Fælles enheder tilultrahøjt vakuum
1. Millibar (mbar) er enheder for lufttryk, 1000 mbar=1 bar=1 * 105 Pa;
2. Torr kommer fra millimeter kviksølvsøjlen (mmHg) i Torricelli-eksperimentet med 760 Torr=1 atm;
3. Pa kommer fra International System of Units (SI), hvor 1 Pa er lig med 1 N/m2;
Bemærk: Pa er den afledte enhed i det internationale system af enheder, ikke basisenheden.
Bemærk: 1 bar er strengt defineret som 105 Pa, og 1 atm er strengt defineret som 101325 Pa. De to anses generelt for at være ensartede i praktisk brug, men har forskellige definitioner.
Bemærk: I praktisk brug, på grund af de ens værdier af Torr og mbar, anses de generelt for at være ækvivalente, når nøjagtighed ikke er påkrævet.
Bemærk: Kilogram (kg/cm2) bruges ofte som en trykenhed i teknik, med en værdi tæt på 105 Pa.
Definition af ultrahøjt vakuum
1. Ultrahøjt vakuum (UHV), generelt defineret som 10-7-10-12 mbar;
2. High vacuum (HV), generally defined as>10-7 mbar;
3. Ekstremt højvakuum (XHV), generelt defineret som<10-12 mbar.
Karakteristika for ultrahøjt vakuum
Høj renlighed er den grundlæggende årsag til, at overfladeanalyse kræver ultrahøjt vakuum. Overfladefysik studerer ofte de fysiske fænomener af flere atomlag på overfladen. Derfor, selv under vakuumforhold, kan adsorptionen af gasmolekyler på prøveoverfladen påvirke eksperimentelle resultater betydeligt. Vi bruger ofte 'levetid' til at beskrive den tid, det tager for en prøveoverflade at blive renset, og de eksperimentelle resultater at blive påvirket af forurening. På grund af gasmolekylers forskellige adsorptionsevner er der betydelige forskelle i prøvelevetider blandt forskellige prøver. Selv for den samme prøve vil forskellige eksperimenter have helt forskellige definitioner af prøvens levetid. Generelt er levetiden for overfladetilstande meget kortere end for kropstilstande.
I overfladevidenskab bruges L (Langmuir) til at definere eksponeringen af en prøveoverflade, hvor 1 L=10-6 Torr * s. Vi kan se, at eksponeringen af prøven er omvendt proportional med lufttrykket. Så for at forbedre prøvens levetid forsøger vi ofte at øge systemets vakuumgrad så meget som muligt.
Hvis det beregnes baseret på N2-molekyler ved stuetemperatur, i betragtning af at alle molekyler på kollisionsoverfladen er adsorberet, vil et lag af molekyler blive adsorberet på prøveoverfladen på 3 sekunder under vakuumforhold på 10-6 Torr. I populærvidenskabelig propaganda beskriver vi ofte vigtigheden af vakuum ved at bruge 10-6 Torr svarende til 1 s monolags dækningstid. Dette udtryk er ganske levende og let at forstå, men studerende, der beskæftiger sig med overfladeforskning, må ikke bruge det som grundlag for videnskabelig forskning.
Det statistiske gennemsnit af afstanden mellem to tilstødende kollisioner af hvert gasmolekyle kaldes den gennemsnitlige frie vej for molekylet. Størrelsen af den gennemsnitlige frie vej af molekyler er relateret til typen, tætheden og hastigheden af molekyler i vakuum. Ved stuetemperatur, i betragtning af N2, er den gennemsnitlige frie vej for gasmolekyler omvendt proportional med gastrykket: ved atmosfærisk tryk (105 Pa) er den gennemsnitlige frie vej 59 nm, og ved 10-7 Pa, den gennemsnitlige frie vej er helt op til 59 km. Baseret på denne parameter kan vi estimere det minimumsvakuum, der kræves for magnetronforstøvningsvækst.
Den gennemsnitlige frie bane for elektroner refererer til det statistiske gennemsnit af den tilbagelagte afstand mellem to på hinanden følgende kollisioner af elektroner og gasmolekyler (ignorerer kollisioner mellem elektroner). Denne parameter anvendes hovedsageligt på det fotoelektriske energispektrums eksperimentelle system.
Under ultrahøjvakuumforhold ignoreres termisk konvektion generelt, og termisk stråling og ledning overvejes hovedsageligt.Lavtemperatursystemer(flydende helium, flydende nitrogen) overvejer hovedsageligt at forhindre overførsel af ekstern varme. For systemer, der anvender flydende nitrogen, er varmeledning den vigtigste varmekilde; For systemer, der anvender flydende helium, kan ekstern termisk stråling ikke ignoreres, og der bør udvises særlig opmærksomhed, når systemet designes. Højtemperatursystemer skal tage højde for materialets temperaturstigning og gasfrigivelse forårsaget af den termiske stråling, der genereres ved opvarmning af filamentet. Varmeledning ved høje temperaturer påvirker hovedsageligt temperaturmålingen af termoelementer. Derudover kan den termiske stråling, der genereres af selve materialet efter at være blevet opvarmet til en højere temperatur, ikke ignoreres.
Anvendelsesområdet for ultrahøjt vakuum
Anvendelsesområdet for ultrahøjt vakuum er meget omfattende, og her lister vi flere, der er tættest relateret til overfladefysisk forskning,inklusive magnetronforstøvning, laser puls afsætning, molekylær stråleepitaxi, overfladeanalyse, og partikelacceleratorer.
Ultrahøjvakuumteknologi er meget udbredt inden for områderne molekylær stråleepitaksi og overfladeanalyse, og forskellige typer molekylærstråleepitaksiudstyr, fotoelektronspektroskopi, scanningstunnelmikroskopi og andre præparationskarakteriseringssystemer fungerer inden for dette område. På grund af det faktum, at vakuumsystemer ofte tegner sig for en betydelig del af systemets byggeomkostninger, er det et almindeligt problem, der bekymrer relaterede områder, hvordan man vælger det passende pumpesæt og hurtigt opnår den bedst mulige vakuumgrad ved hjælp af passende midler.
Partikelacceleratorer har de strengeste krav til vakuum, men på grund af de høje samlede systemomkostninger vakuumpumpe enheder ikke hovedkomponenten i omkostningerne. Generelt er bedre vakuumpumper konfigureret så meget som muligt. Derudover er der generelt ingen forureningskilde i acceleratorkammeret, og vakuumgraden når normalt et meget højt vakuumområde.
Magnetronsputtering genererer betydelig forurening under fordampningsprocessen på grund af mekanismeproblemer og forfølger normalt ikke særligt høje vakuumniveauer.Molekylære pumpenhederer generelt tilstrækkelige til at opfylde brugsbetingelserne. I de senere år er vakuumgraden af magnetronforstøvningssystemer blevet kontinuerligt forbedret med den kontinuerlige udvikling af teknologi og yderligere udvikling af forskningsbehov, og ultrahøjvakuumrelaterede teknologier kommer også konstant ind på dette felt.
Tidligere var efterspørgslen efter vakuumgrad i laser pulse deposition (PLD) teknologi mellem molekylær stråleepitaksi og magnetronsputtering. I de senere år, på grund af den gradvise integration med molekylær stråleepitaksi (MBE) teknologi, har kravet til vakuumgrad også været konstant stigende. Laser molecular beam epitaxy (LMBE) er en ultrahøjvakuumteknologi, der inkorporerer MBE i PLD.
