Gemensamma enheter förultrahögt vakuum
1. Millibar (mbar) är enheter för lufttryck, 1000 mbar=1 bar=1 * 105 Pa;
2. Torr kommer från millimeterkvicksilverkolonnen (mmHg) i Torricelli-experimentet, med 760 Torr=1 atm;
3. Pa kommer från International System of Units (SI), där 1 Pa är lika med 1 N/m2;
Obs: Pa är den härledda enheten i International System of Units, inte basenheten.
Obs: 1 bar är strikt definierat som 105 Pa och 1 atm är strikt definierat som 101325 Pa. De två anses generellt vara konsekventa i praktisk användning, men har olika definitioner.
Obs: I praktisk användning, på grund av liknande värden för Torr och mbar, anses de i allmänhet vara likvärdiga när noggrannhet inte krävs.
Obs: Kilogram (kg/cm2) används ofta som en tryckenhet inom teknik, med ett värde nära 105 Pa.
Definition av ultrahögt vakuum
1. Ultrahögt vakuum (UHV), allmänt definierat som 10-7-10-12 mbar;
2. High vacuum (HV), generally defined as>10-7 mbar;
3. Extremt högt vakuum (XHV), allmänt definierat som<10-12 mbar.
Egenskaper för ultrahögt vakuum
Hög renlighet är den grundläggande anledningen till att ytanalys kräver ultrahögt vakuum. Ytfysik studerar ofta de fysiska fenomenen av flera atomlager på ytan. Därför, även under vakuumförhållanden, kan adsorptionen av gasmolekyler på provytan avsevärt påverka experimentella resultat. Vi använder ofta 'livstid' för att beskriva den tid det tar för en provyta att rengöras och de experimentella resultaten att påverkas av kontaminering. På grund av gasmolekylernas olika adsorptionsförmåga finns det betydande skillnader i provets livslängd mellan olika prover. Även för samma prov kommer olika experiment att ha helt olika definitioner av provets livslängd. Generellt sett är livslängden för yttillstånd mycket kortare än för kroppstillstånd.
Inom ytvetenskap används L (Langmuir) för att definiera exponeringen av en provyta, där 1 L=10-6 Torr * s. Vi kan se att exponeringen av provet är omvänt proportionell mot lufttrycket. Så för att förbättra livslängden på provet försöker vi ofta öka systemets vakuumgrad så mycket som möjligt.
Om det beräknas baserat på N2-molekyler vid rumstemperatur, med tanke på att alla molekyler på kollisionsytan är adsorberade, kommer ett lager av molekyler att adsorberas på provytan på 3 sekunder under vakuumförhållanden på 10-6 Torr. I populärvetenskaplig propaganda beskriver vi ofta vikten av vakuum genom att använda 10-6 Torr motsvarande 1 s monolager täckningstid. Denna term är ganska levande och lätt att förstå, men studenter som ägnar sig åt ytforskning får inte använda den som grund för vetenskaplig forskning.
Det statistiska medelvärdet av avståndet mellan två intilliggande kollisioner av varje gasmolekyl kallas den genomsnittliga fria vägen för molekylen. Storleken på den genomsnittliga fria vägen för molekyler är relaterad till typen, densiteten och hastigheten hos molekyler i vakuum. Vid rumstemperatur, med tanke på N2, är den genomsnittliga fria vägen för gasmolekyler omvänt proportionell mot gastrycket: vid atmosfärstryck (105 Pa) är den genomsnittliga fria vägen 59 nm, och vid 10-7 Pa, den genomsnittliga fria vägen är så hög som 59 km. Baserat på denna parameter kan vi uppskatta det minsta vakuum som krävs för tillväxt av magnetronförstoftning.
Den genomsnittliga fria vägen för elektroner hänvisar till det statistiska medelvärdet av avståndet tillryggalagt mellan två på varandra följande kollisioner av elektroner och gasmolekyler (om man ignorerar kollisioner mellan elektroner). Denna parameter tillämpas huvudsakligen på det fotoelektriska energispektrumexperimentsystemet.
Under förhållanden med ultrahögt vakuum ignoreras generellt termisk konvektion, och termisk strålning och ledning beaktas huvudsakligen.Lågtemperatursystem(flytande helium, flytande kväve) överväger främst att förhindra överföring av extern värme. För system som använder flytande kväve är värmeledning den huvudsakliga värmekällan; För system som använder flytande helium kan extern termisk strålning inte ignoreras, och särskild uppmärksamhet bör ägnas vid utformningen av systemet. Högtemperatursystem måste ta hänsyn till materialets temperaturökning och gasutsläpp som orsakas av den termiska strålningen som genereras vid uppvärmning av glödtråden. Värmeledning vid höga temperaturer påverkar främst temperaturmätningen av termoelement. Dessutom kan den termiska strålningen som genereras av själva materialet efter att ha värmts upp till en högre temperatur inte ignoreras.
Användningsområdet för ultrahögt vakuum
Användningsområdet för ultrahögt vakuum är mycket omfattande, och här listar vi flera som är närmast relaterade till ytfysikforskning,inklusive magnetronförstoftning, laserpulsavsättning, molekylär strålepitaxi, ytanalys, och partikelacceleratorer.
Ultrahögvakuumteknologi används i stor utsträckning inom områdena molekylär strålepitaxi och ytanalys, och olika typer av molekylär strålepitaxiutrustning, fotoelektronspektroskopi, scanning tunnelmikroskopi och andra beredningskarakteriseringssystem fungerar inom detta område. På grund av det faktum att vakuumsystem ofta står för en betydande del av systemets konstruktionskostnader, är hur man väljer lämplig pumpsats och snabbt får bästa möjliga vakuumgrad med lämpliga medel ett vanligt problem som besvärar relaterade områden.
Partikelacceleratorer har de strängaste kraven på vakuum, men på grund av den höga totala systemkostnaden vakuumpumpsenhetär inte huvudkomponenten i kostnaden. I allmänhet är bättre vakuumpumpar konfigurerade så mycket som möjligt. Dessutom finns det i allmänhet ingen föroreningskälla i acceleratorkammaren, och vakuumgraden når vanligtvis ett mycket högt vakuumområde.
Magnetronförstoftning genererar betydande föroreningar under avdunstningsprocessen på grund av mekanismproblem och leder vanligtvis inte till särskilt höga vakuumnivåer.Molekylära pumpenheterär i allmänhet tillräckliga för att uppfylla användningsvillkoren. Under de senaste åren, med den kontinuerliga utvecklingen av teknik och vidareutveckling av forskningsbehov, har vakuumgraden för magnetronförstoftningssystem kontinuerligt förbättrats, och ultrahögvakuumrelaterad teknik kommer också ständigt in på detta område.
Tidigare låg efterfrågan på vakuumgrad i laserpulsdepositionsteknik (PLD) mellan molekylär strålepitaxi och magnetronförstoftning. Under de senaste åren, på grund av den gradvisa integrationen med molekylär strålepitaxi (MBE) teknologi, har kravet på vakuumgrad också ständigt ökat. Laser molecular beam epitaxi (LMBE) är en ultrahögvakuumteknik som integrerar MBE i PLD.
