[发明专利]一种基于SPR传感装置的真空全压力测量方法

说明书

本发明公开了一种真空全压力测量方法，涉及真空全压力测量和SPR传感特性技术领域，所述方法以克劳休斯‑莫索缔方程为出发点，结合气态方程得出干空气的真空度P与相对介电常数ε_r之间的对应关系，并将此关系与SPR传感技术结合起来，得到一种真空全压力测量方法。该方法对真空环境影响小且能够实现非接触测量，对实现基于物质本征物理性质复现真空量值的全压力真空测量技术具有重要意义。

技术领域

本发明属于真空全压力测量和SPR传感特性技术领域，具体涉及一种真空全压力测量方法。

背景技术

真空全压力测量作为真空技术的重要组成部分，在核物理、航空航天、工业测量与高端装备制造方面有重要的意义。目前普遍采用的测量方法包括液态式真空计、电容薄膜真空计、热传导真空计及电离真空计。这些测量方法大都存在着难以微型化、造价昂贵无法商业化、读数滞后、受外界温度影响较大、需定期校准等缺点。与传统真空测量技术相比,基于光学方法的真空测量技术具有非接触测量及对真空环境影响小等优点。近年来，通过光学方法如光学干涉、冷原子碰撞损失、吸收光谱等进行真空全压力测量是该领域的研究热点。

表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)是一种物理光学现象，通常发生在金属—电介质界面，当光从光密介质入射到光疏介质时在一定入射角条件下发生全内反射产生倏逝波，该倏逝波的P偏振分量会引发金属表面等离子体波(SPW)。当SPW与P偏振光的频率和波数相等且传播方向一致时，二者就会产生共振，使得反射光的光强出现剧烈的下降现象。SPR曲线的共振吸收峰对介质折射率的改变是十分敏感的。基于SPR技术的传感器具有灵敏度高、免标记、实时监测、分析快速等优良特性，在医药、环境监测和食品安全等领域具有广泛的应用前景，但是尚未有SPR技术应用于真空全压力测量的文献报道。

发明内容

针对于现有测量方法的缺陷，本发明提供一种真空全压力测量方法，是为了解决现有的难以微型化、受外界温度影响较大、以及定期校准等问题。本发明利用电介质理论中经典的克劳休斯-莫索缔方程所得到的干空气的真空度P与相对介电常数ε_r之间的对应关系，并结合SPR基本原理，提出一种基于SPR现象的真空全压力测量方法，该方法具有良好的线性度及灵敏度，对实现基于物质本征物理性质复现真空量值的全压力真空测量技术具有重要意义。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于克劳休斯-莫索缔方程所得到的干空气的真空度P与相对介电常数ε_r之间的对应关系式如下：

一种基于Kretschmann结构并以金膜作为金属介质的三层结构角度调制型SPR传感装置。

上述方案中，关系式是在空气为干空气且其温度恒定(即忽略湿度和温度的变化对压强的影响)的假设条件下(该假设符合真空计的某些实际工作环境)得出的。

上述方案中，关系式的得出过程为：

一、由克-莫方程引入摩尔极化的概念对一个确定的电介质得出密度与介电常数的关系为B为比例系数；ρ为密度；

二、进一步，引入气态方程，在标准状态下(温度T₀＝273K，压强P₀＝101.3kPa，空气的密度ρ₀＝1.233k/mm³，相对介电常数ε_r＝1.0005548)，即可得出相对介电常数

上述方案中，对应关系式在克-莫方程适用范围即伦兹有效场范围(中低压气体电介质)中适用。

上述方案中，Kretschmann结构并以金膜作为金属介质的三层结构角度调制型的P偏振光反射率R可用Fresnel公式表示为：

其中，d为金属膜的厚度，ω为入射光频率，θ_f代表入射角度。