A ultranagy vákuumos egy szintje vákuum nagyon alapos, azzal jellemezve, hogy nyomás általában kevesebb, mint 10 -6 Pa vagy 10 -7 Pa (10 -9 mbar , vagy körülbelül 10 -9 Torr ). Az ultravákuum-kamrában a levegő ezért milliárdszor ritkább, mint a földi atmoszférában , amelynek nyomása 10 5 Pa nagyságrendű . Az ultravákuum technikákat széles körben alkalmazzák a kutatásban, a mikroszkópia és a spektroszkópia során .
A vákuum rendszer nagyobb, mint az ultra-nagy vákuum nevezik extrém vákuumot, és ez alkotja az alsó határ a nyomás az ultranagy vákuumos domain, a 10 -10 Pa .
A nagyon alacsony nyomás elérése számos technikai fejlesztést igényel: nemcsak a szivattyúk képesek a levegő kellő elvékonyítására, hanem a burkolatok és anyagok is képesek fenntartani a vákuumszintet, valamint a hatékony vákuum érzékeléséhez szükséges kellően hatékony és pontos érzékelők.
A vákuum keresése az első izzólámpákkal indult . Ezután a higanyszivattyút használták, amely az 1910-es években könnyedén elérte a 10–5 Torr nagyságrendű nyomást , míg a mérőeszközök, például a Knudsen vagy a McLeod (in) nyomásmérők nehezen mérhetők 10 −6 Torr . A különböző szivattyúk kombinálásával lehetővé válik a 10 −7 Torr vákuumszint elérése , amely mérhetővé válik, ha a műszereket nagy körültekintéssel használják.
A volfrám izzólámpa feltalálása felgyorsítja a nagyon alacsony vákuumszint keresését az izzó használat közbeni sötétedése miatt. Irving Langmuir ebben az összefüggésben megjegyzi, hogy ezeknek az izzóknak az élettartama nem javítható az idő vákuumának minőségével, a tartós kályhák vízmennyiségének csökkentésével vagy a 10–5 Torr ne elérésével nem elég, és az izzók még mindig túl gyorsan fekete lesz.
A őse a ionszivattyú (en) valószínűleg nyúlik vissza 1933, amikor von Mayern használ dióda izzókatóddal merítjük mágneses mező megtisztítani a fennmaradó gáz alatt a vákuum fázisban. Ily módon eléri a 10 −7 Torr-ot. A Wolfgang Gaede (de) , Fernand Holweck és Manne Siegbahn által tervezett időszak molekuláris szivattyúit ( molekuláris ellenállású szivattyúi ) korlátozzák azok az olajok, amelyek a vákuumszint 6 × 10 -7 Torr-ra történő korlátozásához vezetnek . 1928-tól a diffúziós szivattyúk technológiája főleg a felhasznált folyadékok megváltoztatása révén alakult ki: Burch a higany diffúziós szivattyú higanyját szerves folyadékokkal helyettesítette, és olajgőz diffúziós szivattyúkat vezettek be.
Ugyanakkor a nyomásmérés is javul Saul Dushman (en) és a CG Found által elért haladásnak köszönhetően ; a forró katódionizációt (in) 1921-ben tartják a legjobb mérőeszköznek, működési határát még nem fedezik fel, és Jaycox és Weinhart 1931-es munkája után ez a típusú mérőeszköz legfeljebb 10 −8 Torr mérésre szolgál . Az ötvenes években csak a Bayard-Alpert mérőeszköz túllépte ezt a határt: tervezése szerint a forró katódmérőket hosszú ideig korlátozta a lágy röntgensugárzás hatása, amely a negatív töltésű kollektor elérésekor az anyagot ionizálja és így korlátozza a mérési lehetőségeket. A Bayard-Alperttel nyomtávú, miközben védi az a része, amely addig esett át ionizáció által X-sugarak, rögzíthet nyomás legfeljebb 10 -11 Torr.
Miután a mérési határ a nyomásmérők javult, végül felfedezték, hogy a rendszerek felszerelt diffúziós szivattyú marad érvényes, amíg kevesebb, mint 10 -10 Torr: az ultra-vákuumot előtt elért lehetett mérni.. Az ultramagas vákuum nevét ennek a rendszernek kapják, miután felfedezték, amely felfedezés felélénkíti a rendkívül alacsony nyomás keresését. Csak az 1960-as években alakultak ki igazán azok a berendezések, amelyek lehetővé tették az ultra-nagy vákuumban használt nyomások teljes spektrumának elérését. A technológia, akkor utoléri a szükségességét, hiszen a legtöbb alkalmazás nem igényel majd a sebesség jobb, mint 10 -8 Pa míg néhány kifinomultabb burkolatok olyan extrém vákuum mértéke akár 10 -11 Pa .
Az ultramagas vákuumban elért nagyon alacsony nyomások miatt a burkolatok falait egy atmoszféra (~ 10 5 Pa ) differenciális (mechanikus) feszültségnek teszik ki .
Vezetéknév | Nyomás mbar-ban |
---|---|
Durva vákuum | 1000-től 1-ig |
Közepes vákuum | 1-től 10 -3-ig |
Nagy vákuum | 10 -3 és 10 -5 között |
Rendkívül nagy vákuum | 10 -7 és 10 -9 között |
Extrém vákuum | <10 -9 |
Abszolút vákuum | 0 (részecske nélkül) |
Az ultra nagy vákuum csak egy kategória a vákuum több szintje között. Az általánosan alkalmazott vágás és a legegyszerűbb az elsődleges vákuumot a szekunder vákuumtól 10-6 mbar nyomáson választja el (az elsődleges nagyobb és a másodlagos alacsonyabb).
Pontosabban, a vákuumszintek csökkenő nyomásokban vannak: durva vákuum, elsődleges vákuum, közepes vagy közepes vákuum, másodlagos vagy nagy vákuum, ultravákuum, extrém vákuum, abszolút vákuum. Ezen területek mindegyike különböző alkalmazásokat tesz lehetővé. Korlátaik nincsenek szabványosítva, és a földrajzi tényezőktől függhetnek: az ultra-magas vákuum felső határa Európában 10 −6 Pa , az Egyesült Államokban 10 −7 Pa ; az alacsony nyomású határérték, amely elválasztja az ultra nagy vákuumban az extrém vákuum 10 -10 Pa .
A vákuumrendszereket a kamrában lévő gázok kinetikai tulajdonságai szerint is meg lehet különböztetni: ha figyelembe vesszük l a molekulák átlagos szabad útját és D a kamra dimenzióját, akkor:
Különösen nagy vákuumban a jelenlévő gázok különösen ritkák. Ezek a gázok tartalmazzák a szén-monoxidot (CO), amelynek bizonyított eredete fűtött szálak jelenlétéhez kapcsolódik, mint például az elért nyomás rögzítéséhez szükséges Bayard-Alpert mérőknél.
MolekulasűrűségÚgy gondoljuk, hogy a molekulasűrűség az ideális gáztörvényt követi :
vagy:
kijelöli a nyomást , molekulasűrűség, a Boltzmann-állandó , a hőmérséklet .A ultranagy, molekuláris sűrűsége körülbelül 3,3 x 10 7 mol / cm 3 , hogy 25- ° C .
Átlagos ingyenes tanfolyamMivel az ultramagas vákuumban elért alacsony nyomás alatt egy részecske átlagos szabad útja meghaladja az egy kilométert, és több tíz kilométert is elérhet, ezek a molekulák sokszor eltalálják a falakat, mielőtt ütköznének. Az átlagos szabad út követi a törvényt , amely általában körülbelül ötven kilométeres távolságnak felel meg 25 ° C-on . A CO-ra alkalmazva, amelynek átmérője 320 μm nagyságrendű , a szén-monoxid-molekulák átlagos szabad útja több mint 60 km lenne , környezeti nyomáson 58,6 nm- rel szemben .
A monomolekuláris réteg kialakulásának idejeAz utolsó jellemző, amelyet vákuumban tanulmányoztak, és nagyon fontos az ultravákuum rendszerben, az a sebesség, amellyel a felületet egy molekula vastagságú gázréteg borítja.
Nagyon magas vákuumban 25 ° C-on ez az idő körülbelül 37 percnek tekinthető.
Ha elérjük a 10–6 mbar alatti nyomást , az anyagok adszorbeálódnak , vagyis rögzülnek a felületükön, a jelenlévő gázmolekulák, amelyek ezután monomolekuláris réteget alkotnak az anyagon. Ennek eredményeként a kamrában szinte minden reakció az anyagok felületén történik.
Az ultravákuumos kamra felépítéséhez speciális anyagok felhasználása szükséges.
A héliumot az UHV berendezés szivárgásának észlelésére használjuk, mert a szilárd anyagokon keresztül háromszor gyorsabban diffundál , mint a levegő.
A felhasznált fémeket tartósságuk, magas hőmérsékletekkel szembeni ellenállásuk (a gőzölés miatt), valamint alacsony degáz- és gáztároló képességük miatt választják meg. Ezért a rozsdamentes acélokat általában az ultravákuum-rendszerhez választják : az alumínium és a szénacél, amelyeket még mindig nagy vákuumban lehet használni, már nem használhatók ultravákuumban, a sütéssel szembeni ellenállás korlátai és a túlzott vákuum miatt a gázok visszatartása.
Az ultra nagy vákuumban használt peremeknek és tömítéseknek el kell viselniük a meglehetősen magas tűzhőmérsékletet, miközben nem szennyezik a házat. A tömítések és a karimák ezért fémek, és néha speciális alumíniumötvözeteket használnak, amelyeket ezekhez az alkalmazásokhoz fejlesztettek ki.
Az alkalmazott szivattyúk turbomolekuláris szivattyúk, amelyek a tökéletesen hermetikus házban levő levegőt pumpálják . Az eszközök differenciál szivattyúzárból állnak. A 2010-es években egy ultravákuum hangszóró negyed óra alatt elérheti az ultravákuumot.
Az ultravákuumhoz három típusú szelepet használnak, az elérhető vákuumszint növekvő sorrendjében: földgömbszelep , zárószelep vagy tolószelep és ultravákuumszelep.
Az első a szokásos modell módosítását igényli, amely atmoszférikus gázt és szénhidrogéneket vezethet be a kamrába úgy, hogy a két lezárt O-gyűrűt fémszeleppel és Viton tömítéssel (in) cseréli fel, ami lehetővé teszi az ultravákuum megközelítését. A legmegfelelőbbek azok a szelepek, amelyeket kifejezetten az ultramagas vákuumhoz terveztek: anyaguk úgy készül, hogy ellenálljon a mező sajátos gőzölésének, 300 ° C és 450 ° C közötti nagyságrendben , minden tömítés fémes, hogy elkerülje a gázmentesítési problémákat. és a tömítéseket fémmembránok és fém-fém érintkezők készítik. Ennek eredményeként a berendezés kopása meglehetősen gyors, és néhány ezerre korlátozza a kezelési műveleteket (a modelltől függően 2000 és 10 000 közötti művelet).
Az ultravákuum-rendszer eléréséhez nagyon magas hőmérsékleten kell gőzölni vagy sütni . Minél magasabb a hőmérséklet és annál hosszabb az időtartam, annál hatékonyabb a vízmolekulák aránya és a gáztalanítás. Az összes műszer gőzölése az 1910-es évek óta használatos: az eszközök hevítése lehetővé teszi az anyagokhoz tapadó vízmolekulák többségének eltávolítását, mielőtt a vákuumfolyamatot megkezdenék.
A legtöbb mikroanalízis és nanoméretű felület megköveteli az ultra elérését, mint például a pásztázó alagútmikroszkópia vagy az Auger elektron spektroszkópia (en) esetében . Az utóbbi technikát igényel egy ultra-vákuum 10 -10 mbar vagy annál kisebb, és ion spektroszkópiai módszerek mellett végezzék egy ultra-vákuum között található 10 -8 mbar és 10 -10 mbar . A nagy hadronütköző cirkulációs csöveiben elért vákuum 10 -10 és 10 -11 mbar között van .
Az ultravákuumos rendszert és a magasabb rendszert (extrém vákuum stb.) Használják a felületek vizsgálatára, mivel kevés molekula ütközhet a vizsgált felületekkel.