本文介绍了如何构建一种用于旋转转子规的可靠弹簧运输机构。该装置可牢固固定转子，并在运输过程中使其保持在真空状态。我们还描述了可最大限度降低运输过程中损坏风险的包装方法。测试结果表明，我们的设计能够有效应对运输过程中常见的冲击。
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本文内容
摘要
摘要
旋转转子真空计（SRG）是一种高真空规，常作为次级标准或传递标准，用于测量 1.0 × 10-4 Pa 至 1.0 Pa 范围内的真空压力。在此类应用中，SRG 经常被运送至实验室进行校准。在运输过程中可能发生影响转子表面状态的事件，从而改变其校准因子。为确保校准的稳定性，通常采用弹簧运输机构来固定转子，并在运输期间使其保持在真空环境中。同时，使用专为降低运输损坏风险而设计的包装来运输弹簧运输机构也至关重要。本文详细描述了如何构建一个坚固的弹簧运输机构及运输容器。二者共同构成一个弹簧运输包装。该弹簧运输包装设计已通过跌落测试验证，性能表现优异。当前的弹簧运输机构设计可在承受数百 g 冲击（g = 9.8 m/sec2，即重力加速度）时仍保持转子固定不动，而运输容器则确保在常见的运输意外（按行业标准定义）中，该机构所受冲击不会超过约 100 g。
引言
旋转转子真空计（SRG）是一种用于测定1.0 × 10-4 Pa至1.0 Pa范围内真空压力的高真空测量装置。其核心结构是一个被悬浮在两个永磁体之间的旋转钢球。通过电磁线圈驱动钢球旋转，即"加速旋转"至某一频率（通常为410 Hz）；随后让钢球自由旋转，但由于真空系统中气体分子与钢球表面发生碰撞，其转速会随时间逐渐降低。因此，真空压力与钢球（即转子）的减速速率相关。图1展示了SRG的主要组成部分：转子、套筒、带连接电缆的探头以及电子控制器。在运行过程中，转子（或称钢球）被密封在套筒内部，通常用户不会直接接触或看到转子。套筒与真空系统相连。使用SRG时，将探头套在套筒上。探头内包含两个永磁体以及多组线圈，用于实现垂直和水平方向的稳定、驱动转子旋转以及检测转速。电子控制器接收来自检测线圈的信号，从而完成压力测量。对于表面条件理想的转子，其减速速率与真空压力之间遵循基本物理规律。为了利用SRG进行绝对压力测量，必须确定一个称为有效贴附系数的校准因子。该有效贴附系数取决于转子实际表面状况，如表面粗糙度、吸附气体和划痕等。这些因素在其使用过程中通常保持稳定。有关SRG的更多详细信息可参见其他文献资料。1-3
在需要绝对真空测量的应用中，SRG 被广泛使用。例如，校准实验室通常将 SRG 用作绝对真空标准。在此情况下，通过将高真空计的读数与 SRG 的....
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方案
1. 采购弹簧传动机构的非定制部件
- 准备弹簧、螺纹杆、间隔柱、螺母和垫圈。这些物品列在“特定材料/设备清单”中。在制造球形夹具之前，应先采购弹簧和间隔柱。所有材料应使用18-8不锈钢（除303外），或优选316不锈钢。
- 准备转子。转子为直径4.5 mm的滚珠轴承，由440C不锈钢或E52100合金钢制成。
- 准备“特定材料/设备清单”中所列的直角阀。
2. 准备运输容器所需材料
- 准备运输容器。使用旋转模塑成型的聚乙烯硬壳箱，且箱体带有保护性凹槽，因为此类容器已通过成功测试。材料清单中所列的容器符合最小内部空间要求。
- 准备泡沫包装材料。
- 准备2#（32 kg/m3）聚氨酯（聚酯型）泡沫。购买足量的聚酯泡沫，用于填充运输容器的顶部和底部。另购买一块5 cm厚的蛋格状聚酯泡沫。
- 准备2#（PE）聚乙烯泡沫，厚度为7.6 cm，面积需足够覆盖运输容器的宽度和深度。
3. 弹簧传动机构定制部件的采购与制作
注意：本节所述定制部件的示例图示见图2-4。
- 绘制旋转转子规（S....
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结果
商业SRG的所有组件如图1所示，包括转子、套筒、包含用于悬浮和信号拾取的永磁体与线圈的头部，以及电子控制器。图1c所示的小弹簧用于将钢球固定在套筒内；该固定弹簧不用于弹簧传输机构。弹簧传输机构中使用的是商用控制器和头部。可将商用套筒上的叉状部件取下用于弹簧传输机构，也可自行加工复制这些简单零件。转子可直接使用，也可根据材料清单选用其他类型的滚珠轴承。图2-4中的机械图纸提供了构建弹簧传输机构所需定制零件的关键尺寸。图4中的球夹具点焊在弹簧一端，弹簧的另一端则点焊在支撑柱上。除套筒外，组装弹簧传输机构所需的所有零件如图5所示。弹簧的压缩量至少应为2 mm，作者建议标称压缩量为3 mm。图6展示了用于判断弹簧是否被适当压缩的测量方法，具体将在实验步骤中讨论。
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讨论
设计目标是构建一种具有足够夹持力的弹簧运输机构，以确保转子在运输过程中保持固定不动。然而，仅设计一个坚固的弹簧运输机构并不足以保证转子始终固定，例如，若将该机构从较大高度掉落至坚硬表面，会产生巨大的冲击力。通过合理包装弹簧运输机构，使其在包装内部经过一定距离缓慢减速，可显著降低作用于转子的冲击力。物体在跌落过程中所受到的冲力称为冲击（shock），通常以重力加速度g的倍数来衡量。若物体从高度h处跌落，并在距离d内完成减速，则所受冲击为(h/d) × g。例如，若物体从1 m高处跌落，并在1 cm的距离内减速，则其受到的冲击为100 g。此例大致反映了在搬运过程中一个包装良好的物体可能遭遇的典型冲击水平。因此，弹簧运输机构的设计需确保转子在至少承受100 g冲击时仍能保持固定。这一目标并不难实现。我们采用了一个弹簧常数为3 N/mm的弹簧，在阀门完全关闭时被压缩了3 mm。转子的质量为0.37 g，钢珠保持架的质量为0.55 g，因此压缩后的弹簧可产生数百g的夹持力。根据弹簧长度.......
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披露
本文中提及的商用设备旨在增进理解，并不意味着美国国家标准与技术研究院的推荐或背书，也不意味着所提及的材料或设备一定是该用途下最佳的可用选择。作者无其他事项需要披露。
致谢
作者感谢美国国家标准与技术研究院（NIST）中子成像设施的仪器科学家 Daniel Hussey 博士在中子射线成像方面提供的帮助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 弹簧，3 N/m | Lee Spring (www.leespring.com) | LC 042C 18 S316 | 外径 0.240 英寸，线径 0.042 英寸，刚度 17.1 磅/英寸，自由长度 2.25 英寸，线圈数 29.3 |
| 8-32 螺纹杆，316 不锈钢 | McMaster-Carr (www.mcmaster.com) | 90575A260 | 316 型不锈钢全螺纹螺柱，8-32 螺纹，3" 长度。 按照方案中指定长度截取 |
| 圆柱形间隔柱，8-32 螺钉尺寸 | McMaster-Carr (www.mcmaster.com) | 91125A140 | 18-8 不锈钢内螺纹圆形间隔柱，1/4" 外径，1/4" 长度，8-32 螺钉尺寸 |
| 螺母，8-32 | McMaster-Carr (www.mcmaster.com) | 90205A309 | 316 不锈钢小尺寸六角螺母，8-32 螺纹尺寸，1/4" 宽度，3/32" 高度 |
| 分体式锁紧垫圈，316 不锈钢 | McMaster-Carr (www.mcmaster.com) | 92147A425 | 316 型不锈钢分体式锁紧垫圈，NO. 8 螺钉尺寸，0.3" 外径，最小厚度 0.04" |
| 钢制转子 | McMaster-Carr (www.mcmaster.com) | 9292K38 | 轴承级 E52100 合金钢，硬化钢球，直径 4.5 mm |
| 直角阀 | VAT Valve (www.vatvalve.com) | 54132-GE02-0001 | 易关闭全金属角阀，DN 40 (1.5") |
| 运输容器 | Allcases, Reekstin & Associates (www.allcases.com) | REAL1616-1205 | 锌制五金件配锌制把手，旋转模塑成型，轻质高抗冲聚乙烯箱体，带保护凹槽五金件。 15.75" × 15.88" × 16.45" |
| 聚酯泡沫 | Carry Cases Plus (www.carrycasesplus.com) | ES-PAD 3" 厚 | 3" 厚，2 磅炭黑色聚酯泡沫垫，24" × 27"。 |
| 聚酯泡沫 | Carry Cases Plus (www.carrycasesplus.com) | ES-PAD 1" 厚 | 1" 厚，2 磅炭黑色聚酯泡沫垫，24" × 27"。 |
| 蛋格状聚酯泡沫 | Carry Cases Plus (www.carrycasesplus.com) | ES-CONV | ES-CONV，2 磅，24" × 27" × 1 1/2"。 "蛋格" 聚酯泡沫。 |
| 泡沫切割件，PE 泡沫 | Willard Packaging Co. (www.willardpackaging.com) | 定制泡沫切割件。 | |
| 旋转转子真空计 | MKS Instruments (www.mks.com) | SRG-3 | 控制器、探头和套筒。 弹簧输送机构必须使用定制套筒 |
| 定制套筒 | MDC vacuum Inc. (www.mdcvacuum.com) | 需提交图纸以制造定制部件 | |
| 清洗剂 | Fisher Scientific Co (www.fischersci.com) | 04-320-4 | Sparkleen 1 清洗剂 |
| 丙酮 | Fisher Scientific Co (www.fischersci.com) | A18-S4 | 丙酮（符合 ACS 标准） |
| 乙醇 | Warner-Graham Company (www.warnergraham.com) | 190 proof USP | 190 Proof USP 乙醇 |
| 阀门用螺栓组 | Kurt J. Lesker (www.lesker.com) | TBS25028125P | B,N&W 套件，12 点，(25)1/4-28 × 1.25"，用于 2.75" 通孔，银镀层 |
| 银镀铜密封垫圈 | Kurt J. Lesker (www.lesker.com) | GA-0275LBNSP | |
| 弹簧组件（焊接） | Omley Industries, Inc. (www.omley.com) | N/A | 机械加工和焊接在 NIST 车间完成。然而，Omley Industries 也可作为弹簧组件焊接的替代选择。 |
参考文献
- Fremerey, J. K. The spinning rotor gauge. J. Vac. Sci. Technol. A. 3 (3), 1715-1720 (1985).
- Jousten, K. Chapter 13, Total Pressure Vacuum Gauges. Handbook of Vacuum Technology. Jousten, K. , Wiley-VCH. Weinheim. 573-583 (2008).
- Berg, R. F., Fedchak, J. A.
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重印与许可
