Bendri vienetai, skirtiitin aukštas vakuumas
1. Milibarai (mbar) yra oro slėgio vienetai, 1000 mbar=1 bar=1 * 105 Pa;
2. Torr gaunamas iš milimetro gyvsidabrio stulpelio (mmHg) Torricelli eksperimente su 760 Torr=1 atm;
3. Pa gaunamas iš Tarptautinės vienetų sistemos (SI), kur 1 Pa lygus 1 N/m2;
Pastaba: Pa yra išvestinis vienetas Tarptautinėje vienetų sistemoje, o ne pagrindinis vienetas.
Pastaba: 1 baras griežtai apibrėžiamas kaip 105 Pa, o 1 atm griežtai apibrėžiamas kaip 101 325 Pa. Praktiškai jie abu laikomi nuosekliais, tačiau jų apibrėžimai skiriasi.
Pastaba: Praktikoje dėl panašių Torr ir mbar verčių jie paprastai laikomi lygiaverčiais, kai tikslumas nereikalingas.
Pastaba: Inžinerijoje kaip slėgio vienetas dažnai naudojami kilogramai (kg/cm2), kurių vertė artima 105 Pa.
Itin aukšto vakuumo apibrėžimas
1. Itin didelis vakuumas (UHV), paprastai apibrėžiamas kaip 10-7-10-12 mbar;
2. High vacuum (HV), generally defined as>10-7 mbar;
3. Itin didelis vakuumas (XHV), paprastai apibrėžiamas kaip<10-12 mbar.
Itin aukšto vakuumo charakteristikos
Aukšta švara yra pagrindinė priežastis, kodėl paviršiaus analizei reikalingas itin didelis vakuumas. Paviršiaus fizika dažnai tiria kelių paviršiuje esančių atominių sluoksnių fizikinius reiškinius. Todėl net ir vakuumo sąlygomis dujų molekulių adsorbcija ant mėginio paviršiaus gali reikšmingai paveikti eksperimento rezultatus. Mes dažnai vartojame terminą „eksploatavimo laikas“, kad apibūdintume laiką, per kurį mėginio paviršius nuvalomas ir užteršimas paveiks eksperimento rezultatus. Dėl skirtingų dujų molekulių adsorbcijos gebėjimų skirtingų mėginių mėginių tarnavimo laikas labai skiriasi. Netgi tam pačiam mėginiui skirtingi eksperimentai turės visiškai skirtingus mėginio gyvavimo trukmės apibrėžimus. Paprastai tariant, paviršiaus būsenų gyvenimo trukmė yra daug trumpesnė nei kūno būsenų.
Paviršiaus moksle L (Langmuir) naudojamas bandinio paviršiaus ekspozicijai apibrėžti, kur 1 L=10-6 Torr * s. Matome, kad mėginio ekspozicija yra atvirkščiai proporcinga oro slėgiui. Taigi, norėdami pailginti mėginio tarnavimo laiką, dažnai stengiamės kiek įmanoma padidinti sistemos vakuuminį laipsnį.
Jei apskaičiuojama remiantis N2 molekulėmis kambario temperatūroje, atsižvelgiant į tai, kad visos susidūrimo paviršiuje esančios molekulės yra adsorbuotos, molekulių sluoksnis bus adsorbuotas ant mėginio paviršiaus per 3 sekundes vakuumo sąlygomis 10-6 Torr. Populiaraus mokslo propagandoje vakuumo svarbą dažnai apibūdiname naudodami 10-6 Torr, atitinkantį 1 s vieno sluoksnio aprėpties laiką. Šis terminas yra gana ryškus ir lengvai suprantamas, tačiau studentai, užsiimantys paviršiaus tyrimais, neturi jo naudoti kaip mokslinio tyrimo pagrindą.
Statistinis atstumo tarp dviejų gretimų kiekvienos dujų molekulės susidūrimų vidurkis vadinamas vidutiniu laisvuoju molekulės keliu. Vidutinio laisvo molekulių kelio dydis yra susijęs su molekulių tipu, tankiu ir greičiu vakuume. Esant kambario temperatūrai, atsižvelgiant į N2, vidutinis laisvasis dujų molekulių kelias yra atvirkščiai proporcingas dujų slėgiui: esant atmosferos slėgiui (105 Pa), vidutinis laisvas kelias yra 59 nm, o esant 10-7 Pa, vidutinis laisvas kelias. yra net 59 km. Remiantis šiuo parametru, galime įvertinti mažiausią vakuumą, reikalingą magnetrono purškimo augimui.
Vidutinis laisvas elektronų kelias reiškia atstumo, nuvažiuoto tarp dviejų iš eilės elektronų ir dujų molekulių susidūrimų (nekreipiant dėmesio į elektronų susidūrimus), statistinį vidurkį. Šis parametras daugiausia taikomas fotoelektrinės energijos spektro eksperimentinei sistemai.
Itin didelio vakuumo sąlygomis šiluminė konvekcija paprastai ignoruojama, o daugiausia atsižvelgiama į šiluminę spinduliuotę ir laidumą.Žemos temperatūros sistemos(skystas helis, skystas azotas) daugiausia apsvarstykite galimybę užkirsti kelią išorinės šilumos perdavimui. Sistemose, kuriose naudojamas skystas azotas, šilumos laidumas yra pagrindinis šilumos šaltinis; Sistemoms, kuriose naudojamas skystas helis, negalima ignoruoti išorinės šiluminės spinduliuotės, todėl projektuojant sistemą reikia atkreipti ypatingą dėmesį. Aukštos temperatūros sistemose reikia atsižvelgti į medžiagos temperatūros kilimą ir dujų išsiskyrimą, kurį sukelia šiluminė spinduliuotė, susidaranti kaitinant kaitinimo siūlą. Šilumos laidumas aukštoje temperatūroje daugiausia turi įtakos termoporų temperatūros matavimui. Be to, negalima ignoruoti šiluminės spinduliuotės, kurią sukuria pati medžiaga po pakaitinimo iki aukštesnės temperatūros.
Itin didelio vakuumo taikymo sritis
Itin didelio vakuumo taikymo sritis yra labai plati, todėl čia išvardijame keletą, kurie yra labiausiai susiję su paviršiaus fizikos tyrimais,įskaitant magnetroninį purškimą, lazerio impulsinis nusodinimas, molekulinio pluošto epitaksija, paviršiaus analizė, ir dalelių greitintuvai.
Itin aukšto vakuumo technologija plačiai naudojama molekulinio pluošto epitaksijos ir paviršiaus analizės srityse, o šiame diapazone veikia įvairių tipų molekulinio pluošto epitaksijos įranga, fotoelektroninė spektroskopija, skenuojanti tunelinė mikroskopija ir kitos paruošimo apibūdinimo sistemos. Atsižvelgiant į tai, kad vakuuminės sistemos dažnai sudaro didelę dalį sistemos statybos sąnaudų, kaip pasirinkti tinkamą siurblių agregatą ir tinkamomis priemonėmis greitai gauti geriausią įmanomą vakuuminį laipsnį, yra dažna problema, kuri vargina susijusias sritis.
Dalelių greitintuvams keliami griežčiausi vakuumo reikalavimai, tačiau dėl didelių bendrų sistemos sąnaudų vakuuminio siurblio blokasnėra pagrindinė išlaidų dalis. Paprastai kiek įmanoma sukonfigūruojami geresni vakuuminiai siurbliai. Be to, akceleratoriaus kameroje paprastai nėra taršos šaltinio, o vakuumo laipsnis paprastai pasiekia labai aukštą vakuumo diapazoną.
Magnetroninis purškimas išgarinimo proceso metu sukelia didelę taršą dėl mechanizmo problemų ir paprastai nepasiekia ypač aukšto vakuumo lygio.Molekuliniai siurbliaipaprastai yra pakankami, kad atitiktų naudojimo sąlygas. Pastaraisiais metais, nuolat tobulėjant technologijoms ir toliau tobulėjant mokslinių tyrimų poreikiams, magnetroninio purškimo sistemų vakuuminis laipsnis buvo nuolat tobulinamas, o su itin aukštu vakuumu susijusios technologijos taip pat nuolat patenka į šią sritį.
Anksčiau vakuuminio laipsnio paklausa lazerinio impulsinio nusodinimo (PLD) technologijoje buvo tarp molekulinio pluošto epitaksijos ir magnetroninio purškimo. Pastaraisiais metais dėl laipsniško integravimo su molekulinio pluošto epitaksijos (MBE) technologija vakuuminio laipsnio reikalavimas taip pat nuolat didėja. Lazerio molekulinio pluošto epitaksija (LMBE) yra itin aukšto vakuumo technologija, kuri įtraukia MBE į PLD.
