طبقه بندی سه سطح خلاء، تقریبی، خلاء بالا و فوق العاده خلاء بالا
ایجاد تک لایه روی سطح مورد بررسی در شرایط مختلف خلاء

سیستم های با خلاء فوق العاده بالا (Ultra-High Vacuum Systems)

از آنجا که خلاء به معنی عدم وجود مولکول‌های گازها است، آنچه در واقع تحت عنوان خلاء اندازه گیری می شود، فشار گاز باقیمانده در محفظه است. برای بیان میزان فشار، معمولا از سه واحد مختلف استفاده می شود: پاسکال(Pa)، تور(Torr) و میلی بار(mbar). کیفیت خلاء نیز معمولا به سه دسته طبقه بندی می شود: خلاء تقریبی(Rough Vacuum)، خلاء بالا(High Vacuum) و خلاء فوق العاده بالا(Ultra-High Vacuum).

به محدوده فشار کمتر از ۷-۱۰ پاسکال یا ۹-۱۰ تور، خلاء فوق العاده بالا(Ultra-High Vacuum (UHV)) می گویند.

طبقه بندی سه سطح خلاء، تقریبی، خلاء بالا و خلاء فوق العاده بالا

شکل ۱: طبقه بندی سطوح مختلف خلاء

چرا خلاء؟

وقتی یک پرتوی یونی یا الکترونی با ذرات(گاز باقیمانده داخل محفظه) برخورد می کند، ممکن است از مسیر خود منحرف شود یا تقسیم شود و یا حتی با آن ذره واکنش دهد. در نتیجه، حضور ذرات ناخواسته دریک سیستم خلاء، موجب کاهش کارایی آن خواهند شد. میانگین مسیر آزاد(MFP)، میانگین مسافتی است که یک مولکول گازی قبل از برخورد با یک مولکول گازی دیگر طی می کند. در شرایط خلاء فوق العاده بالا، میانگین مسیر آزاد مولکول‌های گاز حدودا بیشتر از ۴۰ کیلومتر است. در نتیجه مولکول‌های گاز برخورد بسیار کمی با یکدیگر دارند. آنها قبل از برخورد با یکدیگر، دفعات متعددی با دیواره های محفظه و سطوح موجود در محفظه خلاء، برخورد خواهند کرد.

از نظر کاربرد، مسئله اصلی مقدار فشار محفظه سیستم خلاء نیست، بلکه آلودگی نمونه موجود در محفظه خلاء،مورد نظر است. هرچه مولکول‌های گاز بیشتری در محفظه باقی بمانند، سطح نمونه ذرات ناخواسته بیشتری را جذب می کند. این باعث کاهش کیفیت فرایند در طول زمان می شود. به همین دلیل، اگر خلاء تا حد امکان بالا باشد(فشار محفظه کم باشد) مطالعه و تحلیل نمونه ها دقیق تر و دقیق تر خواهد بود. خلاء فوق العاده بالا(UHV)، شرایط مناسبی را برای فرایندهای آنالیز سطح فراهم می کند. در حقیقت، اگر سطح مورد بررسی را در شرایط خلاء نگه داریم، در محدوده خلاء بالا(HV)، هر ۴ ثانیه یک تک لایه از مولکول‌های گاز باقی مانده در محفظه روی آن ایجاد می شود. در محدوده خلاء فوق العاده بالا(UHV)، هر ۴ روز یک لایه بر روری سطح مورد بررسی ایجاد می شود.

ایجاد تک لایه روی سطح مورد بررسی در شرایط مختلف خلاء(سیستم های با خلاء فوق العاده بالا و خلاء بالا)

شکل ۲: ایجاد تک لایه روی سطح مورد بررسی در شرایط مختلف خلاء

چگونه می توان به خلاء فوق العاده بالا رسید؟

برای رسیدن به خلاء فوق العاده بالا، نیاز به استفاده از مواد خاص و مراحل مختلف پمپاژ است. درزگیرها و gasket های مورد استفاده در سیستم های با خلاء فوق العاده بالا، باید حتی از نشت‌های بسیار جزئی نیز جلوگیری کنند. تقریبا تمام آب بندی بین سطوح توسط مواد فلزی انجام می شوند. آنها که مانند تیغه چاقو از دو طرف به یک مرز تیز می رسند و در نهایت به یک gasket نرم(معمولا از جنس مس) ختم می شوند. این درزگیری و آب بندی تمام فلزی، از ملزومات سیستم های با خلاء فوق العاده بالا است. مواد مورد استفاده در سیستم های با خلاء فوق العاده بالا، باید ساعت ها یا شاید روزها در دمای بیش از ۱۲۰ درجه سانتیگراد قرار گیرند و نباید فشار بخار بالایی، داشته باشند.

بنابراین نباید در این سیستم ها از پلاستیک، PTFE، PEEK، چسب ها(پیچ به جای آنها استفاده می شود)، سرب(لحیم کاری) استفاده شود. به همین علت است که سیستم های با خلاء فوق العاده بالا، گران قیمت تر از سیستم های خلاء بالا، هستند. فرایند حرارت دادن به سیستم باعث می شود اتم های گاز از سطوح دیواره محفظه جدا شوند.

پدیده Outgassing

در طی فرایند خلاء، اتم های گاز جذب شده توسط دیواره محفظه به آرامی از سطوح دیواره محفظه آزاد می شوند(پدیده Outgassing). پس اگر محفظه حرارت داده نشده باشد، به معنای واقعی کلمه ماه ها طول می کشد تا به شرایط خلاء فوق العاده بالا، برسد.

پدیده Outgassing از جمله مشکلاتی است که برای رسیدن به شرایط خلاء فوق العاده بالا، باید برای آن چاره ای اندیشید.

چه مشکلاتی پدیده Outgassing برای محیط خلاء ایجاد می کند؟

همه مواد حتی موادی که معمولا جاذب به نظر نمی آیند هم پدیده Outgassing را بروز می دهند، مثل بعضی از فلزات و پلاستیک ها. مثلا فلز پالادیوم برای گازها بسیار نفوذ پذیر است و مانند یک اسفنج هیدروژنی با ظرفیت بالا عمل می کند.

پدیده Outgassing از دو منبع اصلی سطح مواد و توده مواد (bulk) نشات می گیرد. با انتخاب مواد با فشار بخار پایین(شیشه، سرامیک و فولاد ضدزنگ) برای تمام اجزای داخل محفظه سیستم تحت خلاء، می توان Outgassing از منبع توده مواد را تا حد زیادی کنترل کرد.

در فشارهای بسیار کم، گازهای جذب شده توسط سطوح موجود در محفظه خلاء به تدریج آزاد شده و مانع از رسیدن فشار به محدوده خلاء فوق العاده بالا می شوند. آب یکی از موادی است که به شدت موجب Outgassing می شود. با باز شدن درِ محفظه سیستم خلاء و در مجاورت هوا قرار گرفتن سطوح آن، یک لایه نازک از بخار آب جذب سطوح می شود.

سپس، در هنگام فرایند در فشارهای کم، این بخار جذب شده وارد محفظه خلاء می شود. بنابر این باید بخار آب و گازهای مشابه، در داخل محفظه سیستم خلاء، از بین بروند. پس لازم است تا سطوح محفظه سیستم تحت خلاء در دمای بالا و در شرایطی که پمپ های خلاء روشن هستند، حرارت داده شوند. در مواردی هم، دیواره های محفظه با نیتروژن مایع سرد می شود. این کار، از آزاد شدن مولکول‌های بخار آب در داخل محفظه، به درون محفظه سیستم تحت خلاء، جلوگیری می کند.

هیدروژن در سیستم های با خلاء فوق العاده بالا

سیستم های با خلاء فوق العاده بالا، معمولا صد در صد خشک هستند و هیچ گونه آب و رطوبتی در آن ها نباید وجود داشته باشد. شایع ترین گازی که در سیستم های با خلاء فوق العاده بالا باقی می ماند، هیدروژن است. هیدروژن گازی سبک و با تحرک بالا است که به سختی به خارج از محفظه سیستم تحت خلاء، پمپ می شود. برای پمپ کردن این گاز به پمپ های مخصوص شرایط خلاء فوق العاده بالا نیاز است. به علاوه، کاهش هیدروژن آزاد شده از سطح داخلی محفظه سیستم خلاء نیز از مواردی است که باید به شدت مورد توجه قرار گیرد.

پمپ های مخصوص شرایط خلاء فوق العاده بالا

برای رسیدن به خلاء فوق العاده بالا، باید از دو یا چند پمپ استفاده کرد. هیچ پمپی وجود ندارد که بتواند به تنهایی فشار را از اتمسفر به محدوده UHV برساند. در مرحله اول یک پمپ معمولی که به آن پمپ پشتیبان(Backing Pump) گفته می شود، فشار را به خلاء تقریبی(Rough Vacuum) می رساند. سپس توسط یک یا چند پمپ فشار پایین، فشار به محدوده خلاء فوق العاده بالا می رسد. پمپ هایی که معمولا در مرحله دوم استفاده می شوند عبارتند از: پمپ های توربومولکولار، یون پمپ ها، Getter پمپ ها و کرایو پمپ ها.

اندازه گیری فشار در محدوده های خلاء بالا و فوق العاده خلاء بالا

برای اندازه گیری فشار در محدوده های خلاء بالا و فوق العاده خلاء بالا، استفاده از فشارسنج های متداول، مناسب نیست. این امر به علت پدیده Outgassing به وجود می آید و به جای آن ها از گیج های یونیزاسیون استفاده می شود. این پمپ ها، از احتمال یونیزاسیون گاز برای تعیین چگالی تعداد ذرات استفاده می کنند. آنها دو نوع کاتد سرد(Cold Cathode) و کاتد داغ(Hot Cathode) دارند.

فشارسنج کاتد سرد

به فشارسنج های کاتد سرد اغلب Gauge Penning هم می گویند. مکانیزم کار این فشارسنج ها به این صورت است که با اعمال میدان الکتریکی بین کاتد و آند فشار سنج، الکترون ها به سمت کاتد شتاب می گیرند. آنها در مسیر خود با اتم های گاز موجود در محفظه برخورد می کنند. در اثر این برخورد اتم های گاز به یون های مثبت تبدیل می شوند. با افزایش فشار داخل محفظه سیستم تحت خلاء، تعداد حامل های بار نیز افزایش می یابد. با اندازه گیری بار الکتریکی، فشار داخل محفظه سیستم خلاء، مشخص می شود. این فشار سنج ها می توانند فشار را در بازه ۲-۱۰ تا ۶-۱۰ میلی بار اندازه گیری کنند.

اساس عملکرد فشارسنج کاتد سرد

شکل ۳: اساس عملکرد فشارسنج کاتد سرد

فشارسنج کاتد داغ

در فشارسنج های کاتد داغ، کاتد به عنوان منبع ساطع کننده الکترون عمل می کند. الکترون ها از کاتد به سمت آند فرستاده می شوند. آنها، در مسیر خود با اتم های گاز برخورد می کنند و موجب یونیزه شدن آن ها می شوند. اندازه گیری تعداد یون ها در قسمت جمع آوری کننده یون(یون کلکتور) منجر به تعیین فشار داخل محفظه سیستم خلاء می شود. این فشار سنج ها می توانند فشار را در بازه ۲-۱۰ تا ۱۱-۱۰ میلی بار اندازه گیری کنند. در شرایطی که چگالی ذرات داخل محفظه سیستم تحت خلاء زیاد باشد، یون ها نمی توانند خود را به یون کلکتور برسانند. به همین علت است که در فشار های زیاد و در مراحل اولیه خلاء از فشارسنج های کاتد سرد استفاده می شود. در خلاء های پایین تر فشارسنج های کاتد داغ مورد استفاده قرار می گیرند.

الکترون های ساطع شده از کاتد، آند را تحت تاثیر قرار داده و موجب تولید اشعه X می شود. اشعه X ایجاد شده نیز منجر به ساطع شدن الکترون از یون کلکتور شده و در نتیجه یک جریان آفست ایجاد می شود. برای حل این مشکل در سال های اخیر، برای محافظت از یون کلکتور در برابر اشعه X، از شیلد استفاده می کنند.

اساس عملکرد فشارسنج کاتد داغ

شکل ۴: اساس عملکرد فشارسنج کاتد داغ

سیستم های لایه نشانی در خلاء

سیستم های خلاء انواع مختلفی دارند که از میان آنها سیستم های لایه نشانی در خلاء برای ما حائز اهمیت هستند. در بین سیستم های لایه نشانی در خلاء ساخت شرکت پوشش های نانوساختار، آن دسته از محصولاتی که خلاء بالا هستند و دارای پمپ توربومولکولار می باشند، مجهز به فشار سنج های فول رنج کاتد داغ هستند. سیستم های لایه نشانی در خلاء به روش اسپاترینگ و تبخیر حرارتی ساخت این شرکت، دارای مدل های متنوعی اند که اغلب آن ها در محیط خلاء بالا کار می کنند. این سیستم های لایه نشانی در خلاء، مناسب برای ایجاد لایه نازک هایی از جنس مواد مختلف به منظور کاربرد در صنایع الکترونیک، اپتیک و فوتونیک و .. می باشند.

برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد سیستم های با خلاء فوق العاده بالا، به منابع زیر مراجعه نمایید.

  1. https://www.vacuumscienceworld.com/ultra-and-extreme-high-vacuum#leak_detection_in_high_ultra__extreme_high_vacuum.
  2. http://www.orsayphysics.com/what-is-uhv.
  3. Strong, John (1938). Procedures in Experimental Physics. Bradley, IL: Lindsay Publications., Chapter.
  4. B. Schläppi, et al. (2010), Influence of spacecraft outgassing on the exploration of tenuous atmospheres with in situ mass spectrometry, J. Geophys. Res., 115, A12313, doi:۱۰.۱۰۲۹/۲۰۱۰JA015734.