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                      超高真空系統基礎知識與基本概念
                      標簽: 基礎知識
                      2022-12-30  閱讀

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                        【康沃真空網】一、超高真空常用單位

                        1.    毫巴(mbar)來自于氣壓的單位bar,1000 mbar = 1 bar = 1*105 Pa;

                        2.    托(Torr)來自于托里拆利實驗中的毫米汞柱(mmHg),760 Torr =1 atm;

                        3.    帕(Pa)來自于國際單位制(SI),1 Pa = 1 N/m2;

                        備注:Pa是國際單位制中的導出單位而非基本單位

                        備注:1 bar嚴格定義為105 Pa, 1 atm嚴格定義為101325 Pa,兩者在實際使用中基本認為一致,但定義上有所不同。

                        備注:在實際使用中,由于Torr和mbar數值相近,對不要求精度時一般認為等價。

                        備注:工程上經常會使用公斤(kg/cm2)作為壓力的單位,數值上接近于105 Pa。

                        二、超高真空的定義

                        1. 超高真空(ultra-high vacuum,UHV)一般定義為10-7-10-12 mbar;

                        2. 高真空(high vacuum,HV)一般定義為 > 10-7 mbar;

                        3. 極高真空(Extreme high vacuum,XHV)一般定義為 < 10-12 mbar。

                        三、超高真空的特點

                        1. 潔凈度高

                        高潔凈度是表面分析需要用到超高真空的根本原因。表面物理研究的往往是表面幾個原子層的物理現象,因此,即便是在真空條件下,氣體分子在樣品表面的吸附往往會顯著影響實驗結果。我們經常用“壽命(lifetime)”來描述樣品表面從清潔到所受污染影響實驗結果所花費的時間。不同樣品之間,由于對氣體分子吸附能力的不同,樣品壽命有很大差異。即使對于同種樣品,不同實驗對于樣品壽命也會有完全不同的定義。通常來說,表面態的壽命比體態的壽命要短得多。

                        表面科學中用L(Langmuir)定義樣品表面的暴露情況,1 L = 10-6 Torr*s。我們可以看到,樣品的暴露情況和氣壓是成反比關系。所以,為了提高樣品的壽命,我們往往會盡可能地提高系統的真空度。

                        如果以室溫條件下的N2分子進行計算,考慮所有碰撞表面的分子全部被吸附的話,在10-6 Torr的真空條件下,3秒鐘會在樣品表面吸附一層分子。在科普宣傳中我們經常以10-6 Torr對應1 s單分子層覆蓋時間來描述真空的重要性,這個提法比較形象,易于理解,但從事表面研究的同學們一定不要以此作為科學研究的依據。

                        2. 平均自由程長

                        每個氣體分子相鄰兩次碰撞的距離統計平均值稱為分子的平均自由程。分子平均自由程的大小和真空中分子的種類、密度和運動速度都有關系。在常溫下,考慮N2的話,氣體分子的平均自由程和氣壓成反比:大氣壓(105 Pa)下,平均自由程為59 nm,10-7 Pa的平均自由程則高達59 km。根據這一參數,我們可以估計磁控濺射生長所需要的最低真空度。

                        電子平均自由程指的是電子和氣體分子連續兩次碰撞之間所走過的路程統計平均值(忽略電子之間的碰撞)。這一參數主要應用于光電能譜實驗系統。

                        3. 絕熱性

                        超高真空條件下,一般忽略熱對流,主要考慮熱輻射和熱傳導。低溫系統(液氦、液氮)主要考慮阻止外界熱量的傳入。對使用液氮的系統來說,熱傳導是主要的熱量來源;對使用液氦的系統來說,外部熱輻射是不可忽略的,在設計系統時要特別注意。高溫系統則需要考慮加熱燈絲產生熱輻射帶來的材料升溫放氣。高溫下熱傳導主要對熱偶的溫度測量產生影響。此外,材料被加熱到較高溫度后,自身產生的熱輻射也不可忽略。

                        四、超高真空的應用領域

                        超高真空應用領域非常廣泛,這里我們列舉了和表面物理研究關系最密切的幾種,包括磁控濺射、激光脈沖沉積、分子束外延、表面分析和粒子加速器。

                        分子束外延和表面分析領域廣泛使用超高真空技術,各種類型的分子束外延設備、光電子能譜和掃描隧道顯微鏡等制備表征系統都在這個范圍內工作。由于真空系統在系統建設成本中往往占據相當大的比例,如何選擇合適的組并通過恰當的方式迅速獲得盡可能好的真空度,是困擾相關領域的普遍問題。

                        粒子加速器對真空要求最為苛刻,但因為整體系統造價較高,真空泵組不是成本的主要構成,一般盡可能配置較好的真空泵,加之加速器的腔體內一般沒有污染源,真空度通常會達到極高真空的范圍。

                        磁控濺射因為機制問題,蒸鍍過程中產生的污染較大,通常不會追求特別高的真空度,一般用分子泵組即可滿足使用條件。近年來,隨著技術的不斷進步和研究需求的進一步發展,磁控濺射系統的真空度持續提高,超高真空相關技術也在不斷進入這一領域。

                        激光脈沖沉積(PLD)技術過去對真空度的需求介于分子束外延和磁控濺射之間,近年來由于與分子束外延(MBE)技術逐漸融合,真空度要求也在不斷提高。激光分子束外延(LMBE)就是在PLD中融入了MBE的超高真空技術。


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