一种基于第一性原理反演真空度的测量系统及方法与流程

1.本技术涉及真空计量技术领域，具体而言，涉及一种基于第一性原理反演真空度的测量系统及方法。


背景技术：

2.第26届国际计量大会决定对国际单位制重新定义，世界进入计量量子化时代。在超高/极高真空领域，目前主要是利用基于中性气体电离原理的电离真空计测量真空度，但为了满足应用需求，在实际使用过程中需要在动态流量法标准装置等设备上进行校准，而且，电离真空计在测量超高/极高真空时自身因存在高温灯丝辐射、吸放气、催化化学反应等物理化学过程而改变被测环境，具体表现为：电离真空计直接测量超高极高真空时，测量不确定度通常u≥20％(k＝2)，且有效测量下限只能达到10-10
pa，无法满足10-10
pa以下的极高真空测量需求；电离真空计属于相对真空计，为了满足精度要求，使用前需要在动态流量法超高极高真空标准装置上对其进行校准，但校准下限只能达到3
×
10-9
pa，且主要适用于利用n2进行校准，因此，实际测量的结果为等效n2的结果。
3.而与电离真空计相比，基于第一性原理利用囚禁态原子在磁势垒中测量超高/极高真空度的方法是从碰撞散射截面等物质的微观本征物理性质出发反演真空度，测量不确定度最小，不需要校准，是量子水平的超高极高真空计量方法。


技术实现要素：

4.本技术提供了一种基于第一性原理反演真空度的测量系统及方法，不受气体种类限制，不受测量下限制约，不需要校准，能够实现超高极高真空的精确测量。
5.为了实现上述目的，本技术提供了一种基于第一性原理反演真空度的测量系统，包括高纯气瓶、稳压室、真空度测试室、电离真空计、非蒸散型吸气剂泵、磁悬浮涡轮分子泵以及干泵，其中：高纯气瓶用于储存测试气体，通过第一金属截止阀与稳压室连接；稳压室用于维持测试气体的压力，通过金属调节阀与真空度测试室连接；电离真空计与真空度测试室连接，用于测量真空度测试室内的真空度；磁悬浮涡轮分子泵通过第一插板阀与真空度测试室连接；非蒸散型吸气剂泵通过第二插板阀与真空度测试室连接；干泵通过第二金属截止阀与磁悬浮涡轮分子泵连接。
6.进一步的，稳压室上连接有电容薄膜真空计。
7.进一步的，金属调节阀为分子流导可控金属调节阀。
8.进一步的，真空度测试室设置在上反赫姆霍兹线圈和下反赫姆霍兹线圈之间，通过三维磁光阱技术对原子进行囚禁。
9.进一步的，还包括光电倍增管，光电倍增管用于测量真空度测试室内囚禁态原子的损失率。
10.此外，本技术还提供了一种应用基于第一性原理反演真空度的测量系统的方法，包括如下步骤：步骤1：关闭第一金属截止阀，金属调节阀的分子流导调节为最大，打开干
泵、第二金属截止阀、磁悬浮涡轮分子泵和第一插板阀，对真空度测试室进行抽真空；当电离真空计测量的真空度测试室内部的真空度达到10-3
pa时，对真空度测试室进行150℃
×
7天的加热；加热完毕后将真空度测试室降至常温，然后打开第二插板阀，开启非蒸散型吸气剂泵对真空度测试室进行抽真空；步骤2：当真空度测试室达到极限真空后，关闭第二插板阀，打开第一金属截止阀，将高纯气瓶中的测试气体引入稳压室中，通过电容薄膜真空计测量稳压室内的真空度，使稳压室内的真空度维持在104pa量级；调节金属调节阀的流导，将稳压室内中的测试气体引入真空度测试室内，达到动态平衡后真空度测试室内的真空度维持在10-7
pa量级；步骤3：利用标准的三维磁光阱技术将囚禁态原子冷却囚禁在真空度测试室内，其中囚禁磁场通过在上反赫姆霍兹线圈和下反赫姆霍兹线圈中通入大小相等而方向相反的电流产生，磁场梯度为10g/cm；步骤4：关闭三维磁光阱系统中的激光，只利用上反赫姆霍兹线圈和下反赫姆霍兹线圈囚禁真空度测试室内的囚禁态原子，然后对反赫姆霍兹线圈施加射频磁场，调控射频磁场的频率f，改变真空度测试室内囚禁态原子的能量e；步骤5：利用光电倍增管和电离真空计测量并计算物理量并对测试结果曲线进行数值拟合；根据拟合公式获取囚禁态原子-中性气体速度平均碰撞总截面《σ
tot
,v》的值和电离真空计读数p'i的校准因子ig；步骤6：根据公式计算得到量子散射能量ud的值以及囚禁态原子-中性气体速度平均碰撞损失截面《σ
loss
(e),v》的值，然后通过调节金属调节阀的分子流导，在真空度测试室内产生10-6-10-10
pa超高/极高真空范围的测试气体，并通过光电倍增管测量每个真空度点下的碰撞损失率γ
loss
(e)，最终根据公式可以计算得到基于囚禁态原子碰撞损失第一性原理反演的真空度pi的值。
11.进一步的，步骤4中，囚禁态原子的能量e与调控射频磁场的频率f之间的关系为：e＝hf，其中，h为普朗克常数。
12.进一步的，步骤6中，量子散射能量ud的值通过如下公式计算：
[0013][0014]
式中：m
t
为囚禁的囚禁态原子质量，为温度t时质量为m的气体分子的最可几运动速率，kb为玻尔兹曼常数。
[0015]
进一步的，步骤6中，囚禁态原子-中性气体速度平均碰撞损失截面《σ
loss
(e),v》的值通过如下公式计算：
[0016][0017]
式中：e为囚禁态原子的能量，f
min
为射频磁场的最小频率，i0为克服重力对原子囚禁影响所需的最小电流，i为施加于射频磁场线圈中的电流，t为气体温度。
[0018]
进一步的，步骤6中，真空度pi的值通过如下公式计算：
[0019][0020]
本发明提供的一种基于第一性原理反演真空度的测量系统及方法，具有以下有益效果：
[0021]
本技术利用基于第一性原理在磁势垒中反演真空度的方法不受气体种类限制，可利用不同气体进行测试，进而实现电离真空计针对不同气体相对灵敏度的校准，测量下限可延伸至10-10
pa以下，并且由于第一性原理本质是基于中性气体-囚禁态原子的本征物性参数，因此本技术测量的不确定度最小。
附图说明
[0022]
构成本技术的一部分的附图用来提供对本技术的进一步理解，使得本技术的其它特征、目的和优点变得更明显。本技术的示意性实施例附图及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
[0023]
图1是根据本技术实施例提供的基于第一性原理反演真空度的测量系统的示意图；
[0024]
图中：1-高纯气瓶、2-第一金属截止阀、3-电容薄膜真空计、4-稳压室、5-金属调节阀、6-上反赫姆霍兹线圈、7-囚禁态原子、8-真空度测试室、9-第一插板阀、10-电离真空计、11-第二插板阀、12-非蒸散型吸气剂泵、13-下反赫姆霍兹线圈；14-磁悬浮涡轮分子泵、15-第二金属截止阀、16-干泵。
具体实施方式
[0025]
为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本技术保护的范围。
[0026]
需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0027]
在本技术中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本技术及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
[0028]
并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本技术中的具体含义。
[0029]
另外，术语“多个”的含义应为两个以及两个以上。
[0030]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
[0031]
如图1所示，本技术提供了一种基于第一性原理反演真空度的测量系统，包括高纯气瓶1、稳压室4、真空度测试室8、电离真空计10、非蒸散型吸气剂泵12、磁悬浮涡轮分子泵14以及干泵16，其中：高纯气瓶1用于储存测试气体，通过第一金属截止阀2与稳压室4连接；稳压室4用于维持测试气体的压力，通过金属调节阀5与真空度测试室8连接；电离真空计10与真空度测试室8连接，用于测量真空度测试室8内的真空度；磁悬浮涡轮分子泵14通过第一插板阀9与真空度测试室8连接；非蒸散型吸气剂泵12通过第二插板阀11与真空度测试室8连接；干泵16通过第二金属截止阀15与磁悬浮涡轮分子泵14连接。
[0032]
具体的，本技术实施例提供的基于第一性原理反演真空度的测量系统通过构建囚禁态原子-中性气体碰撞体系的损失率系数《σ
loss
(e),v》与速度平均碰撞截面《σ
tot
,v》之间满足的理论模型，以精确调控磁势垒中原子能量的方式并结合数值拟合实验测量囚禁态原子-中性气体速度平均碰撞截面《σ
tot
,v》，进而精确获得囚禁态原子-中性气体碰撞损失率系数《σ
loss
(e),v》，最后实现基于量子第一性原理的超高/极高真空精确测量，为建立新一代基于囚禁态原子7碰撞损失特性超高/极高真空量子计量标准装置奠定了理论基础。其中，高纯气瓶1主要用于储存测试气体；第一金属截止阀2主要用于控制高纯气瓶1与稳压室4之间气路的通断；稳压室4主要用于维持测试气体的压力，保证气体真空度的稳定性；金属调节阀5主要用于控制稳压室4与真空度测试室8之间气路的通断，并且金属调节阀5能够控制测试气体分子的流导；真空度测试室8主要用于通过标准的三维磁光阱技术将囚禁态原
子7进行冷却囚禁，后续囚禁态原子7与进入的测试气体进行碰撞，根据碰撞损失第一性原理可以反演其真空度；第一插板阀9主要用于控制真空度测试室8与磁悬浮涡轮分子泵14之间气路的通断；第二金属截止阀15主要用于控制干泵16与磁悬浮涡轮分子泵14之间气路的通断；第二插板阀11主要用于控制真空度测试室8与非蒸散型吸气剂泵12之间气路的通断；磁悬浮涡轮分子泵14、干泵16以及非蒸散型吸气剂泵12均用于真空度测试室8的抽真空，其中，两个磁悬浮涡轮分子泵14串联为了提高h2的压缩比，从而获得更好的真空度，而非蒸散性吸气剂泵12是高真空泵，对h2等活性气体有很强的抽气能力，三者组合可以在测试室8获得10-10
pa量级的极高真空；电离真空计10主要用于测量真空度测试室8内的真空度。
[0033]
进一步的，稳压室4上连接有电容薄膜真空计3。电容薄膜真空计3主要用于测量稳压室4内的真空度，电容薄膜真空计自身没有吸放气特性，测量精度很高，可到达读数的0.025％，工作时，测试气体进入稳压室4内，稳压室4内的真空度维持在104pa。
[0034]
进一步的，金属调节阀5为分子流导可控金属调节阀，主要用于调节控制进入真空度测试室8中的气体压力。
[0035]
进一步的，真空度测试室8设置在上反赫姆霍兹线圈6和下反赫姆霍兹线圈13之间，通过三维磁光阱技术对原子进行囚禁。真空度测试室8本身内部先通过三维磁光阱系统(三对激光和一对磁场线圈)囚禁了原子，关闭激光后，只通过上反赫姆霍兹线圈6和下反赫姆霍兹线圈13产生的磁场，就可以对原子进行囚禁。
[0036]
进一步的，还包括光电倍增管，光电倍增管用于测量真空度测试室8内囚禁态原子7的损失率。
[0037]
此外，本技术实施例还提供了一种应用基于第一性原理反演真空度的测量系统的方法，包括如下步骤：
[0038]
步骤1：关闭第一金属截止阀2，金属调节阀5的分子流导调节为最大，打开干泵16、第二金属截止阀15、磁悬浮涡轮分子泵14和第一插板阀9，对真空度测试室8进行抽真空；当电离真空计10测量的真空度测试室8内部的真空度达到10-3
pa时，对真空度测试室8进行150℃
×
7天的加热，除去真空度测试室8内部的水蒸气；加热完毕后将真空度测试室8降至常温，然后打开第二插板阀11，开启非蒸散型吸气剂泵12对真空度测试室8进行抽真空；
[0039]
步骤2：当真空度测试室8达到极限真空后，关闭第二插板阀11，打开第一金属截止阀2，将高纯气瓶1中的测试气体引入稳压室4中，通过电容薄膜真空计3测量稳压室4内的真空度，使稳压室4内的真空度维持在104pa量级；调节金属调节阀5的流导，将稳压室4内中的测试气体引入真空度测试室8内，达到动态平衡后真空度测试室8内的真空度维持在10-7
pa量级；
[0040]
步骤3：利用标准的三维磁光阱技术将囚禁态原子7冷却囚禁在真空度测试室8内，其中，囚禁态原子一般为碱金属原子，囚禁磁场通过在上反赫姆霍兹线圈6和下反赫姆霍兹线圈13中通入大小相等而方向相反的电流产生，磁场梯度为10g/cm；
[0041]
步骤4：关闭三维磁光阱系统中的激光，只利用上反赫姆霍兹线圈6和下反赫姆霍兹线圈13囚禁真空度测试室8内的囚禁态原子7，然后对反赫姆霍兹线圈施加射频磁场，调控射频磁场的频率f，改变真空度测试室8内囚禁态原子7的能量e，其中，e＝hf，h为普朗克常数；
[0042]
步骤5：利用光电倍增管和电离真空计10测量并计算物理量并对测试结果曲线进行数值拟合；根据拟合公式获取囚禁态原子-中性气体速度平均碰撞总截面《σ
tot
,v》的值和电离真空计10读数p'i的校准因子ig；
[0043]
其中，不同原子能量e对应的囚禁态原子-中性气体碰撞损失率γ
loss
(e)与不同能量e对应的囚禁态原子-中性气体体系碰撞损失率《σ
loss
(e),v》之间的关系为γ
loss
(e)＝ni《σ
loss
(e),v》，ni为中性气体分子密度。因此，如果保持真空测试室中的气体分子密度ni(即气体真空度pi)不变，则碰撞损失率γ
loss
(e)与碰撞损失率系数《σ
loss
(e),v》的比值之间满足以下关系：
[0044][0045]
根据该等式和等式γ
loss
(e)＝ni《σ
loss
(e),v》可以得到：
[0046][0047]
步骤6：根据如下公式计算得到量子散射能量ud的值：
[0048][0049]
式中：m
t
为囚禁的囚禁态原子7质量，为温度t时质量为m的气体分子的最可几运动速率，kb为玻尔兹曼常数；
[0050]
根据如下公式计算囚禁态原子-中性气体速度平均碰撞损失截面《σ
loss
(e),v》的值：
[0051][0052]
式中：e为囚禁态原子7的能量，f
min
为射频磁场的最小频率，i0为克服重力对原子囚禁影响所需的最小电流，i为施加于射频磁场线圈中的电流，t为气体温度；
[0053]
由于《σ
loss
(e),v》和ud与真空度无关的物理常数，因此，对于某种待测试测试气体，在已知《σ
loss
(e),v》时，就可以通过调节金属调节阀5的分子流导，在真空度测试室8内产生10-6-10-10
pa超高/极高真空范围的测试气体，并通过光电倍增管测量每个真空度点下的碰撞损失率γ
loss
(e)，最终根据如下公式可以计算得到基于囚禁态原子7碰撞损失第一性原理反演的真空度pi的值：
[0054][0055]
而利用磁势垒中囚禁态原子7测量的真空度pi可校准修正真空测试室连接的电离真空计的读数p'i，即p'i＝igpi＝ignikbt，式中ig为电离真空计10的校准因子。
[0056]
更具体的，本技术实施例中所描述的第一性原理主要是指对于冷原子-气体分子这一碰撞体系，我们从微观粒子的本征量子特性出发，不借助任何经验参数，仅仅以量子力学理论为基础来解析核心参数《σ
loss
(e),v》，不受气体种类限制，可利用不同气体进行测试，进而实现电离真空计针对不同气体相对灵敏度的校准，测量下限可延伸至10-10
pa以下。
[0057]
以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于第一性原理反演真空度的测量系统，其特征在于，包括高纯气瓶、稳压室、真空度测试室、电离真空计、非蒸散型吸气剂泵、磁悬浮涡轮分子泵以及干泵，其中：所述高纯气瓶用于储存测试气体，通过第一金属截止阀与所述稳压室连接；所述稳压室用于维持测试气体的压力，通过金属调节阀与所述真空度测试室连接；所述电离真空计与所述真空度测试室连接，用于测量所述真空度测试室内的真空度；所述磁悬浮涡轮分子泵通过第一插板阀与所述真空度测试室连接；所述非蒸散型吸气剂泵通过第二插板阀与所述真空度测试室连接；所述干泵通过第二金属截止阀与所述磁悬浮涡轮分子泵连接。2.根据权利要求1所述的基于第一性原理反演真空度的测量系统，其特征在于，所述稳压室上连接有电容薄膜真空计。3.根据权利要求1所述的基于第一性原理反演真空度的测量系统，其特征在于，所述金属调节阀为分子流导可控金属调节阀。4.根据权利要求1所述的基于第一性原理反演真空度的测量系统，其特征在于，所述真空度测试室设置在上反赫姆霍兹线圈和下反赫姆霍兹线圈之间，通过三维磁光阱技术对原子进行囚禁。5.根据权利要求4所述的基于第一性原理反演真空度的测量系统，其特征在于，还包括光电倍增管，所述光电倍增管用于测量所述真空度测试室内囚禁态原子的损失率。6.一种应用权利要求1-5任一项所述的基于第一性原理反演真空度的测量系统的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：关闭第一金属截止阀，金属调节阀的分子流导调节为最大，打开干泵、第二金属截止阀、磁悬浮涡轮分子泵和第一插板阀，对真空度测试室进行抽真空；当电离真空计测量的真空度测试室内部的真空度达到10-3
pa时，对真空度测试室进行150℃
×
7天的加热；加热完毕后将真空度测试室降至常温，然后打开第二插板阀，开启非蒸散型吸气剂泵对真空度测试室进行抽真空；步骤2：当真空度测试室达到极限真空后，关闭第二插板阀，打开第一金属截止阀，将高纯气瓶中的测试气体引入稳压室中，通过电容薄膜真空计测量稳压室内的真空度，使稳压室内的真空度维持在104pa量级；调节金属调节阀的流导，将稳压室内中的测试气体引入真空度测试室内，达到动态平衡后真空度测试室内的真空度维持在10-7
pa量级；步骤3：利用标准的三维磁光阱技术将囚禁态原子冷却囚禁在真空度测试室内，其中囚禁磁场通过在上反赫姆霍兹线圈和下反赫姆霍兹线圈中通入大小相等而方向相反的电流产生，磁场梯度为10g/cm；步骤4：关闭三维磁光阱系统中的激光，只利用上反赫姆霍兹线圈和下反赫姆霍兹线圈囚禁真空度测试室内的囚禁态原子，然后对反赫姆霍兹线圈施加射频磁场，调控射频磁场的频率f，改变真空度测试室内囚禁态原子的能量e；步骤5：利用光电倍增管和电离真空计测量并计算物理量并对测试结果曲线进行数值拟合；根据拟合公式获取囚禁态原子-中性气体速度平均碰撞
总截面<σ
tot
,v>的值和电离真空计读数p'
i
的校准因子i
g
；步骤6：根据公式计算得到量子散射能量u
d
的值以及囚禁态原子-中性气体速度平均碰撞损失截面<σ
loss
(e),v>的值，然后通过调节金属调节阀的分子流导，在真空度测试室内产生10-6-10-10
pa超高/极高真空范围的测试气体，并通过光电倍增管测量每个真空度点下的碰撞损失率γ
loss
(e)，最终根据公式可以计算得到基于囚禁态原子碰撞损失第一性原理反演的真空度p
i
的值。7.根据权利要求6所述的应用基于第一性原理反演真空度的测量系统的方法，其特征在于，步骤4中，囚禁态原子的能量e与调控射频磁场的频率f之间的关系为：e＝hf，其中，h为普朗克常数。8.根据权利要求7所述的应用基于第一性原理反演真空度的测量系统的方法，其特征在于，步骤6中，量子散射能量u
d
的值通过如下公式计算：式中：m
t
为囚禁的囚禁态原子质量，为温度t时质量为m的气体分子的最可几运动速率，k
b
为玻尔兹曼常数。9.根据权利要求8所述的应用基于第一性原理反演真空度的测量系统的方法，其特征在于，步骤6中，囚禁态原子-中性气体速度平均碰撞损失截面<σ
loss
(e),v>的值通过如下公式计算：式中：e为囚禁态原子的能量，f
min
为射频磁场的最小频率，i0为克服重力对原子囚禁影响所需的最小电流，i为施加于射频磁场线圈中的电流，t为气体温度。10.根据权利要求9所述的应用基于第一性原理反演真空度的测量系统的方法，其特征在于，步骤6中，真空度p
i
的值通过如下公式计算：

技术总结
本申请涉及真空计量技术领域，具体而言，涉及一种基于第一性原理反演真空度的测量系统及方法，所述系统包括高纯气瓶、稳压室、真空度测试室、电离真空计、非蒸散型吸气剂泵、磁悬浮涡轮分子泵以及干泵，其中：高纯气瓶通过第一金属截止阀与稳压室连接；稳压室通过金属调节阀与真空度测试室连接；电离真空计与真空度测试室连接；磁悬浮涡轮分子泵通过第一插板阀与真空度测试室连接；非蒸散型吸气剂泵通过第二插板阀与真空度测试室连接；干泵通过第二金属截止阀与磁悬浮涡轮分子泵连接。本申请利用基于第一性原理在磁势垒中反演真空度的方法不受气体种类限制，可利用不同气体进行测试，进而实现电离真空计针对不同气体相对灵敏度的校准。的校准。的校准。


技术研发人员：成永军 董猛 孙雯君 吴翔民 李彦朋
受保护的技术使用者：兰州空间技术物理研究所
技术研发日：2023.05.31
技术公布日：2023/8/31