差分抽氣零碎的設計根據及真空零碎配置
分子束質譜差分抽氣零碎設計的主導思維重要有兩上面:
(1)盡可能縮小取樣內中中氣體分子所遭逢的附加碰撞。
(2)最大限度地縮短從采樣孔到四極質譜間的間隔,以普及對痕量物種的綜合銳敏度。如上節所述,被綜合氣體經采樣孔、分流器及準直孔進入四極質譜計。把采樣孔與分流器之間的真空全體稱為1區(比較于束源室),將分流器與準直孔之間的海域稱為2區(比較于準直室),準直孔后四極質譜綜合器和探測器所在的真空全體稱為3區(比較于檢測室)。為了盡可能縮小取樣孔處氣體分子間的碰撞,采樣微孔應做出喇叭形,在取樣孔處的孔板薄厚應盡可能小(≤100μm)。采樣微孔的直徑通常在50～500μm之間,在于于氣體反響室的壓力及1區真空泵的抽速。采樣孔與分流器之間的間距應作適當取舍,過近則導致水渦而在1區造成附加碰撞,過遠則會升高分子束強度而招致綜合銳敏度升高。
在本設計中取分流器孔徑為1mm,采樣微孔至分流器間間隔為20mm。以N2為例,若室溫下分子熱靜止均勻自在程須大于20mm,則氣體壓力應小于3×10-1Pa,取此值作為1區的作業壓力。為了普及整套安裝對微量組分的檢測銳敏度,務必使3區(檢測室)有盡可能低的極限作業壓力,但同聲又要兼顧取樣門路不至因選用大抽速真空泵(大尺寸)而過長。渦輪分子泵存在抽速大、體積小、極限真空度低等長處,故變成分子束質譜安裝的首選泵型。
綜合思忖檢測真空度務求、泵抽速、口徑等成分后的三級差分抽氣零碎無關真空設計參數如表1所示。其余參數條件:氣體反響室壓力為13300Pa;采樣微孔直徑為0.3mm;采樣微孔至分流器間距為20mm;分流器孔直徑為110mm;采樣微孔至四極質譜引入孔間距為300mm。
表1 分子束質譜三級差分抽氣零碎的極限及作業真空設計指標
上面將按三個差分抽氣劃分別依上述要求探討渦輪分子泵的抽速選定及泵的配置。
一、1區(束源室)
試驗氣體經采樣微孔從氣體反響室(設計典型壓力值p0=13300Pa)進入1區,除極大批氣體經分流器進入2區外,絕大全體由本區的抽氣零碎抽走。按分子束氣體能源學實踐,經過采樣微孔流入1區的氣體流量可用式(1)劃算。
式中U是采樣微孔處Mach數M=1時的氣體光速;n是M=1時的氣體密度;A可相近取采樣微孔的截面積;a0,n0別離是氣源(氣體反響室)的音速和氣體密度,氣源音速a0=(γkT0m)1/2;γ=Cp/Cv是氣體克分子熱容比。
取N2作為試驗氣體,則γ=7/5,m=28。取氣源熱度T0=300K,采樣微孔直徑d0=0.3mm,劃算得F1=416×1019molecules/s或190Pa·L/s。以1區設計作業壓力3×10-1Pa作為1劃分子泵進口壓力,則1區配置抽速650L/s即可,但思忖渦輪分子泵在較高作業壓力下理論抽速可能上升及為進一步普及氣體反響室作業壓力留無余地,選用眼前國產最大抽速的1500L/s渦輪分子泵(FB1500型,北京迷信儀器研制核心打造)作為1區用真空泵,其前級采納30L/s抽速的電泵(2X230型,上海真空泵廠打造)。
羅茨水環真空機組、羅茨旋片真空機組
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