Skupne enote zaultra visok vakuum
1. Milibari (mbar) so enote zračnega tlaka, 1000 mbar=1 bar=1 * 105 Pa;
2. Torr prihaja iz milimetrskega stolpca živega srebra (mmHg) v Torricellijevem poskusu s 760 Torr=1 atm;
3. Pa izhaja iz mednarodnega sistema enot (SI), kjer je 1 Pa enak 1 N/m2;
Opomba: Pa je izpeljana enota v mednarodnem sistemu enot in ne osnovna enota.
Opomba: 1 bar je strogo definiran kot 105 Pa, 1 atm pa je strogo definiran kot 101325 Pa. Oba na splošno veljata za dosledna v praktični uporabi, vendar imata različne definicije.
Opomba: V praktični uporabi se zaradi podobnih vrednosti Torr in mbar na splošno štejeta za enakovredna, kadar ni potrebna natančnost.
Opomba: Kilogrami (kg/cm2) se pogosto uporabljajo kot enota za tlak v tehniki z vrednostjo blizu 105 Pa.
Opredelitev ultravisokega vakuuma
1. ultra visok vakuum (UHV), na splošno opredeljen kot 10-7-10-12 mbar;
2. High vacuum (HV), generally defined as>10-7 Mbar;
3. Ekstremno visok vakuum (XHV), na splošno opredeljen kot<10-12 mbar.
Značilnosti ultravisokega vakuuma
Visoka čistoča je temeljni razlog, zakaj površinska analiza zahteva ultra visok vakuum. Površinska fizika pogosto preučuje fizikalne pojave več atomskih plasti na površini. Zato lahko tudi v vakuumskih pogojih adsorpcija plinskih molekul na površini vzorca pomembno vpliva na eksperimentalne rezultate. Pogosto uporabljamo 'življenjsko dobo', da opišemo čas, ki je potreben, da se površina vzorca očisti in kontaminacija vpliva na eksperimentalne rezultate. Zaradi različnih adsorpcijskih sposobnosti molekul plina obstajajo pomembne razlike v življenjski dobi vzorcev med različnimi vzorci. Tudi za isti vzorec bodo imeli različni poskusi popolnoma različne definicije življenjske dobe vzorca. Na splošno je življenjska doba površinskih stanj veliko krajša od življenjske dobe telesnih stanj.
V površinski znanosti se L (Langmuir) uporablja za definiranje izpostavljenosti površine vzorca, kjer je 1 L=10-6 Torr * s. Vidimo, da je izpostavljenost vzorca obratno sorazmerna z zračnim tlakom. Torej, da bi izboljšali življenjsko dobo vzorca, pogosto poskušamo čim bolj povečati stopnjo vakuuma sistema.
Če se izračuna na podlagi molekul N2 pri sobni temperaturi, ob upoštevanju, da so vse molekule na površini trka adsorbirane, bo plast molekul adsorbirana na površini vzorca v 3 sekundah pod vakuumskimi pogoji 10-6 Torr. V poljudnoznanstveni propagandi pogosto opisujemo pomen vakuuma z uporabo 10-6 Torr, ki ustreza 1 s času prekrivanja enoplastne plasti. Ta izraz je precej nazoren in lahko razumljiv, vendar ga študenti, ki se ukvarjajo s površinskimi raziskavami, ne smejo uporabljati kot podlago za znanstveno raziskovanje.
Statistično povprečje razdalje med dvema sosednjima trkoma vsake molekule plina imenujemo povprečna prosta pot molekule. Velikost povprečne proste poti molekul je povezana z vrsto, gostoto in hitrostjo molekul v vakuumu. Pri sobni temperaturi je ob upoštevanju N2 povprečna prosta pot molekul plina obratno sorazmerna s tlakom plina: pri atmosferskem tlaku (105 Pa) je povprečna prosta pot 59 nm, pri 10-7 Pa pa povprečna prosta pot je visoka kar 59 km. Na podlagi tega parametra lahko ocenimo najmanjši vakuum, potreben za rast magnetronskega razprševanja.
Povprečna prosta pot elektronov se nanaša na statistično povprečje prevožene razdalje med dvema zaporednima trkoma elektronov in molekul plina (brez upoštevanja trkov med elektroni). Ta parameter se v glavnem uporablja za eksperimentalni sistem fotoelektričnega energijskega spektra.
V pogojih ultravisokega vakuuma se toplotna konvekcija na splošno zanemari, upoštevata pa se predvsem toplotno sevanje in prevodnost.Nizkotemperaturni sistemi(tekoči helij, tekoči dušik) upoštevajo predvsem preprečevanje prenosa zunanje toplote. Za sisteme, ki uporabljajo tekoči dušik, je toplotna prevodnost glavni vir toplote; Pri sistemih, ki uporabljajo tekoči helij, zunanjega toplotnega sevanja ni mogoče prezreti, zato je treba pri načrtovanju sistema posvetiti posebno pozornost. Visokotemperaturni sistemi morajo upoštevati dvig temperature materiala in sproščanje plina, ki ga povzroči toplotno sevanje, ki nastane pri segrevanju žarilne nitke. Toplotna prevodnost pri visokih temperaturah vpliva predvsem na merjenje temperature termočlenov. Poleg tega ni mogoče prezreti toplotnega sevanja, ki ga ustvarja sam material po segrevanju na višjo temperaturo.
Področje uporabe ultra visokega vakuuma
Področje uporabe ultravisokega vakuuma je zelo obsežno in tukaj navajamo nekaj tistih, ki so najtesneje povezani z raziskovanjem površinske fizike,vključno z magnetronskim razprševanjem, lasersko impulzno nanašanje, epitaksija z molekularnim žarkom, analiza površine, in pospeševalci delcev.
Tehnologija ultra visokega vakuuma se pogosto uporablja na področju epitaksije z molekularnim žarkom in površinske analize, v tem obsegu pa delujejo različne vrste opreme za epitaksijo z molekularnim žarkom, fotoelektronska spektroskopija, vrstična tunelska mikroskopija in drugi sistemi za karakterizacijo pripravkov. Zaradi dejstva, da vakuumski sistemi pogosto predstavljajo znaten delež stroškov gradnje sistema, je pogosta težava, kako izbrati ustrezen črpalni agregat in z ustreznimi sredstvi hitro doseči najboljšo možno stopnjo vakuuma, ki muči sorodna področja.
Pospeševalniki delcev imajo najstrožje zahteve glede vakuuma, vendar zaradi visokih skupnih stroškov sistema enota vakuumske črpalkeni glavna sestavina stroškov. Na splošno so boljše vakuumske črpalke čim bolj konfigurirane. Poleg tega v pospeševalni komori na splošno ni vira onesnaženja, stopnja vakuuma pa običajno doseže zelo visoko območje vakuuma.
Magnetronsko razprševanje povzroča znatno onesnaženje med postopkom izhlapevanja zaradi težav z mehanizmom in običajno ne zasleduje posebej visokih ravni vakuuma.Molekularne črpalkena splošno zadostujejo za izpolnjevanje pogojev uporabe. V zadnjih letih se je z nenehnim napredkom tehnologije in nadaljnjim razvojem raziskovalnih potreb stopnja vakuuma sistemov za magnetronsko razprševanje nenehno izboljševala, na to področje pa nenehno vstopajo tudi tehnologije, povezane z ultra visokim vakuumom.
V preteklosti je bilo povpraševanje po stopnji vakuuma v tehnologiji nanašanja z laserskim impulzom (PLD) med epitaksijo z molekularnim žarkom in magnetronskim razprševanjem. V zadnjih letih zaradi postopne integracije s tehnologijo epitaksije z molekularnim žarkom (MBE) nenehno naraščajo tudi zahteve po stopnji vakuuma. Laserska epitaksija z molekularnim žarkom (LMBE) je ultravisoka vakuumska tehnologija, ki vključuje MBE v PLD.
