碳纳米管电子源的高稳定电离真空计的性能研究

文章将碳纳米管电子源应用于高稳定电离真空计,通过结构和电参数优化,研制了样机,并开展了样机计量特性的实验研究,研究结果表明,新型电离规在6.87×10^(-6)Pa~6.45×10^(-5)Pa的压力范围内,灵敏度在0.200 Pa^(-1)~0.245 Pa^(-1)的范围内波动,与仿真灵敏度0.250 Pa^(-1)的偏差最大为20%,灵敏度波动小于5.96%,证明该结构设计合理,有望应用于超高真空校准及精确测量领域。

深空探测背景下质谱计测水校准方法综述

质谱计的结构简单、扫描速度快、质量检测范围大,是深空探测任务中最常用的原位分析仪器。同时质谱分析是直接分析物质组成的手段,在解决月球是否存在水冰的问题上具有不可替代的优势。质谱计测水过程中,由于水气具有强吸附性、很难完全去除,给测量结果的精度带来了挑战。文章介绍了目前质谱计标定水丰度方法的研究,包括制备校准水气及优化校准流程。制备校准水气的方法可以分为:控温膨胀法、流量计法和反应制备法;优化校准流程的方法可以分为:利用容积膨胀校准、基于恒定流导校准、借助其他气体校准和优化校准程序。最后阐述了深空探测任务中的质谱计校准水、测水方案。并针对中国探月四期的任务要求,提出了一种基于小孔流导的校准方法。为深空环境下质谱计校准水气的技术发展提供参考。

快速动态真空校准装置的研制

快速动态真空校准装置由校准系统、高速数据采集与控制系统、抽气系统、烘烤系统、供气系统5个部分组成。采用快开超高真空插板阀与不同几何尺寸限流元件的组合实现标准压力建立时间在18.12~658.13 ms范围的调整,采用容积比为1 573.9的下游室与上游室实现动态真空1 000倍以上的阶跃。通过ms量级稀薄气体快速膨胀过程数值仿真获得了快开阀与限流元件不同流态下随时间的流导函数,并采用动态响应特性经过优化的电容薄膜真空计(响应时间1.07 ms)实验验证,快速动态真空校准装置校准范围10^-1~10^5Pa,合成标准不确定度为14%。

动态真空校准装置的设计

动态真空校准装置由供气系统、抽气系统、校准系统、烘烤系统、测控及分析系统五部分组成。利用快开超高真空插板阀与限流元件组合的方法,在20ms至1s的时间范围内实现标准压力105Pa至100Pa范围的瞬态阶跃变化。采用稀薄流下DSMC法与连续流下Navier-Stokes方程相结合的模型,确定快速膨胀过程中标准压力时间常数。动态真空校准装置预计达到的技术指标为校准范围10-1Pa～105Pa,合成标准不确定度小于15%。

现场真空校准装置性能研究

研制了一台校准范围为10^(-5)~10~5Pa的现场真空校准装置。将不同种类单一成分的校准气体引入装置上游室,通过几何尺寸为微米量级激光小孔的衰减,建立校准用标准压力p_(std)。上游室压力变化范围为1~10~3Pa,相应地,校准室内对应的标准压力范围10^(-5)~10^(-2)Pa(N2),测量不确定度为2.4%。另外,该装置可采用与标准真空计直接比较进行动态或静态校准,其极限真空度为10^(-6)Pa量级。对装置暴露大气后的抽气性能、静态压升及其主要计量特性进行了实验研究。实验结果表明,该装置外形尺寸以及质量分别为475 mm×420 mm×800 mm、37.8 kg,校准范围为1.9×10^(-5)~1.0×10~5Pa,相对合成标准不确定度为2.8%~0.40%。

SQLite在无线数据采集系统中的应用

针对无线数据采集系统应用的广泛性,提出了一种在PXA270处理器和嵌入式Linux的无线数据采集系统中,使用嵌入式数据库SQLite,对CC1110芯片采用TDMA、FHSS方式采集到的批量数据进行维护管理的方案。分析SQLite的优、缺点,针对其局限性解决嵌入式系统数据库存储并行性、实时性不高的问题;用户可以通过IC卡、界面软件实现系统参数的实时监测与查询功能。测试结果表明,SQLite可以有效地提高系统的运行效率、可靠性。可广泛应用于工业控制、监控系统等领域。

光学方法在真空计量中应用研究进展

光学方法在真空计量中的应用研究是真空计量中的新学科。固定长度法布里-珀罗光学谐振腔应用在粗低真空校准技术、可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)应用在分压力校准技术、迈克尔逊干涉仪动态真空校准技术以及基于法布里-珀罗(Fabry-Pérot)光学干涉法应用在气体微流量测量技术。文中介绍了原理、校准装置的结构及性能等。从中可以看出,近年来随着学科的交叉融合,采用光学方法的真空计量技术大幅减小了现有真空计量标准的测量不确定度,促进真空计量由实物标准向量子标准转变,并对真空基本量复现,以及今后真空国际单位制的重新定义具有重要的意义。

计量级磁悬浮转子真空计技术研究

磁悬浮转子真空计为国际公认的高真空范围溯源/传递标准,因其优良的计量特性和化学惰性,广泛应用于航空航天、核工业、半导体和高端装备制造等领域。针对高真空范围传递标准国产化需求,开展了永磁偏置转子稳定悬浮、转子轴向位移精确测量、转子转速衰减速率动力学模型构建及高精度检测等关键技术研究,为计量级磁悬浮转子真空计研制、实现高真空范围真空量值溯源/传递国际等效,进而建立我国现代先进的真空计量技术体系奠定基础。

真空计动态响应特性实验研究

在工业应用中,为精确监测生产过程,真空计在极短的时间内(1 s或更短)对压力的快速变化做出响应的能力是至关重要的。采用兰州空间技术物理研究所自主研发的快速动态真空校准装置,研究了四种电容薄膜真空计和一种皮拉尼真空计的动态响应特性。分析了真空计动态真空校准过程中的标准压力建立时间、时间常数和响应时间等参数。并验证了该装置的校准能力。研究结果表明,不同的真空计在毫秒量级上跟踪压力变化的能力有明显差别。研究为真空计实现通常使用条件下的动态真空溯源奠定了基础。

贝塞尔盒能量分析器规计量特性研究

对贝塞尔盒能量分析器规灵敏度、稳定性、抽速、放气率及电子激励脱附（ESD）效应等计量特性进行研究。实验结果表明,N2、Ar、He对应的灵敏度分别为2.47×10-2,3.27×10-2,5.13×10-3Pa-1,且在10-9-10-3Pa范围内,表现出良好的线性;其短期稳定性及长期稳定性测试中,灵敏度表现出较好的一致性;抽速为10-5~10-4m3/s量级;放气率为8.1×10-11Pa·m3/s,降低了电离规自身出气对测量结果的影响,能够满足极高、超高真空测量的需要;ESD效应的研究表明,贝塞尔盒能量分析器能够有效地实现气相离子与ESD离子的分离,两种离子经加速后能量差约为40 eV。贝塞尔盒能量分析器规可以实现极高真空的精确测量。

真空测试计量技术及其航天应用

真空测试计量技术是确保载人航天、探月工程、北斗导航等重大航天工程顺利实施的重要基础。围绕计量发展和航天发展建设对真空测试计量提出的新任务、新要求,真空测试计量发展在深度、广度及维度上表现出强劲的态势。近年来,围绕国家重大战略需求,瞄准真空测试计量技术核心科学问题,开展了面向航天应用的真空测试计量原始创新研究,实现了由真空中性气体测试计量向空间电推进真空等离子体测试、卫星充放电真空模拟测试、真空环境下空间计量等交叉领域的拓展,并在月球样品采样、飞船交会对接、空间守时原子钟研制、卫星平台升级换代、卫星安全防护等应用中发挥了至关重要的作用。

量子真空标准研究进展

2018年,国际计量局将对国际单位制7个基本量进行重新定义或重述。基于光学方法的真空计量新方法、新概念进一步发展,促进真空计量标准向量子化迈进,对真空基本量复现以及今后真空国际单位制的重新定义(由压力的SI单位帕斯卡(Pa)向气体密度单位(mol/m^3或分子个数/m^3,变化)具有重要意义。与传统计量技术相比,利用光学方法所建立的量子真空计量标准具有不需要自校、溯源链零长度、响应快、准确度高、可在多个地点及不同时间复现等优点,为真正意义上的绝对原级标准。本文介绍了美国国家标准与技术研究院(NIST)、德国联邦物理技术研究院(PTB)及瑞典国家测试和检定研究院(SNTRI)等机构开展的基于折射率、吸收光谱、冷原子3种光学方法的新一代量子真空计量标准研究进展,对原理、关键技术及难度挑战进行了阐述和分析。

毫秒量级快速动态真空校准稀薄气体非定常流动研究

对毫秒量级快速动态真空标准压力建立过程进行分析,获得了经实际气体特性和温度变化修正的动态真空标准压力理论模型,分析表明:上游室压力呈指数规律衰减,快速开合超高真空插板阀打开时间和限流小孔流导值是决定标准压力建立时间的关键因素。此外,在阻塞流态下,对气体膨胀过程进行数值模拟,并做了实验验证。结果表明:上游室压力均匀变化,意味着被校真空计安装位置不会影响校准结果;上游室温度下降呈现出较大梯度,实验测量时应将热电偶尽量布置在上游室中心位置;理论和模拟压力与实测压力最大不确定度分别为10%和4.65%,表明该校准系统能够在毫秒量级的时间内产生可以预测的压力变化;实际气体特性修正因子值为1,可忽略其对标准压力建立的影响;限流小孔流导最大和最小值相差0.8,证明了推导标准压力模型时假设小孔流导为定值的合理性。

基于静态膨胀法的极小漏率校准方法研究

提出了一种基于静态膨胀法的极小漏率校准方法。该方法通过测量被校漏率离子流上升率及四极质谱计校准系数实现校准。实验发现,10-10Pa·m3/s量级极小漏率的离子流上升率重复性良好;采用混合气体二级膨胀能有效降低复杂膨胀过程对四极质谱计校准系数重复性引入的测量不确定度。通过对一支10-10Pa·m3/s真空漏孔的校准实验,证明基于静态膨胀法的极小漏率校准方法有效可行。当进一步减小校准室容积时,该方法能够实现10-13Pa·m3/s量级极小漏率的校准。

小型电容薄膜真空规的设计

商用电容薄膜真空规存在体积大、重量重等问题,无法满足深空探测中真空测量需求,因此设计了一种小型电容薄膜真空规。设计中采用倒T型结构固定极板和防热变形结构,防止测量过程中温度变化导致的规管部件热变形;采用面积相同的双电极结构,消除测量过程中外界杂散电容和温度变化引起的测量信号偏差。小型电容薄膜真空规整体尺寸为Φ42×24 mm,重量小于200 g,测量下限为10-2Pa,测量不确定度预计小于5%,能适应较宽的工作温度范围,可以满足深空探测需求。

碳纳米管阴极电离真空计研制及其性能研究

碳纳米管阴极电离真空计在超高/极高真空测量中具有广阔应用前景,基于碳纳米管阴极研制了测量范围10-9~10-4Pa的电离真空计,真空规管包括了碳纳米管阴极、门极、阳极、反射极和收集极,电路控制系统由高压电源、微弱离子流测量和控制电路组成。实验研究结果表明,不锈钢衬底上直接生长制备的碳纳米管阴极性能良好,开启场强和阈值场强分别为1.9 V/μm和3.9 V/μm,当阳极电流为42μA时,碳纳米管阴极电离真空计本底干扰可降低到1.81×10-9Pa。

基于CC1110的无线楼宇温度采集系统

介绍了一种基于CC1110无线低功耗单片机的楼宇温度采集系统。该系统主要由无线温度采集器、无线数据收集器以及ARM运算存储器组成。无线温度采集器定时采集温度和电源状态;无线数据收集器接收所属网络中无线温度采集器的数据;ARM运算存储器对多个无线数据收集器接收的数据进行读取、运算和存储。整个系统具有功耗低、通信协议简单、数据精度高及传输可靠的特点。

真空全压力测量新技术

真空测量是真空科学与技术的重要组成部分,在航空航天、半导体、核工业、加速器、新材料等领域具有重要应用价值。经过几个世纪的发展,从宏观力学效应到量子效应,真空测量原理不断创新发展。从大气压到极高真空范围,不同真空测量仪器分别覆盖了不同量程段的测量要求。较完整地梳理了真空测量原理的发展历程,并依据近年来高端真空装备快速发展对真空全压力测量的新需求,厘清了真空测量仪器逐步向高精度、微型化和智能化发展的趋势,综述了近十余年来真空全压力测量技术与仪器的发展现状,展望了真空全压力测量新技术的未来发展前景。

10^(-9)~10^(-1)Pa宽量程电离真空计研制与性能研究

热阴极电离真空计的压力测量范围可覆盖超高真空、高真空和中低真空,该真空计广泛应用于各类真空装备。依据电离真空计工作原理,对电离真空计的本底干扰离子流I_(r)^(+)进行了理论分析,讨论了气体分子热脱附、软X射线效应、ESD效应等多个因素对I_(r)^(+)的影响,优化了规管尺寸和制备工艺,研制了真空规管,将本底干扰降低到2×10^(-9)Pa以下,并研制了配套的电控单元,使微弱离子流测量下限达到0.1 pA量级。该宽量程电离真空计产品的实测范围达到1.26×10^(-9)~6.02×10^(-1)Pa,灵敏度波动小于±11%。

低压力下复杂结构真空容器容积比的测量方法研究

真空容器容积比的测量方法通常有称重法和静态膨胀法。目前,复杂结构真空容器容积比主要是在较高的压力下通过气体静态膨胀进行测量。但当膨胀压力低于10^(-2)Pa时,真空容器器壁的放气会对容积比的测量带来很大的影响。为了确保在膨胀前后气体量不改变,即减小在低压力下真空容器的放气对测量的影响,提出了利用非蒸散性吸气泵选择性抽气的特性,结合静态膨胀法利用惰性气体氩气(Ar)、氦气(He)来测量真空容器的容积比。