Spoločné jednotky preultravysoké vákuum
1. Milibary (mbar) sú jednotky tlaku vzduchu, 1000 mbar=1 bar=1 * 105 Pa;
2. Torr pochádza z milimetrového ortuťového stĺpca (mmHg) v Torricelliho experimente so 760 Torr=1 atm;
3. Pa pochádza z Medzinárodnej sústavy jednotiek (SI), kde 1 Pa sa rovná 1 N/m2;
Poznámka: Pa je odvodená jednotka v medzinárodnom systéme jednotiek, nie základná jednotka.
Poznámka: 1 bar je striktne definovaný ako 105 Pa a 1 atm je striktne definovaný ako 101325 Pa. Tieto dva sa vo všeobecnosti považujú za konzistentné pri praktickom použití, ale majú odlišné definície.
Poznámka: Pri praktickom použití sa vzhľadom na podobné hodnoty Torr a mbar vo všeobecnosti považujú za ekvivalentné, keď sa nevyžaduje presnosť.
Poznámka: Kilogramy (kg/cm2) sa v strojárstve často používajú ako jednotka tlaku s hodnotou blízkou 105 Pa.
Definícia ultra vysokého vákua
1. Ultra vysoké vákuum (UHV), všeobecne definované ako 10-7-10-12 mbar;
2. High vacuum (HV), generally defined as>10-7 mbar;
3. Extrémne vysoké vákuum (XHV), všeobecne definované ako<10-12 mbar.
Charakteristika ultra vysokého vákua
Vysoká čistota je základným dôvodom, prečo analýza povrchu vyžaduje ultravysoké vákuum. Povrchová fyzika často študuje fyzikálne javy niekoľkých atómových vrstiev na povrchu. Preto aj za podmienok vákua môže adsorpcia molekúl plynu na povrchu vzorky výrazne ovplyvniť experimentálne výsledky. Často používame „životnosť“ na opis času, ktorý je potrebný na vyčistenie povrchu vzorky a na výsledky experimentu, ktoré sú ovplyvnené kontamináciou. V dôsledku rôznych adsorpčných schopností molekúl plynu existujú medzi rôznymi vzorkami významné rozdiely v životnosti vzoriek. Dokonca aj pre rovnakú vzorku budú mať rôzne experimenty úplne odlišné definície životnosti vzorky. Všeobecne povedané, životnosť povrchových stavov je oveľa kratšia ako životnosť telesných stavov.
V povrchovej vede sa L (Langmuir) používa na definovanie expozície povrchu vzorky, kde 1 L=10-6 Torr * s. Vidíme, že expozícia vzorky je nepriamo úmerná tlaku vzduchu. Aby sme zlepšili životnosť vzorky, často sa snažíme čo najviac zvýšiť stupeň vákua systému.
Ak sa vypočíta na základe molekúl N2 pri izbovej teplote, ak vezmeme do úvahy, že všetky molekuly na povrchu kolízie sú adsorbované, vrstva molekúl sa adsorbuje na povrch vzorky za 3 sekundy pri podmienkach vákua 10-6 Torr. V popularizačnej vedeckej propagande často popisujeme dôležitosť vákua pomocou 10-6 Torr, čo zodpovedá 1 s dobe pokrytia monovrstvou. Tento výraz je celkom názorný a ľahko pochopiteľný, ale študenti zaoberajúci sa povrchovým výskumom ho nesmú používať ako základ pre vedecký výskum.
Štatistický priemer vzdialenosti medzi dvoma susednými zrážkami každej molekuly plynu sa nazýva priemerná voľná dráha molekuly. Veľkosť priemernej voľnej dráhy molekúl súvisí s typom, hustotou a rýchlosťou molekúl vo vákuu. Pri izbovej teplote, berúc do úvahy N2, je priemerná voľná dráha molekúl plynu nepriamo úmerná tlaku plynu: pri atmosférickom tlaku (105 Pa) je priemerná voľná dráha 59 nm a pri 10-7 Pa je priemerná voľná dráha je vysoká až 59 km. Na základe tohto parametra môžeme odhadnúť minimálne vákuum potrebné na rast magnetrónového naprašovania.
Priemerná voľná dráha elektrónov sa vzťahuje na štatistický priemer prejdenej vzdialenosti medzi dvoma po sebe nasledujúcimi zrážkami elektrónov a molekúl plynu (ignorujúc zrážky medzi elektrónmi). Tento parameter sa aplikuje hlavne na experimentálny systém fotoelektrického energetického spektra.
V podmienkach ultravysokého vákua sa tepelná konvekcia vo všeobecnosti ignoruje a zohľadňuje sa hlavne tepelné žiarenie a vedenie.Nízkoteplotné systémy(kvapalné hélium, tekutý dusík) zvažovať hlavne zamedzenie prenosu vonkajšieho tepla. Pre systémy využívajúce kvapalný dusík je hlavným zdrojom tepla vedenie tepla; Pri systémoch využívajúcich tekuté hélium nemožno ignorovať vonkajšie tepelné žiarenie a pri navrhovaní systému je potrebné venovať osobitnú pozornosť. Vysokoteplotné systémy musia brať do úvahy nárast teploty materiálu a uvoľňovanie plynu spôsobené tepelným žiarením generovaným zahrievaním vlákna. Vedenie tepla pri vysokých teplotách ovplyvňuje hlavne meranie teploty termočlánkov. Okrem toho nemožno ignorovať tepelné žiarenie generované samotným materiálom po zahriatí na vyššiu teplotu.
Oblasť použitia ultra vysokého vákua
Oblasť použitia ultravysokého vákua je veľmi rozsiahla a tu uvádzame niekoľko, ktoré najviac súvisia s výskumom povrchovej fyziky,vrátane magnetrónového naprašovania, laserová pulzná depozícia, epitaxia molekulárneho lúča, povrchová analýza, a urýchľovače častíc.
Technológia ultravysokého vákua sa široko používa v oblasti epitaxie molekulárnym lúčom a povrchovej analýzy a v tomto rozsahu fungujú rôzne typy zariadení na epitaxiu molekulárnych lúčov, fotoelektrónová spektroskopia, skenovacia tunelová mikroskopia a ďalšie systémy na charakterizáciu prípravy. Vzhľadom na skutočnosť, že vákuové systémy často predstavujú značnú časť nákladov na výstavbu systému, je bežným problémom, ktorý trápi súvisiace oblasti, ako vybrať vhodnú čerpaciu súpravu a rýchlo získať najlepší možný stupeň vákua vhodnými prostriedkami.
Urýchľovače častíc majú najprísnejšie požiadavky na vákuum, ale vzhľadom na vysoké celkové náklady na systém jednotka vákuovej pumpynie je hlavnou zložkou nákladov. Vo všeobecnosti sú lepšie vákuové čerpadlá nakonfigurované čo najviac. Okrem toho sa v urýchľovacej komore vo všeobecnosti nenachádza žiadny zdroj znečistenia a stupeň vákua zvyčajne dosahuje veľmi vysoký rozsah vákua.
Magnetrónové naprašovanie generuje značné znečistenie počas procesu odparovania v dôsledku problémov s mechanizmom a zvyčajne nedosahuje obzvlášť vysoké úrovne vákua.Jednotky molekulárnych čerpadielvo všeobecnosti postačujú na splnenie podmienok používania. V posledných rokoch, s neustálym pokrokom technológie a ďalším rozvojom výskumných potrieb, sa stupeň vákua magnetrónových naprašovacích systémov neustále zlepšuje a do tejto oblasti neustále vstupujú aj technológie súvisiace s ultravysokým vákuom.
V minulosti bola požiadavka na stupeň vákua v technológii laserovej pulznej depozície (PLD) medzi epitaxou molekulárneho lúča a magnetrónovým naprašovaním. V posledných rokoch sa v dôsledku postupnej integrácie s technológiou molekulárnej epitaxie (MBE) neustále zvyšuje aj požiadavka na stupeň vákua. Epitaxia laserového molekulárneho lúča (LMBE) je technológia ultravysokého vákua, ktorá zahŕňa MBE do PLD.
