Uobičajene jedinice zaultra-visoki vakuum
1. Milibari (mbar) su jedinice za vazdušni pritisak, 1000 mbar=1 bar=1 * 105 Pa;
2. Torr dolazi iz milimetarske živine kolone (mmHg) u Torricellijevom eksperimentu, sa 760 Torr=1 atm;
3. Pa dolazi iz Međunarodnog sistema jedinica (SI), gdje je 1 Pa jednak 1 N/m2;
Napomena: Pa je izvedena jedinica u Međunarodnom sistemu jedinica, a ne osnovna jedinica.
Napomena: 1 bar je striktno definiran kao 105 Pa, a 1 atm je striktno definiran kao 101325 Pa. Ova dva se općenito smatraju dosljednima u praktičnoj upotrebi, ali imaju različite definicije.
Napomena: U praktičnoj upotrebi, zbog sličnih vrednosti Torr i mbar, oni se generalno smatraju ekvivalentnim kada tačnost nije potrebna.
Napomena: Kilogrami (kg/cm2) se često koriste kao jedinica za pritisak u tehnici, čija je vrijednost blizu 105 Pa.
Definicija ultra-visokog vakuuma
1. Ultra visoki vakuum (UHV), općenito definiran kao 10-7-10-12 mbar;
2. High vacuum (HV), generally defined as>10-7 mbar;
3. Ekstremno visok vakuum (XHV), općenito definiran kao<10-12 mbar.
Karakteristike ultravisokog vakuuma
Visoka čistoća je osnovni razlog zašto analiza površine zahtijeva ultra-visok vakuum. Površinska fizika često proučava fizičke fenomene nekoliko atomskih slojeva na površini. Stoga, čak i pod vakuumskim uslovima, adsorpcija molekula gasa na površini uzorka može značajno uticati na eksperimentalne rezultate. Često koristimo 'životni vijek' da opišemo vrijeme potrebno da se površina uzorka očisti i da kontaminacija utječe na eksperimentalne rezultate. Zbog različitih sposobnosti adsorpcije molekula plina, postoje značajne razlike u životnom vijeku uzoraka između različitih uzoraka. Čak i za isti uzorak, različiti eksperimenti će imati potpuno različite definicije životnog vijeka uzorka. Uopšteno govoreći, životni vijek površinskih stanja je mnogo kraći od životnog vijeka stanja tijela.
U nauci o površini, L (Langmuir) se koristi za definiranje ekspozicije površine uzorka, gdje je 1 L=10-6 Torr * s. Možemo vidjeti da je izloženost uzorka obrnuto proporcionalna tlaku zraka. Dakle, da bismo produžili životni vek uzorka, često pokušavamo da povećamo stepen vakuuma sistema što je više moguće.
Ako se izračuna na osnovu molekula N2 na sobnoj temperaturi, s obzirom da su svi molekuli na površini sudara adsorbirani, sloj molekula će se adsorbirati na površini uzorka za 3 sekunde pod vakuumskim uvjetima od 10-6 Torr. U popularnoj naučnoj propagandi često opisujemo važnost vakuuma koristeći 10-6 Torr koji odgovara vremenu jednoslojnog pokrivanja od 1 s. Ovaj termin je prilično živopisan i lako razumljiv, ali studenti koji se bave površinskim istraživanjima ne smiju ga koristiti kao osnovu za naučna istraživanja.
Statistički prosjek udaljenosti između dva susjedna sudara svakog molekula plina naziva se prosječna slobodna putanja molekula. Veličina prosječnog slobodnog puta molekula povezana je s vrstom, gustinom i brzinom molekula u vakuumu. Na sobnoj temperaturi, s obzirom na N2, prosječna slobodna putanja molekula plina je obrnuto proporcionalna pritisku plina: pri atmosferskom pritisku (105 Pa), prosječna slobodna putanja je 59 nm, a pri 10-7 Pa prosječna slobodna putanja je čak 59 km. Na osnovu ovog parametra možemo procijeniti minimalni vakuum potreban za rast magnetronskog raspršivanja.
Prosječna slobodna putanja elektrona odnosi se na statistički prosjek prijeđene udaljenosti između dva uzastopna sudara elektrona i molekula plina (zanemarujući sudare između elektrona). Ovaj parametar se uglavnom primjenjuje na eksperimentalni sistem fotoelektričnog energetskog spektra.
U uslovima ultra visokog vakuuma, termička konvekcija se uglavnom zanemaruje, a toplotno zračenje i provodljivost se uglavnom uzimaju u obzir.Sistemi niskih temperatura(tečni helijum, tečni azot) uglavnom razmatraju sprečavanje prenosa spoljne toplote. Za sisteme koji koriste tečni azot, provođenje toplote je glavni izvor toplote; Za sisteme koji koriste tečni helijum, spoljno toplotno zračenje se ne može zanemariti, a posebnu pažnju treba posvetiti prilikom projektovanja sistema. Visokotemperaturni sistemi moraju uzeti u obzir porast temperature materijala i oslobađanje plina uzrokovano toplinskim zračenjem koje nastaje zagrijavanjem filamenta. Provođenje toplote na visokim temperaturama uglavnom utiče na merenje temperature termoparova. Osim toga, toplinsko zračenje koje stvara sam materijal nakon zagrijavanja na višu temperaturu ne može se zanemariti.
Područje primjene ultra-visokog vakuuma
Područje primjene ultravisokog vakuuma je vrlo opsežno, a ovdje navodimo nekoliko onih koji su najbliži istraživanjima fizike površine,uključujući magnetronsko raspršivanje, lasersko pulsno taloženje, epitaksija molekularnim snopom, površinska analiza, i akceleratori čestica.
Tehnologija ultra visokog vakuuma ima široku primenu u oblastima epitaksije molekularnim snopom i površinske analize, a različite vrste opreme za epitaksiju molekularnog snopa, fotoelektronska spektroskopija, skenirajuća tunelska mikroskopija i drugi sistemi za karakterizaciju preparata rade u ovom opsegu. Zbog činjenice da vakuumski sistemi često čine značajan dio troškova izgradnje sistema, kako odabrati odgovarajući pumpni set i brzo postići najbolji mogući stepen vakuuma na odgovarajuće načine je čest problem koji muči srodna područja.
Akceleratori čestica imaju najstrože zahtjeve za vakuum, ali zbog visokih ukupnih troškova sistema, jedinica vakum pumpenije glavna komponenta troškova. Općenito, bolje vakuum pumpe su konfigurisane što je više moguće. Osim toga, generalno nema izvora zagađenja u komori akceleratora, a stepen vakuuma obično dostiže vrlo visok raspon vakuuma.
Magnetronsko raspršivanje stvara značajno zagađenje tokom procesa isparavanja zbog problema s mehanizmom i obično ne teži posebno visokim nivoima vakuuma.Molekularne pumpne jedinicegeneralno su dovoljni da ispune uslove korišćenja. Poslednjih godina, uz kontinuirano unapređenje tehnologije i dalji razvoj istraživačkih potreba, stepen vakuuma sistema magnetronskog raspršivanja se kontinuirano poboljšava, a tehnologije vezane za ultravisoki vakuum takođe konstantno ulaze u ovo polje.
U prošlosti, potražnja za stepenom vakuuma u tehnologiji laserskog pulsnog taloženja (PLD) bila je između epitaksije molekularnim snopom i magnetronskog raspršivanja. Poslednjih godina, usled postepene integracije sa tehnologijom epitaksije molekularnog snopa (MBE), zahtev za stepenom vakuuma je takođe u stalnom porastu. Laserska molekularna epitaksija (LMBE) je tehnologija ultra-visokog vakuuma koja uključuje MBE u PLD.
