Загальні одиниці длянадвисокий вакуум
1. Мілібари (мбар) – одиниці вимірювання тиску повітря, 1000 мбар=1 бар=1 * 105 Па;
2. Торр походить від міліметрового стовпчика ртутного стовпа (мм рт.ст.) в експерименті Торрічеллі, з 760 Торр=1 атм;
3. Па походить від Міжнародної системи одиниць (СІ), де 1 Па дорівнює 1 Н/м2;
Примітка: Па є похідною одиницею в Міжнародній системі одиниць, а не основною.
Примітка: 1 бар строго визначено як 105 Па, а 1 атм — як 101325 Па. Ці два параметри зазвичай вважаються узгодженими в практичному використанні, але мають різні визначення.
Примітка. У практичному застосуванні через подібні значення торр і мбар вони зазвичай вважаються еквівалентними, коли точність не потрібна.
Примітка. Кілограми (кг/см2) часто використовуються як одиниця тиску в техніці зі значенням, близьким до 105 Па.
Визначення надвисокого вакууму
1. Надвисокий вакуум (UHV), зазвичай визначається як 10-7-10-12 мбар;
2. High vacuum (HV), generally defined as>10-7 мбар;
3. Надзвичайно високий вакуум (XHV), зазвичай визначається як<10-12 mbar.
Характеристика надвисокого вакууму
Висока чистота є основною причиною, чому аналіз поверхні вимагає надвисокого вакууму. Фізика поверхні часто вивчає фізичні явища кількох атомних шарів на поверхні. Тому навіть в умовах вакууму адсорбція молекул газу на поверхні зразка може істотно вплинути на результати експерименту. Ми часто використовуємо «тривалість життя», щоб описати час, який потрібен для очищення поверхні зразка та впливу забруднення на результати експерименту. Через різну адсорбційну здатність молекул газу існують значні відмінності в тривалості життя різних зразків. Навіть для одного зразка різні експерименти матимуть абсолютно різні визначення тривалості життя зразка. Взагалі кажучи, тривалість життя поверхневих станів набагато коротша, ніж тілесних станів.
У науці про поверхню L (Ленгмюра) використовується для визначення опромінення поверхні зразка, де 1 L=10-6 Торр * с. Ми бачимо, що експозиція зразка обернено пропорційна тиску повітря. Тому, щоб збільшити термін служби зразка, ми часто намагаємося максимально збільшити ступінь вакууму системи.
Якщо розрахувати на основі молекул N2 при кімнатній температурі, враховуючи, що всі молекули на поверхні зіткнення адсорбовані, шар молекул буде адсорбований на поверхні зразка за 3 секунди в умовах вакууму 10-6 торр. У науково-популярній пропаганді ми часто описуємо важливість вакууму за допомогою 10-6 Торр, що відповідає 1 с часу покриття моношару. Цей термін досить яскравий і простий для розуміння, але студенти, які займаються дослідженнями поверхні, не повинні використовувати його як основу для наукових досліджень.
Середнє статистичне значення відстані між двома сусідніми зіткненнями кожної молекули газу називається середньою довжиною вільного пробігу молекули. Розмір середньої довжини вільного пробігу молекул пов’язаний з типом, щільністю та швидкістю молекул у вакуумі. За кімнатної температури, враховуючи N2, середня довжина вільного пробігу молекул газу обернено пропорційна тиску газу: за атмосферного тиску (105 Па) середня довжина вільного пробігу становить 59 нм, а за 10-7 Па середня довжина вільного пробігу досягає 59 км. На основі цього параметра ми можемо оцінити мінімальний вакуум, необхідний для росту магнетронного розпилення.
Середній вільний пробіг електронів означає середнє статистичне відстань, пройдену між двома послідовними зіткненнями електронів і молекул газу (без урахування зіткнень між електронами). Цей параметр в основному застосовується до експериментальної системи спектру фотоелектричної енергії.
В умовах надвисокого вакууму теплова конвекція, як правило, ігнорується, а в основному розглядаються теплове випромінювання та провідність.Низькотемпературні системи(рідкий гелій, рідкий азот) в основному розглядають запобігання передачі зовнішнього тепла. Для систем, що використовують рідкий азот, теплопровідність є основним джерелом тепла; Для систем, що використовують рідкий гелій, зовнішнє теплове випромінювання не можна ігнорувати, тому при проектуванні системи слід приділити особливу увагу. Високотемпературним системам необхідно враховувати підвищення температури матеріалу та виділення газу, викликане тепловим випромінюванням, яке створюється під час нагрівання нитки. Теплопровідність при високих температурах головним чином впливає на вимірювання температури термопарами. Крім того, не можна ігнорувати теплове випромінювання, яке створює сам матеріал після нагрівання до вищої температури.
Область застосування надвисокого вакууму
Сфера застосування надвисокого вакууму дуже широка, і тут ми перелічимо кілька, які найбільш тісно пов’язані з дослідженнями фізики поверхні,включаючи магнетронне розпилення, лазерне імпульсне осадження, молекулярно-променева епітаксія, аналіз поверхні, і прискорювачі частинок.
Технологія надвисокого вакууму широко використовується в галузі молекулярно-променевої епітаксії та аналізу поверхні, і в цьому діапазоні працюють різні типи обладнання для молекулярно-променевої епітаксії, фотоелектронної спектроскопії, скануючої тунельної мікроскопії та інших систем визначення характеристик препарату. Через те, що вакуумні системи часто складають значну частину витрат на будівництво системи, як вибрати відповідний насосний комплект і швидко отримати найкращий можливий ступінь вакууму за допомогою відповідних засобів, є загальною проблемою, яка турбує суміжні галузі.
Прискорювачі частинок мають найсуворіші вимоги до вакууму, але через високу загальну вартість системи, вакуумний насосний агрегатне є основною складовою собівартості. Як правило, кращі вакуумні насоси налаштовані якомога більше. Крім того, у прискорювальній камері, як правило, немає джерела забруднення, і ступінь вакууму зазвичай досягає дуже високого діапазону вакууму.
Магнетронне розпилення створює значне забруднення під час процесу випаровування через проблеми з механізмом і зазвичай не вимагає особливо високих рівнів вакууму.Молекулярні насосні установкизазвичай достатньо для виконання умов використання. В останні роки з безперервним прогресом технологій і подальшим розвитком дослідницьких потреб рівень вакууму систем магнетронного розпилення постійно вдосконалювався, і технології, пов’язані з надвисоким вакуумом, також постійно входять у цю сферу.
У минулому попит на ступінь вакууму в технології лазерного імпульсного осадження (PLD) знаходився між молекулярно-променевою епітаксією та магнетронним напиленням. В останні роки через поступову інтеграцію з технологією молекулярно-променевої епітаксії (MBE) вимоги до ступеня вакууму також постійно зростають. Лазерна молекулярно-променева епітаксія (LMBE) — це технологія надвисокого вакууму, яка включає MBE у PLD.
