Кіріспе

Жасанды вакуум, өте төмен қысыммен

Жоғары вакуум (көбінесе американдық ағылшын тілінде UHV деп жазылады) – бұл UHV шарттарынан төмен қысыммен сипатталатын вакуум режимі. UHV жағдайлары газды UHV камерасынан сорып алу арқылы жасалады. Осы төмен қысымда газ молекуласының орташа еркін жүріс жолы шамамен 40 км-ден асады, сондықтан газ еркін молекулалық ағымда болады және газ молекулалары бір-бірімен соқтығысудан бұрын камера қабырғаларымен көп рет соқтығысады. Осылайша, барлық молекулалық өзара әрекеттесулер камера ішіндегі әртүрлі беттерде жүзеге асады. UHV жағдайлары ғылыми зерттеулер үшін өте маңызды. Жер бетін зерттеу эксперименттері көбінесе химиялық тұрғыдан таза үлгі бетін және кез келген қажетсіз адсорбаттардың болмауын қажет етеді. Рентген фотоэлектрондық спектроскопиясы және төмен энергиялы иондық шашырау сияқты беттік талдау құралдары электрондық немесе иондық сәулелерді өткізу үшін UHV жағдайларын қажет етеді. Осы себепті, Үлкен адрондық коллайдер сияқты бөлшектерді үдеткіштегі сәуле құбырлары UHV жағдайында ұсталады.

Қысым

Жоғары вакуумды өлшеу вакуумның қысыммен байланысты қасиетін өлшейтін абсолютті емес өлшегіш арқылы жүзеге асырылады. Мысалы, Пейсиді қараңыз. Мұндай өлшегіштерді калибрлеу қажет. Ең төменгі қысымды өлшеуге мүмкіндік беретін өлшегіштер – электр және магнит өрістерінің қиылысындағы спонтанды газ разрядындағы ток күшінің қысымға тәуелділігіне негізделген магниттік өлшегіштер. UHV қысымын ыстық жіпті немесе инвертті магнитронды иондық өлшегішпен өлшейді.

Сырғанақтың ағу жылдамдығы

Кез келген вакуумдық жүйеде, газдың бір бөлігі уақыт өте келе камераға өтіп, егер сыртқа сорғыланбаса, қысымды баяу арттырады. Бұл ағып кету жылдамдығы әдетте мбар л/с немесе торр л/с-пен өлшенеді. Газдың белгілі бір мөлшерде шығуы болжамды болғанымен, ағып кету жылдамдығы тым жоғары болса, жүйенің төмен қысымға жетуіне бәсеңдік тудыруы немесе тіпті тоқтатуы мүмкін. Қысымның өсуіне түрлі себептер жатады. Оларға қарапайым ауаның шығуы, виртуалды ақаулар және десорбция (беткейлерден немесе көлемнен) кіреді. Ақауларды анықтау үшін әр түрлі әдістер бар. Ірі ақауларды камераны қысыммен толтырып, көпіршіктерді сабынды сумен табу арқылы анықтаса, кішкентай ақауларды табу үшін арнайы гелий масса-спектрометрін және іздеу газын қолдану сияқты күрделі әдістер қажет болуы мүмкін.

Газ шығару

Газ шығару UHV жүйелері үшін мәселе туғызады. Газ шығару екі көзден пайда болуы мүмкін: беттерден және көлемдік материалдардан. Көлемдік материалдардан газ шығаруды төмен бу қысымына ие материалдарды (мысалы, шыны, тот баспайтын болат және керамика) жүйедегі барлық компоненттер үшін таңдау арқылы азайтуға болады. Әдетте сіңіретін деп есептелмейтін материалдар да газ шығара алады, оның ішінде көптеген пластиктер мен кейбір металдар бар. Мысалы, палладий (сутектің жоғары сыйымдылығы бар губкасы) сияқты газға өтімді материалмен қапталған ыдыстар ерекше газ шығару мәселелерін тудырады. Беттерден газ шығару – одан да күрделі мәселе. Өте төмен қысымда, камерада еркін қозғалатын газ молекулаларына қарағанда қабырғаларға көбірек газ молекулалары сіңіріледі, сондықтан UHV-ға жету үшін камераның ішкі бетінің ауданы оның көлемінен маңыздырақ. Су газ шығарудың маңызды көзі болып табылады, себебі камера ауаға ашылғанда су буының жұқа қабаты барлық беттерге жылдам сіңіріледі. Су бөлме температурасында толықтай буланып кетпейді, бірақ тұрақты деңгейдегі ластануды қамтамасыз ету үшін жеткілікті жылдамдықпен беттерден баяу буланады. Суды және осыған ұқсас газдарды шығару үшін, әдетте вакуумдық сорғылар жұмыс істеп тұрғанда UHV жүйесін қыздыру қажет. Камера қолданылып жатқанда, газ шығаруды одан әрі азайту үшін камера қабырғаларын сұйық азотпен салқындатуға болады.

Бэйк-аут

Төмен қысымға жету үшін, камера бетінде сіңірілетін су және басқа да іздік газдарды жою мақсатында бүкіл жүйені көп сағат бойы қыздыру пайдалы (бұл процесс "пектену" деп аталады). Жабдықты атмосфераға "қайта айналымға" шығару кезінде де мұндай қажеттік тууы мүмкін. Бұл процесс газдан шығару процесін едәуір жылдамдатып, төмен қысымға тезірек жетуге мүмкіндік береді. Пектенуден кейін, атмосфералық қысымға ұшыраған соң ылғалдың жүйеге қайта енуін болдырмау үшін, азот газы ағыны арқылы шамалы оң қысымды сақтап, жүйені құрғақ ұстауға болады.

Ауа шлюздары

Уақытты, энергияны және UHV көлемінің тұтастығын сақтау үшін ауа шлюзі немесе жүктеу шлюзінің вакуумдық жүйесі көбінесе қолданылады. Ауа шлюзінің көлемінде UHV көлемінің жағына қаратылған қақпа клапаны немесе UHV бұрыштық клапаны сияқты бір есік немесе клапан және атмосфералық қысымға қарсы, үлгілер немесе жұмыс бөлшектерін бастапқыда енгізуге арналған тағы бір есік болады. Үлгі енгізілгеннен кейін және атмосфераға қарсы есік жабық екеніне көз жеткізгеннен соң, ауа шлюзінің көлемі әдетте орташа жоғары вакуумға дейін сорылады. Кейбір жағдайларда жұмыс бөлшегі осы орташа жоғары вакуумда қыздырылып немесе басқаша тазартылады. UHV камерасына қақпа ашылады, жұмыс бөлшегі роботтық құралдармен немесе қажет болған жағдайда басқа құрылғылар арқылы UHV-ға ауыстырылады және UHV клапаны қайта жабылады. Алғашқы жұмыс бөлшегі UHV аясында өңделген кезде, келесі үлгі ауа шлюзінің көлеміне енгізіліп, алдын ала тазартылып, осылайша көп уақыт үнемделеді. Әдетте, ауа шлюзінің көлеміндегі клапан ашылғанда UHV жүйесіне газдың "шашырауы" шығарылса да, UHV жүйесінің сорғылары көбінесе бұл газды UHV беттеріне сіңірілуге үлкермес бұрын тартып алады. Тиісті ауа шлюздерімен жақсы жобаланған жүйеде UHV компоненттерін сирек қыздыру қажет, және UHV жұмыс бөлшектері енгізіліп, алынып тасталған кезде де уақыт өте келе жақсаруы мүмкін.

Тюльдер

Екі жағында пышақ тәрізді жиектері бар металл тығыздағыштар жұмсақ мыс жалатырғышқа кіріп тығыздау үшін қолданылады. Бұл металл-металл тығыздамасы қысымды төмендетуге мүмкіндік береді. Көбінесе бір реттік қолдануға арналған болса да, тәжірибелі оператор пышақ жиектерінің жағдайы өте жақсы болған жағдайда, әр ретте өлшемі кішірейтіліп бара жатқан калибрлерді пайдаланып, бірнеше рет қолдануға болады. SRF қуыстары үшін екі жазық бетті біріктіру үшін индий тығыздағыштары жиі қолданылады, бұл үшін беттерді жақындастыру үшін қысқыштар пайдаланылады. Индий тығыздағыштарының барлық жағынан біркелкі қысылуын қамтамасыз ету үшін қысқыштарды ақырындап жабу керек.

UHV манипуляторы

UHV манипуляторы вакуум камерасының ішінде және вакуум астында орналасқан нысанды механикалық түрде позициялауға мүмкіндік береді. Ол айналма қозғалысын, сызықтық қозғалысын немесе олардың комбинациясын қамтамасыз ете алады. Ең күрделі құрылғылар үш ось бойынша қозғалыс жасайды және осы осьтердің екеуінің айналуын қамтамасыз етеді. Камера ішіндегі механикалық қозғалысты жасау үшін әдетте үш негізгі механизм қолданылады: вакуум қабырғасы арқылы механикалық байланыс (байланысқа вакуумдық тығыздықпен жабылу арқылы, мысалы, дәнекерленген металл балғалар), қозғалысты ауа жағынан вакуум жағына жеткізетін магниттік байланыс немесе өте төмен бу қысымы немесе ферромагниттік сұйықтықтары бар арнайы майларды қолданатын жылғырғыш тығыздық. Мұндай арнайы майлардың бағасы килограмына 400 АҚШ долларынан асуы мүмкін. Манипуляторлар үшін әртүрлі қозғалыс басқару түрлері қол жетімді, мысалы, тұтқалар, қол дөңгелектері, моторлар, басқыш моторлар, пьезоэлектрлік моторлар және пневматика. Вакуум ортасында моторларды пайдалану көбінесе арнайы конструкцияны немесе басқа да ерекше мәселелерді қажет етеді, себебі атмосфералық жағдайда қарастырылатын конвективтік салқындату UHV ортасында қол жетімді емес. Манипулятор немесе үлгі ұстағышы үлгіні қосымша бақылауға және сынауға мүмкіндік беретін мүмкіндіктерге ие болуы мүмкін, мысалы, жылу беруге, салқындатуға, кернеу қолдануға немесе магниттік өріс құруға. Үлгіні электрондық бомбалау немесе жылулық сәулелендіру арқылы қыздыруға болады. Электрондық бомбалау үшін үлгі ұстағышы жоғары теріс потенциалға қосылғанда электрондарды шығаратын қыздырғышпен жабдықталады. Үлгіге жоғары энергиямен соқтығысатын электрондардың әсері оның қызуына себеп болады. Жылулық сәулелендіру үшін қыздырғыш үлгіге жақын орналастырылады және жоғары температураға дейін кедергі арқылы қыздырылады. Қыздырғыштан шығатын инфрақызыл энергия үлгіні қыздырады.