הרעיון הבסיסי של ואקום גבוה במיוחד

יחידות נפוצות עבורואקום גבוה במיוחד

1. Millibars (mbar) הם יחידות של לחץ אוויר, 1000 mbar=1 bar=1 * 105 Pa;

2. Torr מגיע מעמודת המילימטר כספית (mmHg) בניסוי Torricelli, עם 760 Torr=1 atm;

3. Pa מגיע ממערכת היחידות הבינלאומית (SI), שבה 1 Pa שווה ל-1 N/m2;

הערה: Pa היא היחידה הנגזרת במערכת היחידות הבינלאומית, לא יחידת הבסיס.

הערה: בר 1 מוגדר בהחלט כ-105 Pa, ו-1 atm מוגדר בהחלט כ-101325 Pa. השניים נחשבים בדרך כלל עקביים בשימוש המעשי, אך יש להם הגדרות שונות.

הערה: בשימוש מעשי, בשל הערכים הדומים של Torr ו-mbar, הם נחשבים בדרך כלל שוות ערך כאשר לא נדרש דיוק.

הערה: קילוגרם (ק"ג/סמ"ר) משמשים לעתים קרובות כיחידת לחץ בהנדסה, עם ערך קרוב ל-105 Pa.

הגדרה של ואקום גבוה במיוחד

1. ואקום אולטרה גבוה (UHV), מוגדר בדרך כלל כ-10-7-10-12 mbar;

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

3. ואקום גבוה קיצוני (XHV), מוגדר בדרך כלל כ<10-12 mbar.

מאפיינים של ואקום גבוה במיוחד

ניקיון גבוה הוא הסיבה הבסיסית לכך שניתוח פני השטח דורש ואקום גבוה במיוחד. פיזיקת פני השטח חוקרת לעתים קרובות את התופעות הפיזיקליות של מספר שכבות אטומיות על פני השטח. לכן, גם בתנאי ואקום, ספיחה של מולקולות גז על פני הדגימה יכולה להשפיע באופן משמעותי על תוצאות הניסוי. לעתים קרובות אנו משתמשים ב'משך חיים' כדי לתאר את הזמן שלוקח לניקוי משטח מדגם ואת תוצאות הניסוי להיות מושפעות מזיהום. בשל יכולות הספיחה השונות של מולקולות גז, ישנם הבדלים משמעותיים בתקופת החיים של המדגם בין דגימות שונות. אפילו עבור אותו מדגם, לניסויים שונים יהיו הגדרות שונות לחלוטין של תוחלת החיים של המדגם. באופן כללי, אורך החיים של מצבי פני השטח קצר בהרבה מזה של מצבי הגוף.

במדעי פני השטח, L (Langmuir) משמש להגדרת החשיפה של משטח מדגם, כאשר 1 L=10-6 Torr * s. אנו יכולים לראות שהחשיפה של המדגם עומדת ביחס הפוך ללחץ האוויר. לכן, על מנת לשפר את תוחלת החיים של המדגם, אנו מנסים לעתים קרובות להגדיל את מידת הוואקום של המערכת ככל האפשר.

אם מחושב על סמך מולקולות N2 בטמפרטורת החדר, בהתחשב בכך שכל המולקולות על משטח ההתנגשות נספגות, שכבה של מולקולות תיספג על פני הדגימה תוך 3 שניות בתנאי ואקום של 10-6 טור. בתעמולה מדעית פופולרית, לעתים קרובות אנו מתארים את החשיבות של ואקום באמצעות שימוש ב-10-6 Torr המקביל לזמן כיסוי חד-שכבתי של 1 שניות. מונח זה הוא די חי וקל להבנה, אך אסור לסטודנטים העוסקים במחקר פני השטח להשתמש בו כבסיס למחקר מדעי.

הממוצע הסטטיסטי של המרחק בין שתי התנגשויות סמוכות של כל מולקולת גז נקרא הנתיב החופשי הממוצע של המולקולה. גודל הנתיב החופשי הממוצע של מולקולות קשור לסוג, צפיפות ומהירות של מולקולות בוואקום. בטמפרטורת החדר, בהתחשב ב-N2, הנתיב החופשי הממוצע של מולקולות הגז עומד ביחס הפוך ללחץ הגז: בלחץ אטמוספרי (105 Pa), הנתיב החופשי הממוצע הוא 59 ננומטר, וב-10-7 Pa, הנתיב החופשי הממוצע הוא גבוה עד 59 ק"מ. בהתבסס על פרמטר זה, אנו יכולים להעריך את הוואקום המינימלי הנדרש לצמיחת מקרטעת מגנטרון.

הנתיב החופשי הממוצע של אלקטרונים מתייחס לממוצע הסטטיסטי של המרחק שעבר בין שתי התנגשויות רצופות של אלקטרונים ומולקולות גז (התעלמות מהתנגשויות בין אלקטרונים). פרמטר זה מיושם בעיקר על מערכת הניסויים של ספקטרום האנרגיה הפוטואלקטרית.

בתנאי ואקום גבוה במיוחד, בדרך כלל מתעלמים מהסעה תרמית, ובעיקר נחשבים קרינה תרמית והולכה.מערכות בטמפרטורה נמוכה(הליום נוזלי, חנקן נוזלי) שוקלים בעיקר מניעת העברת חום חיצוני. עבור מערכות המשתמשות בחנקן נוזלי, הולכת חום היא מקור החום העיקרי; עבור מערכות המשתמשות בהליום נוזלי, לא ניתן להתעלם מקרינה תרמית חיצונית, ויש להקדיש תשומת לב מיוחדת בעת תכנון המערכת. מערכות בטמפרטורה גבוהה צריכות לשקול את עליית טמפרטורת החומר ואת שחרור הגזים הנגרמים מהקרינה התרמית הנוצרת מחימום החוט. הולכת חום בטמפרטורות גבוהות משפיעה בעיקר על מדידת הטמפרטורה של צמדים תרמיים. בנוסף, לא ניתן להתעלם מהקרינה התרמית שנוצרת מהחומר עצמו לאחר חימום לטמפרטורה גבוהה יותר.

תחום היישום של ואקום גבוה במיוחד

תחום היישום של ואקום אולטרה-גבוה הוא נרחב מאוד, וכאן אנו מפרטים כמה שקשורים באופן הדוק ביותר לחקר פיזיקת פני השטח,כולל קיצוץ מגנטרונים, שקיעת דופק לייזר, אפיטקסיית קרן מולקולרית, ניתוח פני השטח, ו מאיצי חלקיקים.

טכנולוגיית ואקום אולטרה-גבוהה נמצאת בשימוש נרחב בתחומי האפיטקסיה מולקולרית וניתוח פני השטח, וסוגים שונים של ציוד אפיטקסיית קרן מולקולרית, ספקטרוסקופיה פוטואלקטרון, מיקרוסקופ מנהור סריקה ומערכות אפיון הכנה אחרות פועלות בטווח זה. בשל העובדה שמערכות ואקום מהוות לרוב חלק ניכר מעלות בניית המערכת, כיצד לבחור את מערך המשאבה המתאים ולקבל במהירות את דרגת הוואקום הטובה ביותר באמצעות אמצעים מתאימים היא בעיה נפוצה שמטרידה תחומים קשורים.

למאיצי חלקיקים יש את הדרישות המחמירות ביותר לוואקום, אך בשל עלות המערכת הכוללת הגבוהה, יחידת משאבת ואקוםאינו המרכיב העיקרי של העלות. בדרך כלל, משאבות ואקום טובות יותר מוגדרות ככל האפשר. בנוסף, בדרך כלל אין מקור זיהום בתא המאיץ, ודרגת הוואקום מגיעה לרוב לטווח ואקום גבוה מאוד.

קפיצת מגנטרונים מייצרת זיהום משמעותי במהלך תהליך האידוי עקב בעיות מנגנון, ובדרך כלל אינה רודפת אחרי רמות ואקום גבוהות במיוחד.יחידות משאבה מולקולריתבדרך כלל מספיקים כדי לעמוד בתנאי השימוש. בשנים האחרונות, עם התקדמות מתמשכת של הטכנולוגיה ופיתוח נוסף של צורכי המחקר, השתפרה דרגת הוואקום של מערכות הקזת המגנטרון ללא הרף, וגם טכנולוגיות הקשורות לוואקום גבוה במיוחד נכנסות כל הזמן לתחום זה.

בעבר, הדרישה לדרגת ואקום בטכנולוגיית לייזר דופק (PLD) הייתה בין אפיטקסיה של קרן מולקולרית לבין קיצוץ מגנטרון. בשנים האחרונות, עקב האינטגרציה ההדרגתית עם טכנולוגיית ה-molecular beam epitxy (MBE), הדרישה לדרגת ואקום גדלה כל הזמן. אפיטקסיית קרני לייזר מולקולרית (LMBE) היא טכנולוגיית ואקום גבוהה במיוחד המשלבת MBE ב-PLD.