Unidades comuns paraultra-alto vácuo
1. Milibares (mbar) são unidades de pressão de ar, 1000 mbar=1 bar=1 * 105 Pa;
2. Torr vem da coluna de mercúrio milimétrica (mmHg) no experimento Torricelli, com 760 Torr=1 atm;
3. Pa vem do Sistema Internacional de Unidades (SI), onde 1 Pa é igual a 1 N/m2;
Nota: Pa é a unidade derivada no Sistema Internacional de Unidades, não a unidade base.
Nota: 1 bar é estritamente definido como 105 Pa, e 1 atm é estritamente definido como 101325 Pa. Os dois são geralmente considerados consistentes no uso prático, mas têm definições diferentes.
Nota: No uso prático, devido aos valores semelhantes de Torr e mbar, eles são geralmente considerados equivalentes quando a precisão não é necessária.
Nota: Quilogramas (kg/cm2) são frequentemente usados como unidade de pressão em engenharia, com um valor próximo a 105 Pa.
Definição de ultra-alto vácuo
1. Ultra alto vácuo (UHV), geralmente definido como 10-7-10-12 mbar;
2. High vacuum (HV), generally defined as>10-7 barra;
3. Vácuo extremo alto (XHV), geralmente definido como<10-12 mbar.
Características do ultra-alto vácuo
Alta limpeza é a razão fundamental pela qual a análise de superfície requer vácuo ultra-alto. A física de superfície frequentemente estuda os fenômenos físicos de várias camadas atômicas na superfície. Portanto, mesmo sob condições de vácuo, a adsorção de moléculas de gás na superfície da amostra pode afetar significativamente os resultados experimentais. Frequentemente usamos "tempo de vida" para descrever o tempo que leva para uma superfície de amostra ser limpa e os resultados experimentais serem afetados pela contaminação. Devido às diferentes habilidades de adsorção de moléculas de gás, há diferenças significativas nos tempos de vida das amostras entre diferentes amostras. Mesmo para a mesma amostra, diferentes experimentos terão definições completamente diferentes de tempo de vida da amostra. Em geral, o tempo de vida dos estados de superfície é muito menor do que o dos estados do corpo.
Na ciência de superfície, L (Langmuir) é usado para definir a exposição de uma superfície de amostra, onde 1 L=10-6 Torr * s. Podemos ver que a exposição da amostra é inversamente proporcional à pressão do ar. Então, para melhorar a vida útil da amostra, frequentemente tentamos aumentar o grau de vácuo do sistema o máximo possível.
Se calculado com base em moléculas de N2 à temperatura ambiente, considerando que todas as moléculas na superfície de colisão são adsorvidas, uma camada de moléculas será adsorvida na superfície da amostra em 3 segundos sob condições de vácuo de 10-6 Torr. Na propaganda científica popular, frequentemente descrevemos a importância do vácuo usando 10-6 Torr correspondendo a 1 s de tempo de cobertura da monocamada. Este termo é bastante vívido e fácil de entender, mas os alunos envolvidos em pesquisa de superfície não devem usá-lo como base para pesquisa científica.
A média estatística da distância entre duas colisões adjacentes de cada molécula de gás é chamada de caminho livre médio da molécula. O tamanho do caminho livre médio das moléculas está relacionado ao tipo, densidade e velocidade das moléculas no vácuo. À temperatura ambiente, considerando N2, o caminho livre médio das moléculas de gás é inversamente proporcional à pressão do gás: à pressão atmosférica (105 Pa), o caminho livre médio é de 59 nm, e a 10-7 Pa, o caminho livre médio é tão alto quanto 59 km. Com base neste parâmetro, podemos estimar o vácuo mínimo necessário para o crescimento da pulverização catódica do magnetron.
O caminho livre médio de elétrons se refere à média estatística da distância percorrida entre duas colisões consecutivas de elétrons e moléculas de gás (ignorando colisões entre elétrons). Este parâmetro é aplicado principalmente ao sistema experimental de espectro de energia fotoelétrica.
Em condições de ultra-alto vácuo, a convecção térmica é geralmente ignorada, e a radiação e a condução térmicas são principalmente consideradas.Sistemas de baixa temperatura(hélio líquido, nitrogênio líquido) consideram principalmente a prevenção da transferência de calor externo. Para sistemas que usam nitrogênio líquido, a condução de calor é a principal fonte de calor; Para sistemas que usam hélio líquido, a radiação térmica externa não pode ser ignorada, e atenção especial deve ser dada ao projetar o sistema. Sistemas de alta temperatura precisam considerar o aumento da temperatura do material e a liberação de gás causada pela radiação térmica gerada pelo aquecimento do filamento. A condução de calor em altas temperaturas afeta principalmente a medição de temperatura de termopares. Além disso, a radiação térmica gerada pelo próprio material após ser aquecido a uma temperatura mais alta não pode ser ignorada.
O campo de aplicação do vácuo ultra-alto
O campo de aplicação do ultra-alto vácuo é muito extenso, e aqui listamos vários que estão mais intimamente relacionados à pesquisa em física de superfícies,incluindo pulverização catódica de magnetron, deposição de pulso de laser, epitaxia de feixe molecular, análise de superfície, e aceleradores de partículas.
A tecnologia de ultra alto vácuo é amplamente usada nos campos de epitaxia de feixe molecular e análise de superfície, e vários tipos de equipamentos de epitaxia de feixe molecular, espectroscopia de fotoelétrons, microscopia de tunelamento de varredura e outros sistemas de caracterização de preparação funcionam dentro dessa faixa. Devido ao fato de que os sistemas de vácuo geralmente respondem por uma proporção significativa dos custos de construção do sistema, como escolher o conjunto de bomba apropriado e obter rapidamente o melhor grau de vácuo possível por meio de meios apropriados é um problema comum que incomoda campos relacionados.
Os aceleradores de partículas têm os requisitos mais rigorosos para vácuo, mas devido ao alto custo geral do sistema, unidade de bomba de vácuonão é o principal componente do custo. Geralmente, bombas de vácuo melhores são configuradas o máximo possível. Além disso, geralmente não há fonte de poluição na câmara do acelerador, e o grau de vácuo geralmente atinge uma faixa de vácuo muito alta.
A pulverização catódica por magnetron gera poluição significativa durante o processo de evaporação devido a problemas de mecanismo e geralmente não atinge níveis de vácuo particularmente altos.Unidades de bomba molecularsão geralmente suficientes para atender às condições de uso. Nos últimos anos, com o avanço contínuo da tecnologia e o desenvolvimento adicional das necessidades de pesquisa, o grau de vácuo dos sistemas de pulverização catódica magnetron tem sido continuamente melhorado, e tecnologias relacionadas ao vácuo ultra-alto também estão constantemente entrando neste campo.
No passado, a demanda por grau de vácuo na tecnologia de deposição de pulso a laser (PLD) estava entre epitaxia de feixe molecular e pulverização catódica de magnetron. Nos últimos anos, devido à integração gradual com a tecnologia de epitaxia de feixe molecular (MBE), a exigência por grau de vácuo também tem aumentado constantemente. A epitaxia de feixe molecular a laser (LMBE) é uma tecnologia de ultra-alto vácuo que incorpora MBE ao PLD.
