Сверхвысокий вакуум (часто пишется как сверхвысокий на американском английском языке, UHV ) — это режим вакуума , характеризующийся давлением ниже примерно 1 × 10 -6 паскалей (1,0 × 10 -8 мбар ; 7,5 × 10 -9 Торр ). Условия сверхвысокого давления создаются путем откачки газа из камеры сверхвысокого давления. При таких низких давлениях средняя длина свободного пробега молекулы газа превышает примерно 40 км, поэтому газ находится в свободномолекулярном потоке , и молекулы газа будут много раз сталкиваться со стенками камеры, прежде чем столкнуться друг с другом. Таким образом, почти все молекулярные взаимодействия происходят на различных поверхностях камеры.
Условия сверхвысокого напряжения являются неотъемлемой частью научных исследований. Для экспериментов по изучению поверхности часто требуется химически чистая поверхность образца без каких-либо нежелательных адсорбатов . Инструменты анализа поверхности, такие как рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия и рассеяние ионов низкой энергии, требуют условий сверхвысокого напряжения для передачи электронных или ионных пучков. По той же причине лучевые трубы в ускорителях частиц, таких как Большой адронный коллайдер, поддерживаются в сверхвысоком вакууме. [1]
Поддержание условий сверхвысокого напряжения требует использования необычных материалов для оборудования. Полезные концепции для сверхвысокого напряжения включают в себя:
Обычно для сверхвысокого напряжения требуется:
Водород и окись углерода являются наиболее распространенными фоновыми газами в хорошо спроектированной и хорошо проработанной системе сверхвысокого давления. И водород, и CO диффундируют из границ зерен нержавеющей стали. Гелий мог диффундировать через сталь и стекло из наружного воздуха, но этот эффект обычно незначителен из-за низкого содержания гелия в атмосфере.
Измерение высокого вакуума осуществляется с помощью неабсолютного манометра , который измеряет свойства вакуума, связанные с давлением. См., например, Пейси. [2] Эти манометры должны быть откалиброваны. [3] Манометры, способные измерять самые низкие давления, представляют собой магнитные манометры, основанные на зависимости тока от давления в спонтанном газовом разряде в пересекающихся электрическом и магнитном полях. [4]
Давление сверхвысокого вакуума измеряется с помощью ионного датчика либо с горячей нитью накаливания, либо с помощью инвертированного магнетрона.
В любой вакуумной системе некоторое количество газа со временем будет продолжать выходить в камеру и медленно увеличивать давление, если его не откачать. [5] Скорость утечки обычно измеряется в мбар л/с или торр л/с. Хотя некоторое выделение газа неизбежно, если скорость утечки слишком высока, это может замедлить или даже помешать системе достичь низкого давления.
Причин повышения давления может быть множество. К ним относятся простые утечки воздуха, виртуальные утечки и десорбция (с поверхностей или из объема). Существует множество методов обнаружения утечек. Большие утечки можно обнаружить, создав давление в камере и ища пузырьки в мыльной воде, тогда как крошечные утечки могут потребовать более чувствительных методов, вплоть до использования индикаторного газа и специального гелиевого масс-спектрометра .
Дегазация является проблемой для систем сверхвысокого напряжения. Дегазация может происходить из двух источников: поверхностей и сыпучих материалов. Выделение газов из сыпучих материалов сводится к минимуму за счет выбора материалов с низким давлением паров (таких как стекло, нержавеющая сталь и керамика ) для всего внутри системы. Материалы, которые обычно не считаются абсорбирующими, могут выделять газы, включая большинство пластмасс и некоторые металлы. Например, сосуды, облицованные материалом с высокой газопроницаемостью, таким как палладий (который представляет собой водородную губку с высокой пропускной способностью ), создают особые проблемы с выделением газа.
Выделение газов с поверхностей представляет собой более тонкую проблему. При чрезвычайно низких давлениях на стенках адсорбируется больше молекул газа, чем плавает в камере, поэтому общая площадь поверхности внутри камеры более важна, чем ее объем, для достижения сверхвысокого вакуума. Вода является важным источником газовыделения, поскольку тонкий слой водяного пара быстро адсорбируется на всем, что происходит при открытии камеры для доступа воздуха. Вода испаряется с поверхностей слишком медленно, чтобы ее можно было полностью удалить при комнатной температуре, но достаточно быстро, чтобы обеспечить постоянный уровень фонового загрязнения. Удаление воды и подобных газов обычно требует прокаливания системы сверхвысокого давления при температуре от 200 до 400 ° C (от 392 до 752 ° F) при работающих вакуумных насосах. Во время использования камеры стенки камеры можно охлаждать жидким азотом , чтобы еще больше уменьшить выделение газа.
Чтобы достичь низкого давления, часто бывает полезно нагреть всю систему выше 100 °C (212 °F) в течение многих часов (процесс, известный как прокаливание ), чтобы удалить воду и другие следовые газы, которые адсорбируются на поверхностях системы. камера. Это также может потребоваться при «запуске» оборудования в атмосферу. Этот процесс значительно ускоряет процесс дегазации, позволяя гораздо быстрее достичь низкого давления. После обжига, чтобы предотвратить попадание влаги обратно в систему после воздействия атмосферного давления, можно поддерживать поток газообразного азота, который создает небольшое положительное давление , чтобы система оставалась сухой.
Не существует единого вакуумного насоса , который мог бы работать от атмосферного давления до сверхвысокого вакуума. Вместо этого используется ряд различных насосов в зависимости от соответствующего диапазона давления для каждого насоса. На первом этапе форвакуумный насос удаляет большую часть газа из камеры. Далее следуют один или несколько вакуумных насосов, работающих при низком давлении. Насосы, обычно используемые на втором этапе для достижения сверхвысокого давления, включают:
Турбонасосы и диффузионные насосы полагаются на сверхзвуковую атаку молекул системы лопастями и высокоскоростным потоком пара соответственно.
Для экономии времени, энергии и целостности объема СВВ часто используется вакуумная система с воздушным шлюзом или загрузочным шлюзом [6] . Воздушный шлюз имеет одну дверь или клапан, например задвижку или угловой клапан сверхвысокого давления, [7] обращенную к стороне сверхвысокого давления объема, и другую дверь, противодействующую атмосферному давлению, через которую первоначально вводятся образцы или заготовки. После введения пробы и проверки закрытия дверцы шлюзовой камеры обычно откачивают до среднего-высокого вакуума. В некоторых случаях сама заготовка подвергается обжигу или иной предварительной очистке в условиях среднего или высокого вакуума. Затем открывается шлюз в камеру сверхвысокого давления, заготовка перемещается в камеру сверхвысокого давления с помощью роботизированных средств или, если необходимо, с помощью другого приспособления, а клапан сверхвысокого давления снова закрывается. Пока исходная заготовка обрабатывается в условиях СВВ, последующую пробу можно ввести в шлюзовой объем, предварительно очистить и так далее и тому подобное, что существенно экономит время. Хотя при открытии клапана воздушного шлюза в систему СВВ обычно выбрасывается «клубок» газа, насосы системы СВВ обычно могут отобрать этот газ до того, как он успеет адсорбироваться на поверхностях СВВ. В хорошо спроектированной системе с подходящими воздушными шлюзами компоненты сверхвысокого давления редко нуждаются в прокаливании, а качество сверхвысокого давления может улучшаться с течением времени, даже когда детали вставляются и удаляются.
Используются металлические уплотнения с ножевыми кромками с обеих сторон, врезающимися в мягкую медную прокладку. Это уплотнение «металл-металл» может выдерживать давление до 100 пПа (7,5 × 10–13 Торр). Хотя обычно это считается одноразовым, опытный оператор может использовать несколько раз за счет использования щупов, размер которых уменьшается с каждой итерацией, при условии, что кромки ножей находятся в идеальном состоянии. Для полостей SRF индиевые уплотнения чаще используются для соединения двух плоских поверхностей с помощью зажимов для соединения поверхностей. Зажимы необходимо затягивать медленно, чтобы обеспечить равномерное сжатие индиевых уплотнений по всему периметру.
Многие распространенные материалы используются экономно, если вообще используются, из-за высокого давления паров, высокой адсорбционной способности или абсорбционной способности, приводящей к последующему затрудненному выделению газов, или высокой проницаемости в условиях перепада давления (т. е. «сквозного газовыделения»):
Технические ограничения:
Манипулятор сверхвысокого давления позволяет механически позиционировать объект, находящийся внутри вакуумной камеры и под вакуумом. Он может обеспечивать вращательное движение, линейное движение или их комбинацию. Наиболее сложные устройства обеспечивают движение по трем осям и вращение вокруг двух из этих осей. Для создания механического движения внутри камеры обычно используются три основных механизма: механическая муфта через вакуумную стенку (с использованием вакуумноплотного уплотнения вокруг муфты: например, сварной металлический сильфон), магнитная муфта, передающая движение от воздуха. -сторона к стороне вакуума: или скользящее уплотнение с использованием специальных смазок с очень низким давлением паров или ферромагнитной жидкости. Стоимость таких специальных смазок может превышать 400 долларов США за килограмм. [ нужна ссылка ] Для манипуляторов доступны различные формы управления движением, такие как ручки, маховики, двигатели, шаговые двигатели , пьезоэлектрические двигатели и пневматика . Использование двигателей в вакуумной среде часто требует специальной конструкции или других особых требований, поскольку конвективное охлаждение, которое считается само собой разумеющимся в атмосферных условиях, недоступно в среде сверхвысокого напряжения.
Манипулятор или держатель образца могут иметь функции, позволяющие осуществлять дополнительный контроль и тестирование образца, например, возможность приложения тепла, охлаждения, напряжения или магнитного поля. Нагрев образца может осуществляться бомбардировкой электронами или тепловым излучением. Для бомбардировки электронами держатель образца оснащен нитью накала, которая испускает электроны при смещении под высоким отрицательным потенциалом. Воздействие электронов, бомбардирующих образец с высокой энергией, вызывает его нагревание. Для теплового излучения нить накала монтируется рядом с образцом и резистивно нагревается до высокой температуры. Инфракрасная энергия нити нагревает образец.
Сверхвысокий вакуум необходим для многих методов анализа поверхности, таких как:
СВВ необходим для этих применений, чтобы уменьшить загрязнение поверхности за счет уменьшения количества молекул, достигающих образца за определенный период времени. При давлении 0,1 миллипаскаля (7,5 × 10 -7 Торр) покрытие поверхности загрязнителем занимает всего 1 секунду, поэтому для длительных экспериментов требуется гораздо более низкое давление.
СВВ также требуется для:
Хотя это не является обязательным, оно может оказаться полезным в таких приложениях, как: