基于光学干涉法的快速动态真空校准方法研究

The technique for dynamic calibration of vacuum ensures the accuracy of vacuum measurement under the circumstance in which exist fast variations of pressure. At present, the uncertainty of dynamic calibration of vacuum gauge is so high (up to 50%) that could not meet practical requirements. In this project, a method of fast dynamic vacuum calibration based on homodyne Michelson interferometer is proposed. Several studies will be carried out experimentally and theoretically, such as the generation of standard pressure during time of the order of million second, theoretical models of standard pressure measurement by homodyne Michelson interferometer, temperature compensation for dynamic vacuum calibration. With the effort, the uncertainty of dynamic calibration of vacuum gauge is hopeful to be reduced effectively (less than 20%). It will lay the foundations of quantity traceability of dynamic vacuum.

动态真空校准技术可确保压力瞬态阶跃变化环境下真空度的精确测量。目前，动态真空校准的测量不确定度大（高达50%），难以满足实际应用需求。本项目提出了基于零差迈克尔逊干涉仪的快速动态真空校准方法，通过ms量级动态真空标准压力产生、零差迈克尔逊光学干涉仪测量标准压力理论参数模型构建、动态真空校准温度补偿等基础理论及方法研究，有望减小动态真空校准标准压力的测量不确定度（小于20%），为动态真空量值溯源奠定基础。

现有真空计量技术体系中所建立的各类真空计量基/标准其校准过程全部是在环境条件稳定的实验室内基于静态平衡或气体微流量动态平衡条件下完成的，对于实际真空测量环境中压力表现出的快速动态变化（1s内真空度变化可达1000倍），难以实现真空计的精确动态校准且无法对其快速响应特性予以评价，“静标动用”带来的问题亟待解决。本项目创新性地提出了基于光学干涉法的快速动态真空校准方法，并取得了如下突破：（1）采用打开时间为4.6ms的快开阀与不同几何尺寸限流元件建立了1.73ms～40.54ms即可实现由10E5 Pa衰减至其1/e倍的ms量级瞬态变化的动态真空标准压力；（2）采用Lorentz-Lorenz公式构建迈克尔逊光学干涉仪测量折射率并反演动态变化真空度的理论参数模型；（3）研制了25μm、13μm两种T型（铜-康铜）快速响应热电偶，采用傅里叶积分直接求解热电偶的能量平衡方程原理实现了温度快速测量的动态补偿。（4）在上述理论研究的指导下，建立的基于光学干涉法的快速动态真空校准实验平台，动态真空校准范围为10E2Pa～10E5Pa，合成标准不确定度8.9%，为提高我国动态真空量值溯源及传递能力提供了基础。. 在本项目开展过程中，研究团队发表SCI论文4篇，核心期刊3篇，授权国家发明专利2项，部分研究成果已应用于低温容器真空寿命测试系统、计量级电容薄膜真空计自主可控研制、高速飞行器飞行验证等领域。后续将进一步推广应用于工业生产中CD/DVD金属喷镀、等离子体增强化学气相沉积（PECVD）、真空镀膜等工艺中。