Общи единици заултрависок вакуум
1. Милибари (mbar) са единици за въздушно налягане, 1000 mbar=1 bar=1 * 105 Pa;
2. Torr идва от милиметровия живачен стълб (mmHg) в експеримента Torricelli, със 760 Torr=1 atm;
3. Pa идва от Международната система единици (SI), където 1 Pa се равнява на 1 N/m2;
Забележка: Pa е производната единица в Международната система от единици, а не основната единица.
Забележка: 1 бар е строго дефиниран като 105 Pa, а 1 atm е строго дефиниран като 101325 Pa. Двете обикновено се считат за последователни при практическа употреба, но имат различни определения.
Забележка: При практическа употреба, поради сходните стойности на Torr и mbar, те обикновено се считат за еквивалентни, когато не се изисква точност.
Забележка: Килограмите (kg/cm2) често се използват като единица за налягане в инженерството със стойност, близка до 105 Pa.
Определение за свръхвисок вакуум
1. Свръхвисок вакуум (UHV), обикновено дефиниран като 10-7-10-12 mbar;
2. High vacuum (HV), generally defined as>10-7 mbar;
3. Изключително висок вакуум (XHV), обикновено дефиниран като<10-12 mbar.
Характеристики на свръхвисокия вакуум
Високата чистота е основната причина, поради която повърхностният анализ изисква ултрависок вакуум. Физиката на повърхността често изучава физическите явления на няколко атомни слоя на повърхността. Следователно, дори при условия на вакуум, адсорбцията на газови молекули върху повърхността на пробата може значително да повлияе на експерименталните резултати. Често използваме „живот“, за да опишем времето, необходимо на повърхността на пробата да бъде почистена и експерименталните резултати да бъдат засегнати от замърсяване. Поради различните адсорбционни способности на газовите молекули има значителни разлики в живота на пробите между различните проби. Дори за една и съща проба различните експерименти ще имат напълно различни дефиниции на продължителността на живота на пробата. Най-общо казано, продължителността на живота на повърхностните състояния е много по-кратка от тази на състоянията на тялото.
В науката за повърхността L (Langmuir) се използва за определяне на експозицията на повърхност на проба, където 1 L=10-6 Torr * s. Виждаме, че експозицията на пробата е обратно пропорционална на атмосферното налягане. Така че, за да подобрим живота на пробата, често се опитваме да увеличим степента на вакуум на системата, доколкото е възможно.
Ако се изчисли на базата на молекули N2 при стайна температура, като се има предвид, че всички молекули на повърхността на сблъсък са адсорбирани, слой от молекули ще бъде адсорбиран върху повърхността на пробата за 3 секунди при условия на вакуум от 10-6 Torr. В научно-популярната пропаганда ние често описваме значението на вакуума, като използваме 10-6 Torr, съответстващ на 1 s време на покритие на монослоя. Този термин е доста ясен и лесен за разбиране, но студентите, занимаващи се с повърхностни изследвания, не трябва да го използват като основа за научни изследвания.
Средната статистическа стойност на разстоянието между два съседни сблъсъка на всяка газова молекула се нарича среден свободен път на молекулата. Размерът на средния свободен път на молекулите е свързан с вида, плътността и скоростта на молекулите във вакуум. При стайна температура, като се има предвид N2, средният свободен път на газовите молекули е обратно пропорционален на налягането на газа: при атмосферно налягане (105 Pa) средният свободен път е 59 nm, а при 10-7 Pa средният свободен път е висок цели 59 км. Въз основа на този параметър можем да оценим минималния вакуум, необходим за растеж на магнетронно разпръскване.
Средният свободен път на електроните се отнася до статистическата средна стойност на разстоянието, изминато между два последователни сблъсъка на електрони и газови молекули (без да се вземат предвид сблъсъците между електрони). Този параметър се прилага главно към експерименталната система за фотоелектричен енергиен спектър.
При условия на свръхвисок вакуум топлинната конвекция обикновено се пренебрегва и се вземат предвид главно топлинното излъчване и проводимостта.Нискотемпературни системи(течен хелий, течен азот) обмислят главно предотвратяването на преноса на външна топлина. За системи, използващи течен азот, топлопроводимостта е основният източник на топлина; За системи, използващи течен хелий, външното топлинно излъчване не може да бъде пренебрегнато и трябва да се обърне специално внимание при проектирането на системата. Високотемпературните системи трябва да вземат предвид повишаването на температурата на материала и отделянето на газ, причинено от топлинното излъчване, генерирано от нагряването на нишката. Топлинната проводимост при високи температури влияе главно върху измерването на температурата на термодвойките. В допълнение, топлинното излъчване, генерирано от самия материал след нагряване до по-висока температура, не може да бъде пренебрегнато.
Областта на приложение на ултрависокия вакуум
Областта на приложение на свръхвисокия вакуум е много обширна и тук изброяваме няколко, които са най-тясно свързани с изследванията на повърхностната физика,включително магнетронно разпръскване, лазерно импулсно отлагане, молекулярно-лъчева епитаксия, повърхностен анализ, и ускорители на частици.
Технологията за свръхвисок вакуум се използва широко в областта на молекулярно-лъчевата епитаксия и повърхностния анализ и различни видове оборудване за молекулярно-лъчева епитаксия, фотоелектронна спектроскопия, сканираща тунелна микроскопия и други системи за характеризиране на препарата работят в този диапазон. Поради факта, че вакуумните системи често представляват значителна част от разходите за изграждане на системата, как да изберем подходящия помпен комплект и бързо да постигнем най-добрата възможна степен на вакуум чрез подходящи средства е често срещан проблем, който притеснява свързани области.
Ускорителите на частици имат най-строгите изисквания за вакуум, но поради високата обща цена на системата, вакуумна помпане е основният компонент на разходите. Като цяло, по-добрите вакуумни помпи са конфигурирани колкото е възможно повече. Освен това обикновено няма източник на замърсяване в ускорителната камера и степента на вакуум обикновено достига много висок диапазон на вакуум.
Магнетронното разпрашване генерира значително замърсяване по време на процеса на изпаряване поради проблеми с механизма и обикновено не преследва особено високи нива на вакуум.Молекулярни помпени агрегатиобикновено са достатъчни, за да отговарят на условията за употреба. През последните години, с непрекъснатия напредък на технологиите и по-нататъшното развитие на изследователските нужди, степента на вакуум на системите за магнетронно разпръскване непрекъснато се подобрява и свързаните с ултрависок вакуум технологии също постоянно навлизат в тази област.
В миналото търсенето на степен на вакуум в технологията за лазерно импулсно отлагане (PLD) беше между епитаксия с молекулярни лъчи и магнетронно разпрашване. През последните години, поради постепенното интегриране с технологията за молекулярно-лъчева епитаксия (MBE), изискването за степен на вакуум също непрекъснато се увеличава. Лазерната молекулярно-лъчева епитаксия (LMBE) е технология със свръхвисок вакуум, която включва MBE в PLD.
