Ühised ühikudülikõrge vaakum
1. Millibarid (mbar) on õhurõhu ühikud, 1000 mbar=1 bar=1 * 105 Pa;
2. Torr pärineb millimeetri elavhõbedasambast (mmHg) Torricelli katses, 760 Torr=1 atm;
3. Pa pärineb rahvusvahelisest mõõtühikute süsteemist (SI), kus 1 Pa võrdub 1 N/m2;
Märkus. Pa on rahvusvahelises mõõtühikute süsteemis tuletatud ühik, mitte põhiühik.
Märkus: 1 bar on rangelt määratletud kui 105 Pa ja 1 atm on rangelt määratletud kui 101325 Pa. Neid kahte peetakse üldiselt praktilises kasutuses ühtseks, kuid neil on erinevad määratlused.
Märkus. Praktikas peetakse Torri ja mbar sarnaste väärtuste tõttu neid üldiselt samaväärseteks, kui täpsust ei nõuta.
Märkus. Inseneritöös kasutatakse rõhuühikuna sageli kilogramme (kg/cm2), mille väärtus on lähedane 105 Pa-le.
Ülikõrge vaakumi määratlus
1. Ülikõrgvaakum (UHV), üldiselt defineeritud kui 10-7-10-12 mbar;
2. High vacuum (HV), generally defined as>10-7 mbar;
3. Äärmiselt kõrgvaakum (XHV), mida üldiselt määratletakse kui<10-12 mbar.
Ülikõrge vaakumi omadused
Kõrge puhtus on peamine põhjus, miks pinnaanalüüs nõuab ülikõrget vaakumit. Pinnafüüsika uurib sageli mitme aatomikihi füüsikalisi nähtusi pinnal. Seetõttu võib isegi vaakumtingimustes gaasimolekulide adsorptsioon proovi pinnal oluliselt mõjutada katsetulemusi. Me kasutame sageli „eluiga”, et kirjeldada aega, mis kulub proovi pinna puhastamiseks ja katsetulemuste saastumisest mõjutamiseks. Gaasi molekulide erineva adsorptsioonivõime tõttu on proovide elueades erinevate proovide vahel olulisi erinevusi. Isegi sama proovi puhul on erinevatel katsetel proovi eluea määratlused täiesti erinevad. Üldiselt on pinnaseisundite eluiga palju lühem kui keha olekutel.
Pinnateaduses kasutatakse proovipinna särituse määratlemiseks L (Langmuir), kus 1 L=10-6 Torr * s. Näeme, et proovi kokkupuude on pöördvõrdeline õhurõhuga. Seega proovime proovi eluea pikendamiseks sageli süsteemi vaakumiastet nii palju kui võimalik suurendada.
Kui arvutada N2 molekulide põhjal toatemperatuuril, arvestades, et kõik põrkepinnal olevad molekulid on adsorbeerunud, adsorbeerub molekulide kiht proovi pinnale 3 sekundiga 10-6 Torri vaakumtingimustes. Populaarteaduslikus propagandas kirjeldame sageli vaakumi tähtsust, kasutades 10-6 Torr, mis vastab 1-sekundilisele ühekihilisele katteajale. See termin on üsna ilmekas ja kergesti mõistetav, kuid pinnauuringutega tegelevad üliõpilased ei tohi seda teadusliku uurimistöö aluseks võtta.
Iga gaasimolekuli kahe kõrvuti aset leidnud kokkupõrke vahelise kauguse statistilist keskmist nimetatakse molekuli keskmiseks vabaks teeks. Molekulide keskmise vaba tee suurus on seotud molekulide tüübi, tiheduse ja kiirusega vaakumis. Toatemperatuuril, arvestades N2, on gaasimolekulide keskmine vaba tee pöördvõrdeline gaasirõhuga: atmosfäärirõhul (105 Pa) on keskmine vaba tee 59 nm ja 10-7 Pa juures keskmine vaba tee. on koguni 59 km kõrge. Selle parameetri põhjal saame hinnata magnetroni pihustamise kasvuks vajalikku minimaalset vaakumit.
Elektronide keskmine vaba tee viitab kahe järjestikuse elektronide ja gaasimolekulide kokkupõrke vahel läbitud vahemaa statistilisele keskmisele (elektronidevahelisi kokkupõrkeid eirates). Seda parameetrit rakendatakse peamiselt fotoelektrilise energia spektri katsesüsteemis.
Ülikõrge vaakumi tingimustes jäetakse termiline konvektsioon üldiselt tähelepanuta ning peamiselt arvestatakse soojuskiirgust ja juhtivust.Madala temperatuuriga süsteemid(vedel heelium, vedel lämmastik) kaaluvad peamiselt välissoojuse edasikandumise takistamist. Vedelat lämmastikku kasutavate süsteemide puhul on soojusjuhtivus peamine soojusallikas; Vedelat heeliumi kasutavate süsteemide puhul ei saa tähelepanuta jätta välist soojuskiirgust ning erilist tähelepanu tuleks pöörata süsteemi projekteerimisel. Kõrge temperatuuriga süsteemid peavad arvestama materjali temperatuuri tõusu ja gaasi eraldumisega, mis on põhjustatud hõõgniidi kuumutamisel tekkivast soojuskiirgusest. Soojusjuhtivus kõrgel temperatuuril mõjutab peamiselt termopaaride temperatuuri mõõtmist. Lisaks ei saa tähelepanuta jätta materjali enda tekitatud soojuskiirgust pärast kõrgemale temperatuurile kuumutamist.
Ülikõrge vaakumi rakendusvaldkond
Ülikõrge vaakumi rakendusala on väga ulatuslik ja siin loetleme mitu, mis on kõige tihedamalt seotud pinnafüüsika uurimisega,sealhulgas magnetroni pihustamine, laserimpulss-sadestamine, molekulaarkiire epitaksia, pinnaanalüüsja osakeste kiirendid.
Ülikõrgvaakumtehnoloogiat kasutatakse laialdaselt molekulaarkiire epitaksika ja pinnaanalüüsi valdkonnas ning selles vahemikus töötavad erinevat tüüpi molekulaarkiire epitaksia seadmed, fotoelektronspektroskoopia, skaneeriva tunnelmikroskoopia ja muud ettevalmistuse iseloomustussüsteemid. Kuna vaakumsüsteemid moodustavad sageli olulise osa süsteemide ehituskuludest, on sellega seotud valdkondades levinud probleem, kuidas valida sobiv pumbaagregaat ja sobivate vahenditega kiiresti saada parim võimalik vaakumaste.
Tahkete osakeste kiirenditel on vaakumi suhtes kõige rangemad nõuded, kuid süsteemi kõrgete üldkulude tõttu on vaakumpumba seadeei ole kulude põhikomponent. Üldiselt on paremad vaakumpumbad konfigureeritud nii palju kui võimalik. Lisaks ei ole kiirendikambris üldjuhul saasteallikat ning vaakumiaste ulatub tavaliselt väga kõrgesse vaakumivahemikku.
Magnetroni pihustamine tekitab aurustumisprotsessis mehhanismiprobleemide tõttu märkimisväärset reostust ja tavaliselt ei saavutata eriti kõrget vaakumitaset.Molekulaarpumbadon üldiselt kasutustingimuste täitmiseks piisavad. Viimastel aastatel on tehnoloogia pideva arengu ja uurimisvajaduste edasise arenguga magnetroni pihustussüsteemide vaakumastet pidevalt täiustatud ning sellesse valdkonda on pidevalt sisenemas ka ülikõrge vaakumiga seotud tehnoloogiad.
Varem oli nõudlus laserimpulss-sadestamise (PLD) tehnoloogias vaakumastme järele molekulaarkiire epitaksia ja magnetroni pihustamise vahel. Viimastel aastatel on tänu järkjärgulisele integratsioonile molekulaarkiirepitaksia (MBE) tehnoloogiaga pidevalt suurenenud ka nõue vaakumkraadi järele. Laser molekulaarkiire epitaksia (LMBE) on ülikõrge vaakumtehnoloogia, mis ühendab MBE-d PLD-sse.
