信号和本底一样大,还能不能测?
—— 一只 10⁻¹² Pa·m³/s 漏孔的验证实录,与一条方法论建议
备选标题(发布时可替换)
本底 1.7~1.8×10⁻¹¹ mbar·l/s,开阀后读数爬到 3.6~3.7。
也就是说,屏幕上至少有一半的读数,跟这只漏孔毫无关系。要把漏孔的真实贡献"减"出来,每一个环节都得克制。
这只漏孔,标称 1.65×10⁻¹² Pa·m³/s(He),即:
这篇文章记录它的完整验证过程——以及过程中必须说清楚的几条边界。
一先说清楚:1.65×10⁻¹² 是个什么概念
先把这个数字换成能想象的东西。在标准大气压下,漏率除以大气压,就是它每秒泄漏的氦气体积:
照这个速度,漏完 1 毫升氦气需要:
换句话说:从东汉开始漏,漏到今天,这只漏孔还没漏满 1 毫升氦气。
还有一件事:这台装置为什么必须是全 VCR
这么慢的一只漏孔,任何多余的泄漏源都是致命的。对照实测给过明确答案:一只 KF25 氟橡胶密封圈对大气的氦泄漏约 1×10⁻¹¹ mbar·l/s,即 1×10⁻¹² Pa·m³/s。
而本次被测漏孔是 1.65×10⁻¹² Pa·m³/s——两者几乎同一个量级,一只密封圈相当于给系统并联了 0.6 只被测漏孔。
直白地说:用 KF25 橡胶圈,测不了 10⁻¹² 量级。VCR 金属密封的贡献在 10⁻¹⁷ mbar·l/s 量级,低五个数量级——这才是"末值减本底"这个减法能够成立的前提。
放到本系列三只漏孔的刻度上,它处在中间一档。每往下一个量级,漏完同样的 1 毫升就要多花十倍时间:
| 量级 | 每秒泄漏(大气压下) | 漏完 1 mL 氦气 |
|---|---|---|
| 3.07×10⁻¹¹ Pa·m³/s | 3.0×10⁻¹⁰ mL/s | 约 105 年 |
| 1.65×10⁻¹² Pa·m³/s | 1.6×10⁻¹¹ mL/s | 约 2000 年 |
| 3.0×10⁻¹³ Pa·m³/s | 3.0×10⁻¹² mL/s | 约 一万年 |
量级越往下,漏孔越接近"不漏"。但真正难住测试的,不是漏率本身有多小,而是它和检漏仪本底的相对关系——这就引出下一节。
二难点只有一个:信号与本底同量级
测 10⁻¹⁰ mbar·l/s 量级时,信号盖过本底,读数直观可信。到了 10⁻¹¹ mbar·l/s 量级,信号与本底一样大,信噪比退化到:
- 检漏仪本底:1.7~1.8×10⁻¹¹ mbar·l/s(抽真空稳定一整晚后的水平)
- 漏孔贡献:与本底相当
这意味着读数的每一分波动——本底漂移、温度变化、泵组状态——都会直接进入做差结果。方法不对,测出来的数毫无意义。
三过程:慢慢爬,别催它
打开漏孔阀门后,读数用了约三分钟从 1.8 爬到 3.5、再向 3.6~3.7 靠拢——分子流平衡需要时间,这是物理规律,不是仪器慢。
减掉本底,净值落在 1.6~2.0×10⁻¹¹ mbar·l/s 区间:
标称值的落点判断很直白:
但区间就是区间。我们不会说"实测值 1.65,与标称完全一致"——在这个信噪比下,这种话说不出口。
四三条边界,一条都不能少
1. 这是验证,不是标定。
本底与信号同量级时,这套装置能回答的是"漏率是否在这个量级、是否与标称相符",不能给出带不确定度的定标值。视频里的原话是:"它不能代替标定的过程。"正式定标,以国家计量院系机构为准。
2. 回落必须给足时间。
关阀后,腔内氦分子浓度重新平衡是漫长过程。正确的做法是回落到中途即重开复测,而不是傻等归零。顺带说一句:市面上某些演示视频"一关滑门、读数立刻下降"——那是检漏仪软件在做优化,不是氦在回落。违背分子物理的读数曲线,不值得信任。
3. 测试窗口要短。
检漏仪本底自身在缓慢漂移。测得越久,你减掉的那个"本底"就越不是同一时刻的本底。控制在十分钟量级内结束,反而是更精确的选择。
五多走一步:这套方法能覆盖到哪里
测试结束时,我们把这套方法的适用边界正式写清楚:
比 10⁻¹¹ mbar·l/s 大一个量级(即 10⁻¹⁰ mbar·l/s 量级)的漏孔,用相对比较法可以得到稳定可靠的量值结果。
10⁻¹¹ mbar·l/s 大致是市面上商用氦质谱检漏仪的极限;在它上方的量级,用同一台仪器做相对比较,条件与精度都已具备。
相对比较法的原理并不复杂:已知漏孔作参考,被测件与之在同一台检漏仪上逐一比对,读数之差即量值之差。难点不在原理,而在把本底、密封和时间常数这三件事做扎实——这正是我们这套工装与流程要解决的问题。
条件具备,方法具备。这一量级的验证,对我们而言已经是常规工作。
必须说清的三条边界
- 验证 ≠ 标定:同量级信噪比下只作量级验证,不确定度定标以计量院为准;
- 回落要时间:分子浓度重新平衡漫长,"读数立刻下降"违背物理;
- 窗口要短:本底自身在漂移,十分钟量级内结束反而更精确。









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