UHV - próżnia ultrawysoka

Skrót UHV - z angielskiego Ultra-high Vacuum, czyli ultrawysoka próżnia oznacza ciśnienie z zakresu 10^-11 do 10^-9 mbar.

Zastosowanie próżni na takim poziomie jest konieczne przy badaniu zjawisk związanych z powierzchnią ciała stałego. W szczególności materiały, które silnie reagują z gazami zawartymi w atmosferze, jakimi są krzem czy german, po oczyszczeniu bardzo szybko zostają pokryte warstwą gazu, która modyfikuje właściwości powierzchni oraz nanostruktur na niej wytworzonych.

Przy ciśnieniu na poziomie 10^-10 mbar oczyszczona próbka zostaje pokryta  pojedynczą warstwą gazu po około dobie. Jest to zwykle czas wystarczający do przeprowadzenia pomiaru.

W niniejszym dziale znajdują się informację na temat technologii wytwarzania oraz pomiaru ultrawysokiej próżni oraz opis typowych elementów wchodzących w skład aparatury UHV.

Czym jest próżnia?

Jeżeli w zamkniętym naczyniu umieścimy pewną ilość gazu to będzie on wywierał na jego ścianki ciśnienie. Jest to spowodowane ciągłym, chaotycznym ruchem cząsteczek, które zderzając się ze ściankami naczynia przekazują mu swój pęd. Cząsteczki gazu zmieniając swój pęd, działają na ścianki siłą, której wartość z drugiej zasady dynamiki Newtona wynosi:

\( \vec{F}=\frac{\vec{\Delta p}}{ \Delta t} \)

gdzie \( \vec{\Delta p} \) oznacza zmianę pędu cząstki, \( \Delta t \) czas w którym ta zmiana nastąpiła. Ciśnienie \( P \) jest wielkością skalarną określająca stosunek prostopadłej składowej siły \( F_{\perp} \) działającej na daną powierzchnię do jej pola \( S \):

\( P = \frac{F_{\perp}}{S}\)

Nie ma dokładnie wytyczonej granicy między próżnią a ciśnieniem o czym świadczy fakt, że nawet do opisu próżni używa się tej samej skali, co do opisu ciśnienia. Można mówić o niskim ciśnieniu lub o wysokiej próżni, jednak w miarę jak próżnia staje się coraz lepsza, mówienie o sile jaką wywierają cząsteczki gazu na ścianki naczynia staje się coraz mniej uzasadnione. Próżnią nazywany jest stan jaki panuje w obszarze wypełnionym gazami i parami, gdy ich ciśnienie jest niższe od ciśnienia powietrza atmosferycznego.

W tabeli 1 zamieszczone zostały jednostki używane do opisu próżni. Zakres możliwych do uzyskania próżni jest dość szeroki, z tego względu stosowana jest skala klasyfikująca różne rodzaje próżni przedstawiona w tabeli 2.

Tabela 1: Jednostki używane do opisu próżni.

Tabela 2: Rodzaje próżni.

Układ pomp prózniowych

 Wytworzenie próżni na poziomie  10^-11 mbar w komorze głównej aparatury UHV wymaga zastosowania szeregu pomp próżniowych przepływowych oraz sorpcyjnych. Umożliwiają one stopniowe odpompowanie gazu z wnętrza układu, a następnie utrzymanie ultrawysokiej próżni w czasie trwania pomiarów. W typowym układzie UHV wykorzystane są: pompa rotacyjna, pompa turbomolekularna, sublimacyjna pompa tytanowa oraz pompa jonowa.

Rys. 1. Układ pomp wytwarzających ultrawysoką próżnię w komorze głównej

Układ pomp używanych do wytwarzania próżni w komorze głównej został schematycznie przedstawiony na rys. 1. Próżnia wstępna (około 10^-2 - 10^-3 mbar) wytwarzana jest przy pomocy pompy rotacyjnej, bliżej komory głównej widoczna jest połączona z nią szeregowo pompa turbomolekularna. Taki układ pozwala uzyskać próżnię na poziomie 10^-8 mbar. Pompa jonowa umieszczona zwykle w dolnej części aparatury umożliwia dodatkowe obniżenie ciśnienia do poziomu ultrawysokiej próżni  10^-11 mbar. Tytanowa pompa sublimacyjna używana jest w celu wspomagania pracy układu pomp. Pracuje ona w trybie impulsowym i jest wyzwalana na kilka godzin przed przystąpieniem do pomiarów, bądź po ich zakończeniu. Pomiar ciśnienia dokonywany jest przy pomocy głowicy jonizującej Bayarda-Alperta, przy wyższym ciśnieniu (powyżej 10^-3 mbar) stosowany jest próżniomierz oporowy.

Każdorazowe zapowietrzanie układu wymaga wygrzewania aparatury w temperaturze 140 ^oC przez kilkanaście godzin. Jest to konieczny zabieg pozwalający usunąć wodę znajdującą się w komorze UHV.