Введение

Искусственный вакуум с очень низким давлением. Ультравысокий вакуум (часто пишется как ultrahigh на американском английском языке, UHV) – это режим вакуума, характеризующийся давлением ниже примерно 10⁻⁹ Торр (или Па). Условия ультравысокого вакуума создаются откачкой газа из камеры ультравысокого вакуума. При таких низких давлениях средняя длина свободного пробега молекулы газа превышает приблизительно 40 км, поэтому газ находится в режиме свободного молекулярного потока, и молекулы газа будут сталкиваться со стенками камеры множество раз, прежде чем столкнуться друг с другом. Таким образом, почти все молекулярные взаимодействия происходят на различных поверхностях внутри камеры. Условия ультравысокого вакуума необходимы для проведения научных исследований. Эксперименты в области физики поверхности часто требуют химически чистой поверхности образца, свободной от нежелательных адсорбированных веществ. Методы анализа поверхности, такие как рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия и дифракция низкоэнергетических ионов, требуют условий ультравысокого вакуума для прохождения электронных или ионных пучков. По той же причине, вакуумные каналы в ускорителях частиц, таких как Большой адронный коллайдер, поддерживаются на уровне ультравысокого вакуума.

Давление

Измерение высокого вакуума осуществляется с помощью неабсолютного манометра, измеряющего свойство вакуума, связанное с давлением. См., например, Пейси. Эти манометры должны быть откалиброваны. Манометры, способные измерять самые низкие давления, – это магнитные манометры, основанные на зависимости тока в спонтанном газовом разряде от давления в пересекающихся электрических и магнитных полях. Сверхвысокие вакуумы (СВВ) измеряются ионным манометром, как с горячей нитью, так и инвертированного магнитронного типа.

Уровень утечки

В любой вакуумной системе некоторое количество газа будет продолжать проникать в камеру со временем, медленно повышая давление, если его не откачивать. Скорость утечки обычно измеряется в мбар л/с или торр л/с. Хотя выделение некоторого количества газа неизбежно, слишком высокая скорость утечки может замедлить или даже предотвратить достижение системой низкого давления. Существует множество возможных причин повышения давления, включая обычные утечки воздуха, виртуальные утечки и десорбцию (как с поверхностей, так и из объема). Существует целый ряд методов обнаружения утечек. Крупные утечки можно обнаружить, создавая избыточное давление в камере и выискивая пузырьки в мыльном растворе, а для обнаружения очень маленьких утечек могут потребоваться более чувствительные методы, вплоть до использования трассировочного газа и специализированного гелиевого масс-спектрометра.

Выделение газов

Выделение газов является проблемой для систем СВУ (UHV). Выделение газов может происходить из двух источников: поверхностей и объемных материалов. Выделение газов из объемных материалов минимизируется путем выбора материалов с низким давлением паров (таких как стекло, нержавеющая сталь и керамика) для всего, что находится внутри системы. Материалы, которые обычно не считаются поглощающими, могут выделять газ, включая большинство пластмасс и некоторые металлы. Например, сосуды, облицованные материалом с высокой газопроницаемостью, таким как палладий (являющийся высокоемким поглотителем водорода), создают особые проблемы с выделением газов. Выделение газов с поверхностей – более сложная проблема. При крайне низких давлениях больше молекул газа адсорбируется на стенках, чем находится в свободном состоянии в камере, поэтому общая площадь поверхности внутри камеры важнее ее объема для достижения СВУ. Вода является значительным источником выделения газов, поскольку тонкий слой водяного пара быстро адсорбируется на всем, когда камера открывается на воздухе. Вода испаряется с поверхностей слишком медленно для полного удаления при комнатной температуре, но достаточно быстро, чтобы создавать постоянный уровень фонового загрязнения. Для удаления воды и подобных газов обычно требуется прокаливание системы СВУ при работающих вакуумных насосах. Во время использования камеры стенки камеры могут охлаждаться жидким азотом для дальнейшего снижения выделения газов.

Выход из строя

Для достижения низкого давления часто бывает полезно нагревать всю систему в течение многих часов (процесс, известный как отжиг) для удаления воды и других следовых газов, которые адсорбируются на поверхностях камеры. Это также может потребоваться при возврате оборудования в атмосферу после его откачки. Этот процесс значительно ускоряет процесс дегазации, позволяя гораздо быстрее достигать низкого давления. После отжига, для предотвращения попадания влаги обратно в систему после воздействия атмосферного давления, можно поддерживать поток азота, создающий небольшое избыточное давление, чтобы система оставалась сухой.

Защитные шлюзы

Для экономии времени, энергии и сохранения целостности объема UHV часто используется воздушный шлюз или вакуумная система шлюза загрузки. Воздушный шлюз имеет один проход или клапан, например, запорный клапан или угловой клапан UHV, обращенный к UHV-стороне объема, и другой проход, герметично закрывающийся от атмосферного давления, через который первоначально вводятся образцы или заготовки. После ввода образца и убеждения в герметичности прохода, изолирующего от атмосферы, объем воздушного шлюза обычно откачивается до среднего высокого вакуума. В некоторых случаях сама заготовка подвергается отжигу или иной предварительной очистке под этим средним высоким вакуумом. Затем открывается проход в камеру UHV, заготовка переносится в UHV с помощью роботов или других устройств, при необходимости, и клапан UHV закрывается. Пока исходная заготовка обрабатывается в условиях UHV, следующий образец может быть введен в воздушный шлюз, предварительно очищен и так далее, что значительно экономит время. Хотя при открытии клапана воздушного шлюза в систему UHV обычно выделяется небольшое количество газа ("пуф"), насосы системы UHV обычно успевают откачать этот газ до того, как он адсорбируется на поверхностях UHV. В хорошо спроектированной системе с подходящими воздушными шлюзами компоненты UHV редко нуждаются в отжиге, и характеристики UHV могут улучшаться со временем даже при вводе и извлечении заготовок.

Печати

Используются металлические уплотнения с ножевыми кромками с обеих сторон, врезающимися в мягкую медную прокладку. Это металлическое уплотнение способно выдерживать давление до… Хотя обычно считается одноразовым, опытный специалист может добиться нескольких циклов использования, применяя щупы постепенно уменьшающегося размера при каждой итерации, при условии, что ножевые кромки находятся в идеальном состоянии. Для резонаторов СВЧ (SRF) чаще используются индиевые уплотнения для герметизации двух плоских поверхностей при помощи зажимов, стягивающих эти поверхности. Зажимы необходимо затягивать медленно, чтобы обеспечить равномерное сжатие индиевого уплотнения по всему периметру.

Манипулятор UHV

Манипулятор UHV позволяет механически позиционировать объект, находящийся внутри вакуумной камеры и в условиях вакуума. Он может обеспечивать вращательное движение, линейное движение или их комбинацию. Наиболее сложные устройства обеспечивают движение по трем осям и вращение вокруг двух из них. Для создания механического движения внутри камеры обычно используются три основных механизма: механическая связь через стенку вакуумной камеры (с использованием вакуумного уплотнения вокруг связи, например, сварного металлического меха), магнитная связь, передающая движение со стороны атмосферы на сторону вакуума, или скользящее уплотнение с использованием специальных смазок с очень низким давлением пара или ферромагнитной жидкости. Такие специальные смазки могут стоить более 400 долларов США за килограмм. Для манипуляторов доступны различные системы управления движением, такие как ручки, маховики, двигатели, шаговые двигатели, пьезоэлектрические двигатели и пневматические приводы. Использование двигателей в вакуумной среде часто требует специальной конструкции или иных особых мер, поскольку конвективное охлаждение, которое обычно доступно в атмосферных условиях, отсутствует в среде сверхвысокого вакуума. Манипулятор или держатель образца могут включать функции для дополнительного контроля и тестирования образца, такие как возможность нагрева, охлаждения, подачи напряжения или создания магнитного поля. Нагрев образца может осуществляться посредством электронной бомбардировки или теплового излучения. Для электронной бомбардировки держатель образца оснащен нитью накала, которая излучает электроны при приложении высокого отрицательного потенциала. Воздействие электронов, бомбардирующих образец с высокой энергией, приводит к его нагреву. Для теплового излучения нить накала устанавливается вблизи образца и нагревается до высокой температуры. Инфракрасное излучение от нити нагревает образец.