Cara mencapai dan mengekalkan tahap UHV dan XHV 22 Disember 2020

Spektroskopi memerlukan tekanan antara 10^-6 dan 10^-9mbar, yang ditakrifkan sebagai Vakum Ultra Tinggi (UHV), untuk beroperasi dengan berkesan. Proses lain yang memerlukan tahap vakum ini adalah Penyetempatan Lapisan Atom. Untuk pemecut zarah seperti Large Hadron Collider, bahagian tertentu dalam sistem memerlukan tekanan yang lebih rendah antara 10^-9 dan 10^-12 mbar, yang ditetapkan sebagai Extreme High Vacuum (XHV).

Untuk mencapai tahap vakum sedemikian bukan sahaja memerlukan rangkaian pam yang betul, tetapi juga teknik pengukuran tekanan yang tepat. Selain itu, pemilihan bahan untuk sistem vakum adalah sangat penting. Seperti yang akan kita lihat, mengekalkan tekanan rendah ini memerlukan analisis terperinci terhadap sistem vakum.

Seperti keperluan vakum tinggi, kombinasi pam pra-vakum dan pam vakum tinggi diperlukan. Pam vakum kering adalah penting untuk aplikasi UHV dan XHV. Pam pilihan adalah pam skrol, pam skru dan pam sokongan pelbagai peringkat. Pilihan akhir akan bergantung kepada keperluan kelajuan pam.

Untuk mencapai UHV, TMP dengan tahap seret untuk mengepam gas ringan adalah pilihan yang biasa. Walau bagaimanapun, seperti yang akan kita lihat kemudian, kelajuan pam yang tinggi untuk wap air sering diperlukan dan di sini pam kriogenik akan menjadi calon yang baik. Pam tambahan mungkin diperlukan di mana getaran menjadi isu, seperti dalam analisis permukaan contohnya. Di sini, pam ion digunakan secara rutin kerana ia tidak mempunyai bahagian yang bergerak. Selain itu, penambahan teknologi ini kepada kereta pam biasanya digunakan dalam aplikasi XHV.

Apabila tekanan dalam badan pam berada pada 10-4 mbar atau lebih baik, voltan tinggi dikenakan pada elektrod Titanium yang mengakibatkan pelepasan elektron. Magnet yang kuat, biasanya 1200 Gauss, menarik dan mengekalkan elektron ini dalam cincin anoda sebagai plasma.

Gas sisa dalam pemasangan anod akan bertembung dengan elektron bebas ini. Akibat interaksi ini, elektron dikeluarkan dari kulit valensi elemen dan molekul gas. Spesies gas positif yang terhasil akan ditolak dari anod positif ke plat katod Titanium.

Apabila ion gas positif bertembung dengan katod, sebahagian daripada titanium akan terkeluar dari permukaan. Spesies gas kemudian bertindak balas secara kimia dan fizikal dengan titanium dan terperangkap, dengan itu menyediakan mekanisme pam yang serupa dengan pam kriogenik.

Kedua-dua pengukur pen (katod sejuk) dan ion (katod panas) akan mengukur ke dalam kawasan UHV, tetapi pengukur ion menawarkan kepekaan tertinggi, iaitu 10-11 mbar.

Ilustrasi pengukur ion ditunjukkan di bawah:

Pengukur ionisasi katod panas memulakan aliran elektron yang tetap dari katod yang bercahaya (sumber elektron) ke anod (saluran elektron). Elektron-elektron ini mengenai jumlah molekul gas yang bergantung kepada tekanan, yang menjadi ion positif. Ini menyebabkan arus berkaitan tekanan direkodkan pada pengumpul ion.

Selain itu, had bawah pengukur ionisasi katod panas adalah disebabkan oleh faktor sinar-X. Elektron yang dipancarkan dari katod bertembung dengan anod, menyebabkan pelepasan foton (sinaran-X lembut) yang mencetuskan elektron dipancarkan dari permukaan pengumpul ion, menyebabkan arus offset. Untuk mengatasi ini, sistem "pengekstrak" telah dibangunkan yang mengurangkan kesan sinar-X dengan melindungi pengumpul ion. Sistem pengekstrak, dengan memfokuskan ion positif, mengekalkan arus ion pada tahap yang boleh diterima dan, sebagai hasilnya, memanjangkan julat pengukuran melebihi 10-¹² mbar.

Untuk aplikasi vakum tinggi, iaitu 10-³ hingga 10-⁶ mbar, penyegel O-ring polimer dan getah berfungsi dengan memuaskan. Walau bagaimanapun, untuk proses UHV dan XHV, kadar permeasi mereka terlalu tinggi. Oleh itu, meterai gasket logam mesti digunakan. Gasket tembaga adalah bahan yang paling biasa digunakan, walaupun Indium boleh digunakan. Satu lagi kelebihan meterai logam adalah keupayaannya untuk mengekalkan integriti vakum sehingga 450° C. Ini, seperti yang akan kita lihat, adalah penting apabila mempertimbangkan pengurangan gas. Berbeza dengan penyekat O-ring, yang boleh dibuka dan dibuat semula berkali-kali tanpa masalah, jika gasket logam perlu dibuka, ia tidak boleh digunakan semula.

Pengurangan gas adalah salah satu halangan utama untuk mencapai dan mengekalkan tahap vakum di bawah 10-⁶mbar.

Penyebab utama adalah wap air, tetapi jika suatu proses melibatkan spesies organik yang mudah menguap, maka ini juga perlu ditangani. Untuk meminimumkan penyerapan wap yang kemudian perlahan-lahan mengeluarkan gas, adalah penting agar garis panduan berikut dipertimbangkan dan diikuti:

• minimakan luas permukaan dalaman bilik
• hanya kimpalan dari dalam 
• gunakan bahan dengan kadar desorpsi/keluaran gas yang rendah
• memperawat bahan dengan sesuai (contohnya, elektro-polishing)
• pastikan tiada jurang dalaman atau volume terperangkap (contohnya, lubang buta yang ditampal)
• kurangkan bilangan meterai, penyambung dan lain-lain. 
• gunakan pemanasan jejak untuk meningkatkan kadar degassing yang mungkin dilakukan dengan menggunakan penyegel logam

Untuk mengekalkan tahap vakum UHV dan XHV, kadar kebocoran kurang daripada 10-7 mbar l/s adalah diperlukan. Pengesan Kebocoran Helium menawarkan penyelesaian yang paling praktikal untuk mengukur nilai-nilai ini dengan boleh dipercayai.

Kaedah pengesanan kebocoran tempatan seperti yang ditunjukkan di bawah boleh mengukur kadar kebocoran sehingga 10-¹²mbar.

• Apabila memilih sistem pam, pertimbangan perlu diberikan kepada tahap vakum yang tepat dan sama ada getaran merupakan isu.
• Untuk aplikasi yang sensitif terhadap getaran atau di mana XHV diperlukan, penambahan pam ion adalah pilihan yang baik.
• Pengukur ion panas adalah pilihan biasa untuk pengukuran tekanan yang tepat dan boleh dipercayai di kawasan UHV. 
• Pengukur pengekstrak adalah jenis yang lebih disukai di kawasan XHV. 
• Meminimumkan pengeluaran gas adalah penting dan pemilihan bahan serta reka bentuk sistem adalah kunci.
• Penggunaan Pendeteksi Kebocoran Helium adalah penting untuk mengekalkan vakum yang boleh dipercayai.