Wat zijn de omstandigheden en toepassingen van ultrahoge vacuümpompen? 21 oktober 2022

Hoogwaardige vacuümapparatuur is een essentieel onderdeel van een breed scala aan industrieën en wetenschappelijke onderzoeksgebieden. Veel industrieën en academische onderzoeksgebieden vereisen verschillende vacuümniveaus om te slagen. Deze blog richt zich op de vele soorten industrieën en wetenschappelijke gebieden die zowel op hoogvacuüm- (HV) als ultrahoogvacuümapparatuur (UHV) vertrouwen.

Omdat deze systemen een extreem lage druk vereisen om effectief te functioneren, kunnen alleen de meest geavanceerde soorten vacuümapparatuur de vacuümomstandigheden creëren die nodig zijn voor het functioneren van deze systemen.

Hoogvacuüm en ultrahoogvacuüm worden gedefinieerd door de druk die in de vacuümkamer aanwezig is. Hoewel de classificatie van HV en UHV kan variëren afhankelijk van de bron, wordt een hoogvacuüm over het algemeen beschouwd als een drukbereik tussen 10-3 en 10-7 mbar en een ultrahoogvacuüm als een drukbereik onder 10-7 mbar.

Hoewel dit in het dagelijks leven onbeduidende verschillen lijken, is de realiteit dat extreem lage druk van cruciaal belang is voor talrijke industriële processen, technische technieken en wetenschappelijke experimenten. Als zodanig hebben zowel HV- als UHV-apparatuur een groot aantal belangrijke toepassingen in verschillende industrieën en wetenschappelijke disciplines.

Er zijn twee belangrijke voordelen van HV- en UHV-condities, waarvan de grootste de minimalisering van verontreiniging is, zowel op oppervlakken als in het vacuüm van de kamer. Hoewel geen enkel oppervlak volledig vrij kan worden gemaakt van verontreiniging, minimaliseren de extreem lage drukken die door ultrahoog vacuüm worden geproduceerd de verontreiniging tot een niveau dat oppervlakken lang genoeg in onberispelijke staat kunnen houden om de vereiste experimenten uit te voeren.

Het andere grote voordeel van HV- en UHV-condities is het beperken van interacties tussen de restgas- en deeltjesstralen die aanwezig zijn in een groot aantal vacuümtoepassingen. Het beperken van deze interacties kan ook worden aangeduid als het verhogen van het gemiddelde vrije pad van deeltjes in het vacuüm, meestal elektronen of andere ionen.

Hoewel het er misschien niet zo uitziet, is de lucht vrij dik, vooral vanuit het oogpunt van een elektron. Bij normale atmosferische druk kan een elektron slechts ongeveer 50 nanometer bewegen, wat betekent dat het bijna stopt zodra het begint. Om de gemiddelde vrije weg te vergroten tot een nuttigere afstand van enkele meters, moet de druk in het systeem tussen 10-4 en 10-6 mbar liggen.

Enkele van de meest voorkomende voorbeelden van de toepassing van UHV-apparatuur zijn technieken die de vermindering van oppervlakteverontreiniging vereisen om essentiële oppervlakteanalyses uit te voeren. Verschillende soorten spectrometrie, spectroscopie en microscopieën, zoals röntgenfoto-elektronenspectroscopie, Elektronenspectroscopie met schroef, secundaire ionenmassaspectrometrie en scantunnelmicroscopie vereisen allemaal niet-verontreinigde oppervlaktegebieden om de chemische samenstelling en structuur van een bepaald materiaal nauwkeurig te identificeren. De vereiste mate van ontsmetting kan alleen worden bereikt met extreem lage drukken.

Voor veel van deze technieken is het ook belangrijk om de interacties tussen stralen en gassen te verminderen. Bij X-ray foto-elektronenspectroscopie wordt bijvoorbeeld een straal X-ray stralen op het materiaal gefocust. Deze fotonen met hoge energie slaan elektronen uit het materiaal. De elektronen moeten een afstand van minstens een meter afleggen, soms meer, om een detector te bereiken. Vacuüm is essentieel om deze elektronen het nodige gemiddelde vrije pad te geven om de detector te bereiken.

Sommige industriële processen vereisen ook HV en UHV, opnieuw voor de voordelen van reductie van straal-gasinteractie. Een voorbeeld hiervan is elektronenstraallassen. In deze HV-toepassing wordt een straal van elektronen met hoge energie toegepast op twee materialen die moeten worden verbonden. De materialen smelten en stromen samen terwijl de kinetische energie van de elektronen bij impact wordt omgezet in warmte.

Zowel hoog- als ultrahoogvacuüms hebben bijkomende toepassingen op het gebied van natuurkunde. Zo vereisen deeltjesversnellers (zoals de Large Hadron Collider bij CERN) ultrahoge vacuümomstandigheden om interacties tussen straal en gas te verminderen en interferentie van de buitenomgeving tot een minimum te beperken. Dit geldt ook voor andere instrumenten in de experimentele natuurkunde, zoals zwaartekrachtgolfdetectoren.

HV- en UHV-omstandigheden zijn ook erg populair in de lucht- en ruimtevaarttechniek, biomedische technologieën, productie van analytische instrumenten en massaspectroscopie, elektronenmicroscopie, ruimtesimulatie, coating en medische diagnostische apparatuur.