Ortak birimler içinultra yüksek vakum
1. Milibar (mbar) hava basıncının birimidir, 1000 mbar=1 bar=1 * 105 Pa;
2. Torr, Torricelli deneyindeki milimetre cıva sütunundan (mmHg) gelir ve 760 Torr=1 atm'dir;
3. Pa, 1 Pa'nın 1 N/m2'ye eşit olduğu Uluslararası Birim Sistemi'nden (SI) gelir;
Not: Pa, Uluslararası Birimler Sistemi'nde temel birim değil, türetilmiş birimdir.
Not: 1 bar kesin olarak 105 Pa olarak tanımlanmıştır ve 1 atm kesin olarak 101325 Pa olarak tanımlanmıştır. İkisi pratik kullanımda genellikle tutarlı kabul edilir, ancak farklı tanımlara sahiptir.
Not: Pratik kullanımda Torr ve mbar değerlerinin benzer olması nedeniyle doğruluk gerekmediği durumlarda genellikle eşdeğer kabul edilirler.
Not: Mühendislikte basınç birimi olarak genellikle kilogram (kg/cm2) kullanılır ve değeri 105 Pa'ya yakındır.
Ultra yüksek vakum tanımı
1. Ultra yüksek vakum (UHV), genellikle 10-7-10-12 mbar olarak tanımlanır;
2. High vacuum (HV), generally defined as>10-7 MBAR;
3. Aşırı yüksek vakum (XHV), genellikle şu şekilde tanımlanır:<10-12 mbar.
Ultra yüksek vakumun özellikleri
Yüksek temizlik, yüzey analizinin ultra yüksek vakum gerektirmesinin temel nedenidir. Yüzey fiziği genellikle yüzeydeki birkaç atom katmanının fiziksel olaylarını inceler. Bu nedenle, vakum koşulları altında bile, gaz moleküllerinin numune yüzeyine adsorpsiyonu deneysel sonuçları önemli ölçüde etkileyebilir. Genellikle, bir numune yüzeyinin temizlenmesi ve deneysel sonuçların kirlenmeden etkilenmesi için geçen süreyi tanımlamak için 'ömür' terimini kullanırız. Gaz moleküllerinin farklı adsorpsiyon yeteneklerinden dolayı, farklı numuneler arasında numune ömürlerinde önemli farklılıklar vardır. Aynı numune için bile, farklı deneyler numune ömrünün tamamen farklı tanımlarına sahip olacaktır. Genel olarak, yüzey durumlarının ömrü, gövde durumlarının ömründen çok daha kısadır.
Yüzey biliminde, L (Langmuir), 1 L=10-6 Torr * s olan bir numune yüzeyinin maruziyetini tanımlamak için kullanılır. Numunenin maruziyetinin hava basıncıyla ters orantılı olduğunu görebiliriz. Bu nedenle, numunenin ömrünü artırmak için, genellikle sistemin vakum derecesini mümkün olduğunca artırmaya çalışırız.
Oda sıcaklığındaki N2 moleküllerine göre hesaplanırsa, çarpışma yüzeyindeki tüm moleküllerin adsorbe edildiği varsayıldığında, 10-6 Torr vakum koşulları altında 3 saniyede numune yüzeyine bir molekül tabakası adsorbe olacaktır. Popüler bilim propagandasında, vakumun önemini genellikle 1 s tek tabaka kaplama süresine karşılık gelen 10-6 Torr kullanarak açıklarız. Bu terim oldukça canlı ve anlaşılması kolaydır, ancak yüzey araştırmasıyla uğraşan öğrenciler bunu bilimsel araştırma için bir temel olarak kullanmamalıdır.
Her gaz molekülünün iki bitişik çarpışması arasındaki mesafenin istatistiksel ortalamasına molekülün ortalama serbest yolu denir. Moleküllerin ortalama serbest yolunun büyüklüğü, moleküllerin vakumdaki türü, yoğunluğu ve hızıyla ilişkilidir. Oda sıcaklığında, N2 dikkate alındığında, gaz moleküllerinin ortalama serbest yolu gaz basıncıyla ters orantılıdır: atmosfer basıncında (105 Pa), ortalama serbest yol 59 nm'dir ve 10-7 Pa'da, ortalama serbest yol 59 km kadar yüksektir. Bu parametreye dayanarak, magnetron püskürtme büyümesi için gereken minimum vakumu tahmin edebiliriz.
Elektronların ortalama serbest yolu, elektronların ve gaz moleküllerinin iki ardışık çarpışması arasında kat edilen mesafenin istatistiksel ortalamasını ifade eder (elektronlar arasındaki çarpışmalar göz ardı edilir). Bu parametre esas olarak fotoelektrik enerji spektrumu deneysel sistemine uygulanır.
Ultra yüksek vakum koşullarında, termal taşınım genellikle göz ardı edilir ve esas olarak termal radyasyon ve iletim dikkate alınır.Düşük sıcaklık sistemleri(sıvı helyum, sıvı nitrojen) esas olarak dış ısı transferini engellemeyi dikkate alır. Sıvı nitrojen kullanan sistemlerde ısı iletimi ana ısı kaynağıdır; sıvı helyum kullanan sistemlerde dış termal radyasyon göz ardı edilemez ve sistem tasarlanırken özel dikkat gösterilmelidir. Yüksek sıcaklık sistemlerinde, filamentin ısıtılmasıyla oluşan termal radyasyonun neden olduğu malzeme sıcaklık artışı ve gaz salınımı dikkate alınmalıdır. Yüksek sıcaklıklardaki ısı iletimi esas olarak termokuplların sıcaklık ölçümünü etkiler. Ek olarak, malzemenin daha yüksek bir sıcaklığa ısıtıldıktan sonra ürettiği termal radyasyon göz ardı edilemez.
Ultra yüksek vakumun uygulama alanı
Ultra yüksek vakumun uygulama alanı oldukça geniştir ve burada yüzey fiziği araştırmalarıyla en yakından ilişkili olan birkaçını listeliyoruz.magnetron püskürtme dahil, lazer darbe birikimi, moleküler ışın epitaksisi, yüzey analizi, Ve parçacık hızlandırıcıları.
Ultra yüksek vakum teknolojisi, moleküler ışın epitaksisi ve yüzey analizi alanlarında yaygın olarak kullanılır ve çeşitli moleküler ışın epitaksisi ekipmanı, fotoelektron spektroskopisi, taramalı tünelleme mikroskobu ve diğer hazırlama karakterizasyon sistemleri bu aralıkta çalışır. Vakum sistemlerinin genellikle sistem inşa maliyetlerinin önemli bir bölümünü oluşturması nedeniyle, uygun pompa setinin nasıl seçileceği ve uygun yollarla mümkün olan en iyi vakum derecesinin nasıl hızlı bir şekilde elde edileceği, ilgili alanları rahatsız eden yaygın bir sorundur.
Parçacık hızlandırıcıları vakum için en katı gereksinimlere sahiptir, ancak genel sistem maliyetinin yüksek olması nedeniyle, vakum pompası ünitesimaliyetin ana bileşeni değildir. Genellikle, mümkün olduğunca daha iyi vakum pompaları yapılandırılır. Ek olarak, hızlandırıcı odasında genellikle hiçbir kirlilik kaynağı yoktur ve vakum derecesi genellikle çok yüksek bir vakum aralığına ulaşır.
Magnetron püskürtme, mekanizma sorunları nedeniyle buharlaşma süreci sırasında önemli miktarda kirliliğe neden olur ve genellikle özellikle yüksek vakum seviyelerine ulaşılamaz.Moleküler pompa üniteleriGenellikle kullanım koşullarını karşılamak için yeterlidir. Son yıllarda, teknolojinin sürekli ilerlemesi ve araştırma ihtiyaçlarının daha da gelişmesiyle birlikte, magnetron püskürtme sistemlerinin vakum derecesi sürekli olarak iyileştirilmiş ve ultra yüksek vakumla ilgili teknolojiler de sürekli olarak bu alana girmektedir.
Geçmişte, lazer darbe biriktirme (PLD) teknolojisinde vakum derecesine olan talep moleküler ışın epitaksisi ve magnetron püskürtme arasındaydı. Son yıllarda, moleküler ışın epitaksisi (MBE) teknolojisiyle kademeli entegrasyon nedeniyle, vakum derecesine olan ihtiyaç da sürekli olarak artmaktadır. Lazer moleküler ışın epitaksisi (LMBE), MBE'yi PLD'ye dahil eden ultra yüksek vakum teknolojisidir.
