แนวคิดพื้นฐานของสูญญากาศระดับสูงพิเศษ

หน่วยทั่วไปสำหรับสูญญากาศสูงพิเศษ

1. มิลลิบาร์ (mbar) คือหน่วยวัดความดันอากาศ 1000 มิลลิบาร์=1 บาร์=1 * 105 Pa;

2. Torr มาจากคอลัมน์มิลลิเมตรปรอท (mmHg) ในการทดลอง Torricelli โดยมี 760 Torr=1 บรรยากาศ

3. Pa มาจากระบบหน่วยระหว่างประเทศ (SI) โดยที่ 1 Pa เท่ากับ 1 N/m2

หมายเหตุ: Pa เป็นหน่วยอนุพันธ์ในระบบหน่วยระหว่างประเทศ ไม่ใช่หน่วยฐาน

หมายเหตุ: 1 บาร์ถูกกำหนดอย่างเคร่งครัดให้เป็น 105 Pa และ 1 บรรยากาศถูกกำหนดอย่างเคร่งครัดให้เป็น 101325 Pa โดยทั่วไปแล้ว ทั้งสองอย่างนี้ถือว่าสอดคล้องกันในการใช้งานจริง แต่มีคำจำกัดความที่แตกต่างกัน

หมายเหตุ: ในการใช้งานจริง เนื่องจากค่า Torr และ mbar ใกล้เคียงกัน จึงถือว่าเทียบเท่ากันโดยทั่วไปเมื่อไม่ต้องการความแม่นยำ

หมายเหตุ: กิโลกรัม (กก./ซม.2) มักใช้เป็นหน่วยวัดความดันในทางวิศวกรรม โดยมีค่าใกล้เคียง 105 ปาสกาล

นิยามของสูญญากาศระดับสูงพิเศษ

1. สูญญากาศสูงมาก (UHV) โดยทั่วไปกำหนดเป็น 10-7-10-12 มิลลิบาร์

2. High vacuum (HV), generally defined as>10-7 มิลลิบาร์;

3. สูญญากาศสูงมาก (XHV) โดยทั่วไปจะกำหนดเป็น<10-12 mbar.

ลักษณะพิเศษของสูญญากาศสูงพิเศษ

ความสะอาดสูงเป็นเหตุผลพื้นฐานที่การวิเคราะห์พื้นผิวต้องใช้สุญญากาศสูง ฟิสิกส์พื้นผิวมักศึกษาปรากฏการณ์ทางกายภาพของชั้นอะตอมหลายชั้นบนพื้นผิว ดังนั้นแม้ในสภาวะสุญญากาศ การดูดซับของโมเลกุลก๊าซบนพื้นผิวตัวอย่างสามารถส่งผลต่อผลการทดลองได้อย่างมีนัยสำคัญ เรามักใช้คำว่า "อายุการใช้งาน" เพื่ออธิบายระยะเวลาในการทำความสะอาดพื้นผิวตัวอย่างและผลการทดลองที่ได้รับผลกระทบจากการปนเปื้อน เนื่องจากความสามารถในการดูดซับของโมเลกุลก๊าซต่างกัน จึงมีอายุการใช้งานของตัวอย่างที่แตกต่างกันอย่างมาก แม้แต่สำหรับตัวอย่างเดียวกัน การทดลองที่แตกต่างกันก็จะมีคำจำกัดความของอายุการใช้งานของตัวอย่างที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิง โดยทั่วไปแล้ว อายุการใช้งานของสถานะพื้นผิวจะสั้นกว่าสถานะของร่างกายมาก

ในวิทยาศาสตร์พื้นผิว L (Langmuir) ใช้เพื่อกำหนดการเปิดรับแสงของพื้นผิวตัวอย่าง โดยที่ 1 L=10-6 Torr * s เราจะเห็นได้ว่าการเปิดรับแสงของตัวอย่างนั้นแปรผกผันกับความดันอากาศ ดังนั้น เพื่อปรับปรุงอายุการใช้งานของตัวอย่าง เราจึงพยายามเพิ่มระดับสุญญากาศของระบบให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้อยู่เสมอ

หากคำนวณจากโมเลกุล N2 ที่อุณหภูมิห้อง โดยพิจารณาว่าโมเลกุลทั้งหมดบนพื้นผิวการชนจะถูกดูดซับ ชั้นโมเลกุลหนึ่งจะถูกดูดซับบนพื้นผิวตัวอย่างภายใน 3 วินาทีภายใต้สภาวะสุญญากาศ 10-6 Torr ในโฆษณาชวนเชื่อทางวิทยาศาสตร์ยอดนิยม เรามักจะอธิบายความสำคัญของสุญญากาศโดยใช้ 10-6 Torr ซึ่งสอดคล้องกับเวลาครอบคลุมของโมโนเลเยอร์ 1 วินาที คำศัพท์นี้ค่อนข้างชัดเจนและเข้าใจง่าย แต่สำหรับนักเรียนที่ศึกษาวิจัยพื้นผิวไม่ควรใช้คำศัพท์นี้เป็นพื้นฐานสำหรับการวิจัยทางวิทยาศาสตร์

ค่าเฉลี่ยทางสถิติของระยะห่างระหว่างการชนกันสองครั้งของโมเลกุลก๊าซแต่ละโมเลกุลเรียกว่าเส้นทางอิสระเฉลี่ยของโมเลกุล ขนาดของเส้นทางอิสระเฉลี่ยของโมเลกุลสัมพันธ์กับประเภท ความหนาแน่น และความเร็วของโมเลกุลในสุญญากาศ ที่อุณหภูมิห้อง เมื่อพิจารณาถึง N2 เส้นทางอิสระเฉลี่ยของโมเลกุลก๊าซจะแปรผกผันกับความดันก๊าซ โดยที่ความดันบรรยากาศ (105 Pa) เส้นทางอิสระเฉลี่ยคือ 59 นาโนเมตร และที่ 10-7 Pa เส้นทางอิสระเฉลี่ยจะสูงถึง 59 กม. จากพารามิเตอร์นี้ เราสามารถประมาณค่าสุญญากาศขั้นต่ำที่จำเป็นสำหรับการเจริญเติบโตของการสปัตเตอร์แมกนีตรอนได้

เส้นทางอิสระเฉลี่ยของอิเล็กตรอนหมายถึงค่าเฉลี่ยทางสถิติของระยะทางที่เดินทางระหว่างการชนกันสองครั้งติดต่อกันของอิเล็กตรอนและโมเลกุลของก๊าซ (ไม่นับการชนกันระหว่างอิเล็กตรอน) พารามิเตอร์นี้ใช้กับระบบทดลองสเปกตรัมพลังงานโฟโตอิเล็กทริกเป็นหลัก

ภายใต้สภาวะสุญญากาศที่สูงมาก โดยทั่วไปจะไม่สนใจการพาความร้อน แต่จะพิจารณาการแผ่รังสีความร้อนและการนำความร้อนเป็นหลักระบบอุณหภูมิต่ำ(ฮีเลียมเหลว ไนโตรเจนเหลว) พิจารณาป้องกันการถ่ายเทความร้อนภายนอกเป็นหลัก สำหรับระบบที่ใช้ไนโตรเจนเหลว การนำความร้อนเป็นแหล่งความร้อนหลัก สำหรับระบบที่ใช้ฮีเลียมเหลว ไม่สามารถละเลยการแผ่รังสีความร้อนภายนอกได้ และควรใส่ใจเป็นพิเศษเมื่อออกแบบระบบ ระบบอุณหภูมิสูงต้องพิจารณาถึงการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิของวัสดุและการปลดปล่อยก๊าซที่เกิดจากการแผ่รังสีความร้อนที่เกิดจากการทำความร้อนเส้นใย การนำความร้อนที่อุณหภูมิสูงส่งผลต่อการวัดอุณหภูมิของเทอร์โมคัปเปิลเป็นหลัก นอกจากนี้ ไม่สามารถละเลยการแผ่รังสีความร้อนที่วัสดุสร้างขึ้นเองหลังจากถูกให้ความร้อนจนถึงอุณหภูมิที่สูงขึ้นได้

พื้นที่การใช้งานของสูญญากาศสูงพิเศษ

การประยุกต์ใช้งานของสูญญากาศระดับสูงนั้นมีขอบเขตกว้างขวางมาก และในที่นี้ เราจะแสดงรายการบางส่วนที่มีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับการวิจัยฟิสิกส์พื้นผิวรวมถึงการสปัตเตอร์แมกนีตรอน, การสะสมพัลส์เลเซอร์, เอพิแทกซีลำแสงโมเลกุล, การวิเคราะห์พื้นผิว, และ เครื่องเร่งอนุภาค.

เทคโนโลยีสูญญากาศระดับสูงพิเศษใช้กันอย่างแพร่หลายในสาขาการวิเคราะห์พื้นผิวและการวิเคราะห์พื้นผิวด้วยลำแสงโมเลกุล อุปกรณ์วิเคราะห์พื้นผิวด้วยลำแสงโมเลกุลประเภทต่างๆ สเปกโตรสโคปีโฟโตอิเล็กตรอน กล้องจุลทรรศน์อุโมงค์แบบสแกน และระบบการจำแนกลักษณะการเตรียมอื่นๆ ต่างก็ทำงานอยู่ในช่วงนี้ เนื่องจากระบบสูญญากาศมักคิดเป็นสัดส่วนที่สำคัญของต้นทุนการสร้างระบบ ดังนั้น การเลือกชุดปั๊มที่เหมาะสมและการรับระดับสูญญากาศที่ดีที่สุดอย่างรวดเร็วด้วยวิธีการที่เหมาะสมจึงเป็นปัญหาทั่วไปที่ก่อให้เกิดปัญหาในสาขาที่เกี่ยวข้อง

เครื่องเร่งอนุภาคมีข้อกำหนดที่เข้มงวดที่สุดสำหรับสูญญากาศ แต่เนื่องจากต้นทุนระบบโดยรวมสูง หน่วยปั๊มสูญญากาศไม่ใช่องค์ประกอบหลักของต้นทุน โดยทั่วไป ปั๊มสุญญากาศที่ดีกว่าจะถูกกำหนดค่าให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ นอกจากนี้ โดยทั่วไปแล้วจะไม่มีแหล่งกำเนิดมลพิษในห้องเร่งปฏิกิริยา และระดับสุญญากาศมักจะถึงช่วงสุญญากาศที่สูงมาก

การสปัตเตอร์ของแมกนีตรอนก่อให้เกิดมลพิษอย่างมากในระหว่างกระบวนการระเหยเนื่องมาจากปัญหาของกลไก และโดยปกติแล้วจะไม่ไล่ตามระดับสุญญากาศที่สูงเป็นพิเศษหน่วยปั๊มโมเลกุลโดยทั่วไปเพียงพอต่อการตอบสนองเงื่อนไขการใช้งาน ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ด้วยความก้าวหน้าอย่างต่อเนื่องของเทคโนโลยีและการพัฒนาความต้องการในการวิจัยเพิ่มเติม ระดับสูญญากาศของระบบแมกนีตรอนสปัตเตอร์ได้รับการปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง และเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับสูญญากาศระดับสูงพิเศษก็เข้าสู่สาขานี้อย่างต่อเนื่องเช่นกัน

ในอดีต ความต้องการระดับสูญญากาศในเทคโนโลยีการสะสมพัลส์เลเซอร์ (PLD) อยู่ระหว่างการอิพิแทกซีลำแสงโมเลกุลและการสปัตเตอร์แมกนีตรอน ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ความต้องการระดับสูญญากาศก็เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องเช่นกัน เนื่องจากการผสานรวมกับเทคโนโลยีอิพิแทกซีลำแสงโมเลกุล (MBE) อย่างค่อยเป็นค่อยไป อิพิแทกซีลำแสงโมเลกุลเลเซอร์ (LMBE) เป็นเทคโนโลยีสูญญากาศระดับสูงพิเศษที่รวม MBE เข้ากับ PLD