Войти
Сверхвысокий вакуум (UHV ) представляет собой режим вакуума, характеризующийся давлениями ниже, чем примерно 100 нанопаскалей (10 паскаль, 10 m бар, ~ 10 торр ). Условия сверхвысокого вакуума создаются путем откачки газа из камеры сверхвысокого вакуума. При таких низких давлениях средний свободный пробег молекулы газа больше, чем примерно 40 км, поэтому газ находится в свободномолекулярном потоке, и молекулы газа будут сталкиваться со стенками камеры во многих случаях. раз до столкновения друг с другом. Таким образом, почти все молекулярные взаимодействия происходят на различных поверхностях камеры.
Условия сверхвысокого вакуума являются неотъемлемой частью научных исследований. Исследования поверхности для экспериментов часто требуют химически чистой поверхности образца без каких-либо нежелательных адсорбатов. Для инструментов анализа поверхности, таких как рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия и рассеяние ионов низкой энергии, требуются сверхвысоковольтные условия для передачи электронных или ионных пучков. По той же причине лучевые трубы в ускорителях частиц, таких как Большой адронный коллайдер, хранятся на уровне сверхвысокого вакуума.
Поддержание сверхвысокого вакуума требует использования необычных материалов для оборудования. Полезные концепции для сверхвысокого вакуума включают:
Обычно для сверхвысокого вакуума требуется:
Водород и окись углерода являются наиболее распространенными фоновыми газами в хорошо спроектированной, хорошо отвержденной сверхвысоковакуумной системе. Как водород, так и CO диффундируют через границы зерен в нержавеющей стали. Гелий может диффундировать через сталь и стекло из внешнего воздуха, но этот эффект обычно незначителен из-за низкого содержания гелия в атмосфере.
Измерение высокого вакуума выполняется с помощью неабсолютного манометра, который измеряет свойства вакуума, связанные с давлением, например, его теплопроводность. См., Например, Пейси. Эти манометры необходимо откалибровать. Датчики, способные измерять самые низкие давления, представляют собой магнитные датчики, основанные на зависимости тока спонтанного газового разряда от давления в пересекающихся электрическом и магнитном полях.
СВН-давления измеряются с помощью ионного датчика , либо с горячей нитью накала, либо с перевернутым магнетроном.
В любой вакуумной системе некоторое количество газа будет продолжать выходить в камеру с течением времени и медленно увеличивать давление, если его не откачать. Скорость утечки обычно измеряется в мбар л / с или торр л / с. Хотя некоторое выделение газа неизбежно, если скорость утечки слишком высока, это может замедлить или даже помешать системе достичь низкого давления.
Существует множество возможных причин повышения давления. К ним относятся простые утечки воздуха, виртуальные утечки и десорбция (либо с поверхностей, либо из объема). Существует множество методов обнаружения утечек. Большие утечки могут быть обнаружены путем создания давления в камере и поиска пузырьков в мыльной воде, тогда как мелкие утечки могут потребовать более чувствительных методов, вплоть до использования индикаторного газа и специализированного гелиевого масс-спектрометра.
Отвод газа является проблемой для систем сверхвысокого вакуума. Газовыделение может происходить из двух источников: поверхностей и сыпучих материалов. Выделение газов из сыпучих материалов сводится к минимуму за счет выбора материалов с низким давлением пара (таких как стекло, нержавеющая сталь и керамика ) для всего внутри системы. Материалы, которые обычно не считаются абсорбирующими, могут выделять газ, в том числе большинство пластмасс и некоторые металлы. Например, сосуды, облицованные материалом с высокой газопроницаемостью, таким как палладий (который является высокопроизводительной водородной губкой), создают особые проблемы с дегазированием.
Выделение газов с поверхностей - более тонкая проблема. При очень низком давлении на стенках адсорбируется больше молекул газа, чем плавает в камере, поэтому для достижения сверхвысокого вакуума общая площадь поверхности внутри камеры более важна, чем ее объем. Вода является важным источником дегазации, потому что тонкий слой водяного пара быстро адсорбируется всем, когда камера открыта для воздуха. Вода испаряется с поверхностей слишком медленно, чтобы полностью удалить ее при комнатной температуре, но достаточно быстро, чтобы обеспечить постоянный уровень фонового загрязнения. Удаление воды и подобных газов обычно требует обжига системы сверхвысокого вакуума при температуре от 200 до 400 ° C во время работы вакуумных насосов. Во время использования камеры стенки камеры можно охлаждать, используя жидкий азот, для дальнейшего уменьшения выделения газа.
Для достижения низкого давления часто бывает полезно нагреть всю систему до температуры выше 100 ° C в течение многих часов (процесс, известный как прогрев ) для удаления воды и других следовых газов, которые адсорбируют на поверхностях камеры. Это также может потребоваться при «циклическом» выходе оборудования из атмосферы. Этот процесс значительно ускоряет процесс дегазации, позволяя намного быстрее достичь низкого давления.
Не существует единственного вакуумного насоса, который мог бы работать от атмосферного давления до сверхвысокого вакуума. Вместо этого используется ряд различных насосов в соответствии с соответствующим диапазоном давления для каждого насоса. На первом этапе форвакуумный насос удаляет большую часть газа из камеры. За ним следует один или несколько вакуумных насосов, работающих при низком давлении. Насосы, обычно используемые на этой второй стадии для достижения сверхвысокого вакуума, включают:
Турбонасосы и диффузия насосы основаны на сверхзвуковой атаке на молекулы системы лопастями и высокоскоростным потоком пара соответственно.
Для экономии времени, энергии и целостности объема сверхвысокого вакуума часто используется воздушный шлюз. Объем воздушного шлюза имеет одну дверь или клапан, обращенную к стороне объема сверхвысокого вакуума, а другую дверь - против атмосферного давления, через которую первоначально вводятся образцы или заготовки. После введения пробы и проверки того, что дверца для защиты от атмосферы закрыта, объем воздушного шлюза обычно откачивается до среднего или высокого вакуума. В некоторых случаях сама заготовка обжигается или иным образом предварительно очищается под средним или высоким вакуумом. Затем открывается шлюз в камеру сверхвысокого вакуума, заготовка перемещается в сверхвысокое вакуумное пространство с помощью роботизированных средств или другого устройства, если необходимо, и клапан сверхвысокого вакуума снова закрывается. Пока исходная деталь обрабатывается в условиях сверхвысокого вакуума, последующий образец может быть введен в объем шлюзового отсека, предварительно очищен и т. Д., Что значительно экономит время. Хотя при открытии клапана в воздушном шлюзе в систему сверхвысокого вакуума обычно выделяется «клубок» газа, насосы системы сверхвысокого вакуума обычно могут отводить этот газ до того, как он успеет адсорбироваться на поверхностях сверхвысокого вакуума. В системе, хорошо спроектированной с подходящими воздушными шлюзами, компоненты сверхвысокого вакуума редко нуждаются в отжиге, а сверхвысокое давление может со временем улучшаться, даже если заготовки вводятся и удаляются.
Используются металлические уплотнения с острыми кромками с обеих сторон, врезающимися в мягкую медную прокладку. Это уплотнение металл-металл может выдерживать давление до 100 пПа (~ 10 торр). Хотя обычно это считается одноразовым использованием, опытный оператор может получить несколько применений за счет использования щупов уменьшающегося размера с каждой итерацией, если лезвия ножей находятся в идеальном состоянии.
Многие обычные материалы используются экономно, если вообще используются из-за высокого давления пара, высокой адсорбционной или абсорбционной способности, приводящей к последующему затруднительному выделению газа или высокой проницаемости при перепаде давления (т. Е. : "сквозное газообразование"):
Технические ограничения:
Манипулятор сверхвысокого вакуума позволяет объекту, находящемуся внутри вакуумной камеры и в вакууме быть установленным механически. Он может обеспечивать вращательное движение, линейное движение или их комбинацию. Самые сложные устройства обеспечивают движение по трем осям и вращение вокруг двух из этих осей. Для создания механического движения внутри камеры обычно используются три основных механизма: механическое соединение через вакуумную стенку (с использованием герметичного уплотнения вокруг соединения: например, сварной металлический сильфон), магнитная муфта, передающая движение от воздуха. со стороны вакуума: или скользящее уплотнение с использованием специальных смазок с очень низким давлением пара или ферромагнитной жидкости. Стоимость таких специальных смазок может превышать 100 долларов за унцию. Для манипуляторов доступны различные формы управления движением, такие как ручки, штурвалы, двигатели, шаговые двигатели, пьезоэлектрические двигатели и пневматика. Использование двигателей в вакуумной среде часто требует особой конструкции или других особых соображений, поскольку конвективное охлаждение, которое считается само собой разумеющимся в атмосферных условиях, недоступно в среде сверхвысокого вакуума.
Манипулятор или держатель образца могут включать в себя функции, позволяющие осуществлять дополнительный контроль и тестирование образца, например способность прикладывать тепло, охлаждение, напряжение или магнитное поле. Нагрев образца может осуществляться бомбардировкой электронами или тепловым излучением. Для бомбардировки электронами держатель образца оснащен нитью накала, которая испускает электроны при смещении под высоким отрицательным потенциалом. Воздействие электронов, бомбардирующих образец с высокой энергией, вызывает его нагрев. Для теплового излучения рядом с образцом устанавливают нить накала и резистивно нагревают до высокой температуры. Инфракрасная энергия нити накала нагревает образец.
Сверхвысокий вакуум необходим для многих методов анализа поверхности, таких как:
Для Эти приложения позволяют уменьшить поверхностное загрязнение за счет уменьшения количества молекул, достигающих образца за определенный период времени. При 0,1 МПа (10 Торр) покрытие поверхности загрязняющим веществом занимает всего 1 секунду, поэтому для длительных экспериментов требуется гораздо меньшее давление.
СВВ также требуется для:
и, хотя и не является обязательным, может оказаться полезным в таких приложениях, как:
