وحدات مشتركة لفراغ عالي للغاية
1. المليبار (mbar) هي وحدات ضغط الهواء، 1000 mbar=1 bar=1 * 105 Pa؛
2. يأتي Torr من عمود الزئبق المليمتر (mmHg) في تجربة توريشيلي، مع 760 Torr=1 ضغط جوي؛
3. يأتي Pa من النظام الدولي للوحدات (SI)، حيث 1 Pa يساوي 1 N/m2؛
ملاحظة: Pa هي الوحدة المشتقة في النظام الدولي للوحدات، وليست الوحدة الأساسية.
ملاحظة: يتم تعريف 1 بار بدقة على أنه 105 باسكال، ويتم تعريف 1 ضغط جوي بدقة على أنه 101325 باسكال. ويعتبر الاثنان بشكل عام متسقين في الاستخدام العملي، ولكن لهما تعريفات مختلفة.
ملاحظة: في الاستخدام العملي، ونظرًا للقيم المتشابهة لـ Torr وmbar، يتم اعتبارهما بشكل عام متكافئين عندما لا تكون الدقة مطلوبة.
ملاحظة: غالبًا ما يتم استخدام الكيلوجرام (كجم/سم2) كوحدة قياس للضغط في الهندسة، بقيمة قريبة من 105 باسكال.
تعريف الفراغ العالي للغاية
1. الفراغ العالي للغاية (UHV)، والذي يتم تعريفه عمومًا بأنه 10-7-10-12 ملي بار؛
2. High vacuum (HV), generally defined as>10-7 مليبار؛
3. الفراغ العالي الشديد (XHV)، والذي يتم تعريفه عمومًا على أنه<10-12 mbar.
خصائص الفراغ العالي للغاية
النظافة العالية هي السبب الأساسي وراء أن تحليل السطح يتطلب فراغًا عاليًا للغاية. غالبًا ما تدرس فيزياء السطح الظواهر الفيزيائية لعدة طبقات ذرية على السطح. لذلك، حتى في ظل ظروف الفراغ، يمكن أن يؤثر امتصاص جزيئات الغاز على سطح العينة بشكل كبير على النتائج التجريبية. غالبًا ما نستخدم "مدة الحياة" لوصف الوقت الذي يستغرقه تنظيف سطح العينة وتأثر النتائج التجريبية بالتلوث. نظرًا للقدرات المختلفة لامتصاص جزيئات الغاز، فهناك اختلافات كبيرة في أعمار العينات بين العينات المختلفة. حتى بالنسبة لنفس العينة، سيكون للتجارب المختلفة تعريفات مختلفة تمامًا لعمر العينة. بشكل عام، يكون عمر حالات السطح أقصر بكثير من عمر حالات الجسم.
في علم الأسطح، يتم استخدام L (Langmuir) لتحديد تعرض سطح العينة، حيث 1 L=10-6 Torr * s. يمكننا أن نرى أن تعرض العينة يتناسب عكسياً مع ضغط الهواء. لذا، من أجل تحسين عمر العينة، نحاول غالبًا زيادة درجة الفراغ للنظام قدر الإمكان.
إذا تم حسابها بناءً على جزيئات N2 في درجة حرارة الغرفة، مع الأخذ في الاعتبار أن جميع الجزيئات على سطح التصادم يتم امتصاصها، فسيتم امتصاص طبقة من الجزيئات على سطح العينة في 3 ثوانٍ في ظل ظروف فراغ تبلغ 10-6 Torr. في الدعاية العلمية الشعبية، غالبًا ما نصف أهمية الفراغ باستخدام 10-6 Torr المقابلة لوقت تغطية طبقة أحادية لمدة ثانية واحدة. هذا المصطلح واضح للغاية وسهل الفهم، ولكن يجب على الطلاب المشاركين في أبحاث السطح ألا يستخدموه كأساس للبحث العلمي.
المتوسط الإحصائي للمسافة بين تصادمين متجاورين لكل جزيء غاز يسمى المسار الحر المتوسط للجزيء. يرتبط حجم المسار الحر المتوسط للجزيئات بنوع وكثافة وسرعة الجزيئات في الفراغ. في درجة حرارة الغرفة، مع الأخذ في الاعتبار N2، فإن المسار الحر المتوسط لجزيئات الغاز يتناسب عكسياً مع ضغط الغاز: عند الضغط الجوي (105 باسكال)، يكون المسار الحر المتوسط 59 نانومتر، وعند 10-7 باسكال، يصل متوسط المسار الحر المتوسط إلى 59 كم. بناءً على هذه المعلمة، يمكننا تقدير الحد الأدنى من الفراغ المطلوب لنمو الرش المغناطيسي.
يشير متوسط المسار الحر للإلكترونات إلى المتوسط الإحصائي للمسافة المقطوعة بين تصادمين متتاليين للإلكترونات وجزيئات الغاز (مع تجاهل التصادمات بين الإلكترونات). يتم تطبيق هذه المعلمة بشكل أساسي على نظام تجارب طيف الطاقة الكهروضوئية.
في ظل ظروف الفراغ العالي للغاية، يتم تجاهل الحمل الحراري بشكل عام، ويتم أخذ الإشعاع الحراري والتوصيل في الاعتبار بشكل أساسي.أنظمة درجات الحرارة المنخفضة(الهيليوم السائل، النيتروجين السائل) يعتبر بشكل أساسي منع انتقال الحرارة الخارجية. بالنسبة للأنظمة التي تستخدم النيتروجين السائل، فإن التوصيل الحراري هو المصدر الرئيسي للحرارة؛ بالنسبة للأنظمة التي تستخدم الهيليوم السائل، لا يمكن تجاهل الإشعاع الحراري الخارجي، ويجب إيلاء اهتمام خاص عند تصميم النظام. تحتاج أنظمة درجات الحرارة العالية إلى مراعاة ارتفاع درجة حرارة المادة وانبعاث الغاز الناجم عن الإشعاع الحراري الناتج عن تسخين الفتيل. يؤثر التوصيل الحراري عند درجات الحرارة العالية بشكل أساسي على قياس درجة حرارة أجهزة قياس الحرارة. بالإضافة إلى ذلك، لا يمكن تجاهل الإشعاع الحراري الناتج عن المادة نفسها بعد تسخينها إلى درجة حرارة أعلى.
مجال تطبيق الفراغ العالي للغاية
مجال تطبيق الفراغ العالي للغاية واسع جدًا، وهنا نذكر العديد من المجالات الأكثر ارتباطًا بأبحاث فيزياء السطح،بما في ذلك الرش المغنطروني, ترسيب نبضات الليزر, تكاثر الحزمة الجزيئية, تحليل السطح، و مسرعات الجسيمات.
تُستخدم تقنية الفراغ العالي للغاية على نطاق واسع في مجالات التحليل السطحي وتحليل الحزم الجزيئية، وتعمل أنواع مختلفة من معدات التحليل السطحي الجزيئي، والتحليل الطيفي الكهروضوئي، والمجهر النفقي الماسح، وأنظمة توصيف التحضير الأخرى ضمن هذا النطاق. ونظرًا لحقيقة أن أنظمة الفراغ غالبًا ما تمثل نسبة كبيرة من تكاليف بناء النظام، فإن كيفية اختيار مجموعة المضخات المناسبة والحصول بسرعة على أفضل درجة فراغ ممكنة من خلال الوسائل المناسبة هي مشكلة شائعة تزعج المجالات ذات الصلة.
تتمتع مسرعات الجسيمات بمتطلبات صارمة فيما يتعلق بالفراغ، ولكن نظرًا لارتفاع تكلفة النظام الإجمالية، وحدة مضخة التفريغلا يعد هذا هو المكون الرئيسي للتكلفة. بشكل عام، يتم تكوين مضخات التفريغ بشكل أفضل قدر الإمكان. بالإضافة إلى ذلك، لا يوجد عمومًا مصدر تلوث في غرفة التسريع، وعادةً ما تصل درجة الفراغ إلى نطاق فراغ مرتفع للغاية.
تولد عملية الرش المغناطيسي تلوثًا كبيرًا أثناء عملية التبخر بسبب مشكلات الآلية، وعادةً لا تسعى إلى مستويات فراغ عالية بشكل خاص.وحدات الضخ الجزيئيةبشكل عام، تكون كافية لتلبية شروط الاستخدام. في السنوات الأخيرة، مع التقدم المستمر للتكنولوجيا والمزيد من تطوير احتياجات البحث، تم تحسين درجة الفراغ لأنظمة الرش المغناطيسي باستمرار، كما تدخل التقنيات المتعلقة بالفراغ الفائق باستمرار في هذا المجال.
في الماضي، كان الطلب على درجة الفراغ في تقنية ترسيب نبضات الليزر (PLD) بين ترسيب الحزم الجزيئية والرش المغناطيسي. في السنوات الأخيرة، وبسبب التكامل التدريجي مع تقنية ترسيب الحزم الجزيئية (MBE)، فإن الطلب على درجة الفراغ كان يتزايد باستمرار أيضًا. ترسيب الحزم الجزيئية بالليزر (LMBE) هو تقنية فراغ فائقة الارتفاع تدمج MBE في PLD.
