Uobičajene jedinice zaultravisoki vakuum
1. Milibari (mbar) su jedinice tlaka zraka, 1000 mbar=1 bar=1 * 105 Pa;
2. Torr dolazi iz milimetarskog stupca žive (mmHg) u Torricellijevom eksperimentu, sa 760 Torr=1 atm;
3. Pa dolazi iz Međunarodnog sustava jedinica (SI), gdje je 1 Pa jednak 1 N/m2;
Napomena: Pa je izvedena jedinica u Međunarodnom sustavu jedinica, a ne osnovna jedinica.
Napomena: 1 bar je strogo definiran kao 105 Pa, a 1 atm je strogo definiran kao 101325 Pa. Ova dva se općenito smatraju dosljednima u praktičnoj uporabi, ali imaju različite definicije.
Napomena: U praktičnoj uporabi, zbog sličnih vrijednosti Torra i mbara, općenito se smatraju ekvivalentima kada točnost nije potrebna.
Napomena: Kilogrami (kg/cm2) često se koriste kao jedinica za tlak u inženjerstvu, s vrijednošću blizu 105 Pa.
Definicija ultravisokog vakuuma
1. Ultra visoki vakuum (UHV), općenito definiran kao 10-7-10-12 mbar;
2. High vacuum (HV), generally defined as>10-7 mbar;
3. Ekstremni visoki vakuum (XHV), općenito definiran kao<10-12 mbar.
Karakteristike ultravisokog vakuuma
Visoka čistoća temeljni je razlog zašto analiza površine zahtijeva ultra visoki vakuum. Fizika površine često proučava fizičke fenomene nekoliko atomskih slojeva na površini. Stoga, čak i pod vakuumskim uvjetima, adsorpcija molekula plina na površini uzorka može značajno utjecati na eksperimentalne rezultate. Često koristimo 'životni vijek' da bismo opisali vrijeme koje je potrebno da se površina uzorka očisti i da kontaminacija utječe na eksperimentalne rezultate. Zbog različitih adsorpcijskih sposobnosti molekula plina, postoje značajne razlike u vijeku trajanja uzoraka među različitim uzorcima. Čak i za isti uzorak, različiti eksperimenti će imati potpuno različite definicije životnog vijeka uzorka. Općenito govoreći, životni vijek površinskih stanja mnogo je kraći od životnog vijeka tjelesnih stanja.
U znanosti o površini, L (Langmuir) se koristi za definiranje izloženosti površine uzorka, gdje je 1 L=10-6 Torr * s. Vidimo da je izloženost uzorka obrnuto proporcionalna tlaku zraka. Dakle, kako bismo poboljšali životni vijek uzorka, često pokušavamo povećati stupanj vakuuma sustava što je više moguće.
Ako se izračuna na temelju molekula N2 na sobnoj temperaturi, uzimajući u obzir da su sve molekule na površini sudara adsorbirane, sloj molekula će se adsorbirati na površini uzorka u 3 sekunde pod uvjetima vakuuma od 10-6 Torr. U popularnoj znanstvenoj propagandi često opisujemo važnost vakuuma korištenjem 10-6 Torra što odgovara vremenu pokrivenosti jednosloja od 1 s. Ovaj pojam je prilično jasan i lako razumljiv, ali ga studenti koji se bave površinskim istraživanjem ne smiju koristiti kao osnovu za znanstveno istraživanje.
Statistički prosjek udaljenosti između dva susjedna sudara svake molekule plina naziva se prosječni slobodni put molekule. Veličina prosječnog slobodnog puta molekula povezana je s vrstom, gustoćom i brzinom molekula u vakuumu. Na sobnoj temperaturi, s obzirom na N2, prosječni slobodni put molekula plina obrnuto je proporcionalan tlaku plina: na atmosferskom tlaku (105 Pa), prosječni slobodni put je 59 nm, a na 10-7 Pa, prosječni slobodni put visoka je čak 59 km. Na temelju ovog parametra možemo procijeniti minimalni vakuum potreban za rast magnetronskog raspršivanja.
Prosječni slobodni put elektrona odnosi se na statistički prosjek udaljenosti prijeđene između dva uzastopna sudara elektrona i molekula plina (zanemarujući sudare između elektrona). Ovaj se parametar uglavnom primjenjuje na eksperimentalni sustav spektra fotoelektrične energije.
Pod uvjetima ultravisokog vakuuma, toplinska konvekcija se općenito zanemaruje, a uglavnom se razmatra toplinsko zračenje i kondukcija.Niskotemperaturni sustavi(tekući helij, tekući dušik) uglavnom razmatraju sprječavanje prijenosa vanjske topline. Za sustave koji koriste tekući dušik, provođenje topline je glavni izvor topline; Za sustave koji koriste tekući helij, vanjsko toplinsko zračenje ne može se zanemariti, a posebnu pozornost treba posvetiti prilikom projektiranja sustava. Visokotemperaturni sustavi trebaju uzeti u obzir porast temperature materijala i oslobađanje plina uzrokovano toplinskim zračenjem generiranim zagrijavanjem filamenta. Provođenje topline pri visokim temperaturama uglavnom utječe na mjerenje temperature termoparovima. Osim toga, ne može se zanemariti toplinsko zračenje koje stvara sam materijal nakon zagrijavanja na višu temperaturu.
Područje primjene ultravisokog vakuuma
Područje primjene ultravisokog vakuuma vrlo je opsežno, a ovdje navodimo nekoliko onih koji su najbliže povezani s istraživanjem površinske fizike,uključujući magnetronsko raspršivanje, lasersko pulsno taloženje, epitaksija molekularnim snopom, površinska analiza, i akceleratorima čestica.
Tehnologija ultra visokog vakuuma naširoko se koristi u poljima epitaksije molekularnim snopom i površinske analize, a razne vrste opreme za epitaksiju molekularnim snopom, fotoelektronska spektroskopija, skenirajuća tunelska mikroskopija i drugi sustavi karakterizacije preparata rade unutar ovog raspona. Zbog činjenice da vakuumski sustavi često predstavljaju značajan udio u troškovima izgradnje sustava, kako odabrati odgovarajući pumpni set i brzo postići najbolji mogući stupanj vakuuma odgovarajućim sredstvima čest je problem koji muči povezana područja.
Akceleratori čestica imaju najstrože zahtjeve za vakuum, ali zbog visoke ukupne cijene sustava, jedinica vakuumske pumpenije glavna komponenta troška. Općenito, bolje vakuumske pumpe konfiguriraju se što je više moguće. Osim toga, općenito nema izvora onečišćenja u komori akceleratora, a stupanj vakuuma obično doseže vrlo visok raspon vakuuma.
Magnetronsko raspršivanje stvara značajno onečišćenje tijekom procesa isparavanja zbog problema s mehanizmom i obično ne traži posebno visoke razine vakuuma.Jedinice molekularne pumpeopćenito su dovoljni za ispunjavanje uvjeta uporabe. Posljednjih godina, kontinuiranim napretkom tehnologije i daljnjim razvojem istraživačkih potreba, stupanj vakuuma magnetronskih sustava raspršivanja kontinuirano se poboljšava, a tehnologije povezane s ultra visokim vakuumom također neprestano ulaze u ovo područje.
U prošlosti je potražnja za stupnjem vakuuma u tehnologiji laserskog pulsnog taloženja (PLD) bila između epitaksije molekularnim snopom i magnetronskog raspršivanja. Posljednjih godina, zbog postupne integracije s tehnologijom epitaksije molekularnim snopom (MBE), zahtjev za stupnjem vakuuma također je u stalnom porastu. Laserska molekularna epitaksija (LMBE) tehnologija je ultra visokog vakuuma koja uključuje MBE u PLD.
