Các điều kiện và ứng dụng của bơm chân không siêu cao là gì? Ngày 21 tháng 10 năm 2022

Thiết bị chân không hiệu suất cao là một yếu tố thiết yếu của nhiều ngành công nghiệp và lĩnh vực nghiên cứu khoa học. Nhiều ngành công nghiệp và lĩnh vực nghiên cứu học thuật yêu cầu các mức độ chân không khác nhau để thành công. Blog này sẽ tập trung vào nhiều loại ngành công nghiệp và lĩnh vực khoa học dựa vào cả thiết bị chân không cao (HV) và siêu cao (UHV).

Vì các hệ thống này yêu cầu áp suất cực thấp để hoạt động hiệu quả, chỉ các loại thiết bị chân không tiên tiến nhất mới có thể tạo ra điều kiện chân không cần thiết cho các hệ thống này hoạt động.

Chân không cao và chân không siêu cao được xác định bởi áp suất có trong buồng chân không. Trong khi phân loại HV và UHV có thể thay đổi tùy theo nguồn, chân không cao thường được coi là phạm vi áp suất từ 10-3 đến 10-7 mbar, và chân không siêu cao được coi là phạm vi áp suất dưới 10-7 mbar.

Mặc dù những sự khác biệt này có vẻ không đáng kể trong cuộc sống hàng ngày, nhưng thực tế là áp suất cực thấp rất quan trọng đối với nhiều quy trình công nghiệp, kỹ thuật kỹ thuật và thí nghiệm khoa học. Do đó, cả thiết bị HV và UHV đều có vô số ứng dụng quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp và ngành khoa học.

Có hai ưu điểm chính đối với điều kiện HV và UHV, trong đó ưu điểm lớn nhất là giảm thiểu nhiễm bẩn, cả trên bề mặt và trong chân không của khoang. Trong khi không có bề mặt nào có thể hoàn toàn không bị nhiễm bẩn, áp suất cực thấp được tạo ra bởi chân không siêu cao sẽ giảm thiểu nhiễm bẩn đến mức đủ để bề mặt có thể duy trì điều kiện nguyên vẹn đủ lâu để thực hiện các thí nghiệm cần thiết.

Ưu điểm chính khác của điều kiện HV và UHV là hạn chế tương tác giữa các chùm tia khí còn lại và các hạt có trong nhiều ứng dụng chân không. Giới hạn các tương tác này cũng có thể được gọi là tăng đường dẫn tự do trung bình của các hạt trong chân không, thường là electron hoặc các ion khác.

Mặc dù không có vẻ như vậy, nhưng không khí khá dày, đặc biệt là từ quan điểm của một electron. Trong áp suất khí quyển bình thường, một electron chỉ có thể di chuyển khoảng 50 nanomet, nghĩa là nó dừng lại gần như ngay khi bắt đầu. Để tăng khoảng cách tự do trung bình đến khoảng cách hữu ích hơn thậm chí là vài mét, áp suất trong hệ thống cần nằm trong khoảng từ 10-4 đến 10-6 mbar.

Một số ví dụ phổ biến nhất về ứng dụng thiết bị UHV là các kỹ thuật yêu cầu giảm ô nhiễm bề mặt để thực hiện phân tích bề mặt thiết yếu. Các loại đo quang phổ, quang phổ và kính hiển vi khác nhau, chẳng hạn như quang phổ điện tử tia X, Quang phổ điện tử trục vít, quang phổ khối lượng ion thứ cấp và kính hiển vi quét đường hầm, tất cả đều yêu cầu các khu vực bề mặt không bị nhiễm bẩn để xác định chính xác thành phần hóa học và cấu trúc của một vật liệu nhất định. Mức độ khử nhiễm cần thiết chỉ có thể đạt được với áp suất cực thấp.

Việc giảm tương tác chùm tia-khí cũng rất quan trọng đối với nhiều kỹ thuật này. Ví dụ, trong quang phổ quang điện tử tia X, chùm tia X tập trung vào vật liệu. Những photon năng lượng cao này đẩy các electron ra khỏi vật liệu. Các electron cần di chuyển một khoảng cách ít nhất một mét, đôi khi nhiều hơn, để đến một máy dò. Chân không là điều cần thiết để cung cấp cho các electron này đường dẫn tự do trung bình cần thiết đến máy dò.

Một số quy trình công nghiệp cũng yêu cầu HV và UHV, một lần nữa để giảm lợi ích của tương tác chùm tia-khí. Một ví dụ là hàn chùm tia điện tử. Trong ứng dụng HV này, một chùm electron năng lượng cao được áp dụng cho hai vật liệu cần được nối. Các vật liệu nóng chảy và chảy với nhau khi năng lượng động của các electron được chuyển đổi thành nhiệt khi va chạm.

Cả chân không cao và siêu cao đều có các ứng dụng bổ sung trong lĩnh vực vật lý. Ví dụ, các chất tăng tốc hạt (như máy va chạm Hadron lớn tại CERN) yêu cầu điều kiện chân không siêu cao để giảm tương tác chùm tia-khí và giảm thiểu nhiễu từ môi trường bên ngoài. Điều này cũng đúng với các công cụ khác trong vật lý thí nghiệm, chẳng hạn như máy dò sóng trọng lực.

Các điều kiện HV và UHV cũng có nhu cầu cao trong các lĩnh vực kỹ thuật hàng không vũ trụ, công nghệ y sinh, sản xuất dụng cụ phân tích, quang phổ khối, kính hiển vi điện tử, mô phỏng không gian, lớp phủ và thiết bị chẩn đoán y tế.