Unità comuni perultra-alto vuoto
1. I millibar (mbar) sono unità di pressione dell'aria, 1000 mbar=1 bar=1 * 105 Pa;
2. Il Torr proviene dalla colonna di mercurio millimetrica (mmHg) nell'esperimento di Torricelli, con 760 Torr=1 atm;
3. Pa deriva dal Sistema Internazionale di Unità (SI), dove 1 Pa equivale a 1 N/m2;
Nota: Pa è l'unità derivata del Sistema Internazionale di Unità, non l'unità base.
Nota: 1 bar è definito rigorosamente come 105 Pa e 1 atm è definito rigorosamente come 101325 Pa. I due sono generalmente considerati coerenti nell'uso pratico, ma hanno definizioni diverse.
Nota: nell'uso pratico, poiché i valori di Torr e mbar sono simili, vengono generalmente considerati equivalenti quando non è richiesta precisione.
Nota: in ingegneria, come unità di pressione si utilizzano spesso i chilogrammi (kg/cm2), con un valore prossimo a 105 Pa.
Definizione di ultra-alto vuoto
1. Ultra alto vuoto (UHV), generalmente definito come 10-7-10-12 mbar;
2. High vacuum (HV), generally defined as>10-7 mbar;
3. Vuoto estremo elevato (XHV), generalmente definito come<10-12 mbar.
Caratteristiche dell'ultra alto vuoto
L'elevata pulizia è la ragione fondamentale per cui l'analisi delle superfici richiede un vuoto ultra-alto. La fisica delle superfici studia spesso i fenomeni fisici di diversi strati atomici sulla superficie. Pertanto, anche in condizioni di vuoto, l'adsorbimento di molecole di gas sulla superficie del campione può influenzare significativamente i risultati sperimentali. Spesso utilizziamo "durata" per descrivere il tempo necessario affinché la superficie di un campione venga pulita e i risultati sperimentali vengano influenzati dalla contaminazione. A causa delle diverse capacità di adsorbimento delle molecole di gas, ci sono differenze significative nella durata dei campioni tra campioni diversi. Anche per lo stesso campione, esperimenti diversi avranno definizioni completamente diverse della durata del campione. In generale, la durata degli stati di superficie è molto più breve di quella degli stati del corpo.
Nella scienza delle superfici, L (Langmuir) è utilizzato per definire l'esposizione di una superficie campione, dove 1 L=10-6 Torr * s. Possiamo vedere che l'esposizione del campione è inversamente proporzionale alla pressione dell'aria. Quindi, per migliorare la durata del campione, spesso cerchiamo di aumentare il grado di vuoto del sistema il più possibile.
Se calcolato in base alle molecole di N2 a temperatura ambiente, considerando che tutte le molecole sulla superficie di collisione sono adsorbite, uno strato di molecole verrà adsorbito sulla superficie del campione in 3 secondi in condizioni di vuoto di 10-6 Torr. Nella propaganda scientifica popolare, descriviamo spesso l'importanza del vuoto utilizzando 10-6 Torr corrispondenti a 1 s di tempo di copertura del monostrato. Questo termine è abbastanza vivido e facile da capire, ma gli studenti impegnati nella ricerca sulle superfici non devono usarlo come base per la ricerca scientifica.
La media statistica della distanza tra due collisioni adiacenti di ogni molecola di gas è chiamata cammino libero medio della molecola. La dimensione del cammino libero medio delle molecole è correlata al tipo, alla densità e alla velocità delle molecole nel vuoto. A temperatura ambiente, considerando N2, il cammino libero medio delle molecole di gas è inversamente proporzionale alla pressione del gas: a pressione atmosferica (105 Pa), il cammino libero medio è di 59 nm e a 10-7 Pa, il cammino libero medio è alto quanto 59 km. Sulla base di questo parametro, possiamo stimare il vuoto minimo richiesto per la crescita mediante sputtering magnetron.
Il cammino libero medio degli elettroni si riferisce alla media statistica della distanza percorsa tra due collisioni consecutive di elettroni e molecole di gas (ignorando le collisioni tra elettroni). Questo parametro è applicato principalmente al sistema sperimentale dello spettro di energia fotoelettrica.
In condizioni di vuoto ultra-alto, la convezione termica viene generalmente ignorata e vengono presi in considerazione principalmente la radiazione termica e la conduzione.Sistemi a bassa temperatura(elio liquido, azoto liquido) considerano principalmente la prevenzione del trasferimento di calore esterno. Per i sistemi che utilizzano azoto liquido, la conduzione del calore è la principale fonte di calore; Per i sistemi che utilizzano elio liquido, la radiazione termica esterna non può essere ignorata e si dovrebbe prestare particolare attenzione durante la progettazione del sistema. I sistemi ad alta temperatura devono considerare l'aumento della temperatura del materiale e il rilascio di gas causato dalla radiazione termica generata dal riscaldamento del filamento. La conduzione del calore ad alte temperature influisce principalmente sulla misurazione della temperatura delle termocoppie. Inoltre, la radiazione termica generata dal materiale stesso dopo essere stato riscaldato a una temperatura più elevata non può essere ignorata.
Il campo di applicazione dell'ultra alto vuoto
Il campo di applicazione dell'ultra-alto vuoto è molto vasto e qui ne elenchiamo alcuni che sono più strettamente correlati alla ricerca sulla fisica delle superfici,compreso lo sputtering magnetron, deposizione di impulsi laser, epitassia a fascio molecolare, analisi di superficie, E acceleratori di particelle.
La tecnologia dell'ultra alto vuoto è ampiamente utilizzata nei campi dell'epitassia a fascio molecolare e dell'analisi di superficie, e vari tipi di apparecchiature per l'epitassia a fascio molecolare, spettroscopia fotoelettronica, microscopia a scansione a effetto tunnel e altri sistemi di caratterizzazione della preparazione funzionano in questo intervallo. Poiché i sistemi a vuoto spesso rappresentano una quota significativa dei costi di costruzione del sistema, come scegliere il set di pompe appropriato e ottenere rapidamente il miglior grado di vuoto possibile tramite mezzi appropriati è un problema comune che affligge i campi correlati.
Gli acceleratori di particelle hanno i requisiti più rigorosi per il vuoto, ma a causa dell'elevato costo complessivo del sistema, unità pompa a vuotonon è la componente principale del costo. In genere, le pompe per vuoto migliori sono configurate il più possibile. Inoltre, in genere non vi è alcuna fonte di inquinamento nella camera dell'acceleratore e il grado di vuoto solitamente raggiunge un intervallo di vuoto molto elevato.
Lo sputtering magnetron genera un inquinamento significativo durante il processo di evaporazione a causa di problemi meccanici e solitamente non raggiunge livelli di vuoto particolarmente elevati.Unità di pompaggio molecolaresono generalmente sufficienti a soddisfare le condizioni di utilizzo. Negli ultimi anni, con il continuo progresso della tecnologia e l'ulteriore sviluppo delle esigenze di ricerca, il grado di vuoto dei sistemi di sputtering magnetron è stato costantemente migliorato e anche le tecnologie correlate all'ultra-alto vuoto stanno costantemente entrando in questo campo.
In passato, la richiesta di grado di vuoto nella tecnologia di deposizione a impulsi laser (PLD) era compresa tra l'epitassia a fascio molecolare e lo sputtering magnetron. Negli ultimi anni, grazie alla graduale integrazione con la tecnologia di epitassia a fascio molecolare (MBE), anche la richiesta di grado di vuoto è aumentata costantemente. L'epitassia a fascio molecolare laser (LMBE) è una tecnologia di vuoto ultra-alto che incorpora MBE in PLD.
