วิธีบรรลุและรักษาระดับ UHV และ XHV 22 ธันวาคม 2020
5 MIN READ
สเปกโตรสโคปีต้องใช้แรงดันระหว่าง 10 -6 ถึง 10 -9 mbar ซึ่งกําหนดเป็นสุญญากาศสูงพิเศษ (UHV) เพื่อให้ทํางานได้อย่างมีประสิทธิภาพ กระบวนการอื่นที่ต้องใช้ระดับสุญญากาศนี้คือการสะสมชั้นอะตอม สําหรับเครื่องเร่งปฏิกิริยาอนุภาค เช่น เครื่องชนขนาดใหญ่ Hadron Collider บางส่วนของระบบต้องการแรงดันที่ต่ํากว่าระหว่าง 10 -9 และ 10 -12 mbar ซึ่งเรียกว่าสุญญากาศสูงมาก (XHV)
เพื่อให้ได้ระดับสุญญากาศดังกล่าว ไม่เพียงแต่ต้องใช้ระบบปั๊มที่ถูกต้องเท่านั้น แต่ยังต้องใช้เทคนิคการวัดแรงดันที่แม่นยําอีกด้วย นอกจากนี้ การเลือกวัสดุสําหรับระบบสุญญากาศยังมีความสําคัญอย่างยิ่ง ดังที่เราจะเห็น การรักษาแรงดันต่ําเหล่านี้จําเป็นต้องมีการวิเคราะห์ระบบสุญญากาศอย่างละเอียด
ระบบปั๊มสุญญากาศสําหรับสุญญากาศระดับสูงพิเศษและสูงมาก
เช่นเดียวกับความต้องการสุญญากาศระดับสูง จําเป็นต้องใช้ปั๊มสุญญากาศปลายทางและปั๊มสุญญากาศระดับสูงร่วมกัน ปั๊มสุญญากาศแบบแห้งเป็นสิ่งจําเป็นสําหรับการใช้งาน UHV และ XHV ปั๊มที่เลือกใช้ได้แก่ ปั๊มสโครล ปั๊มสกรู และปั๊มรองหลายจังหวะ การเลือกขั้นสุดท้ายจะขึ้นอยู่กับความต้องการความเร็วในการปั๊ม
เพื่อให้ได้ UHV TMP ที่มีขั้นตอนการลากเพื่อปั๊มก๊าซเบาเป็นตัวเลือกทั่วไป อย่างไรก็ตาม ดังที่เราจะเห็นในภายหลัง จําเป็นต้องใช้ความเร็วในการปั๊มสูงสําหรับไอน้ําบ่อยครั้ง และในกรณีนี้ปั๊มแช่แข็งจะเป็นตัวเลือกที่ดี อาจจําเป็นต้องมีการปั๊มเพิ่มเติมเมื่อการสั่นสะเทือนเป็นปัญหา เช่น ในการวิเคราะห์พื้นผิว ที่นี่จะมีการใช้ปั๊มไอออนเป็นประจําเนื่องจากไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนที่ นอกจากนี้ การเพิ่มเทคโนโลยีนี้เข้าไปในชุดปั๊มยังถูกนํามาใช้เป็นประจําในการใช้งาน XHV
เมื่อความดันภายในตัวปั๊มอยู่ที่ 10-4 mbar หรือดีกว่า แรงดันไฟฟ้าสูงจะถูกใช้กับอิเล็กโทรดไทเทเนียมซึ่งส่งผลให้เกิดการคายประจุอิเล็กตรอน แม่เหล็กที่ทรงพลัง ซึ่งโดยทั่วไปจะมีกําลัง 1200 Gauss จะดึงดูดและคงอิเล็กตรอนเหล่านี้ไว้ภายในวงแหวนแอโนดในรูปของพลาสมา
ก๊าซที่ตกค้างภายในชุดแอโนดจะชนกับอิเล็กตรอนอิสระเหล่านี้ อันเป็นผลมาจากปฏิกิริยาเหล่านี้ อิเล็กตรอนจะถูกกําจัดออกจากเปลือกหุ้มวาเลนซี่ขององค์ประกอบก๊าซและโมเลกุล ก๊าซที่เป็นบวกที่เกิดขึ้นจะถูกผลักออกจากแอโนดบวกไปยังแผ่นแคโทดไทเทเนียม
เมื่อไอออนก๊าซบวกชนกับแคโทด ไทเทเนียมบางส่วนจะถูกสปัตเตอร์จากพื้นผิว จากนั้นก๊าซจะทําปฏิกิริยาทางเคมีและทางกายภาพกับไทเทเนียมและถูกดักจับ ทําให้มีกลไกการปั๊มที่คล้ายกับปั๊มแช่เย็น
เกจวัดเพื่อวัดสุญญากาศระดับสูงพิเศษและสูงมาก
ทั้งเกจวัดแบบ Penning (แคโทดเย็น) และแบบไอออน (แคโทดร้อน) จะวัดค่าในบริเวณ UHV แต่เกจวัดแบบไอออนมีความไวสูงสุด คือ 10-11 mbar
ภาพประกอบของเกจวัดไอออนแสดงด้านล่าง:
เกจวัดไอออนไนซ์ "แคโทดร้อน"
เกจวัดไอออนไนซ์แคโทดร้อนจะเริ่มการไหลของอิเล็กตรอนคงที่จากแคโทดเรืองแสง (แหล่งอิเล็กตรอน) ไปยังแอโนด (ท่อระบายอิเล็กตรอน) อิเล็กตรอนเหล่านี้กระทบกับปริมาณโมเลกุลก๊าซที่ขึ้นอยู่กับแรงดัน ซึ่งจะกลายเป็นไอออนบวก ซึ่งทําให้กระแสไฟฟ้าที่เกี่ยวข้องกับแรงดันลงทะเบียนบนตัวดักจับไอออน
นอกจากนี้ ขีดจํากัดล่างของเกจวัดไอออนไนซ์แคโทดร้อนเกิดจากปัจจัยรังสีเอ็กซ์ อิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาจากการกระแทกของแคโทดบนขั้วบวกจะทําให้เกิดการปล่อยโฟตอน (รังสีเอ็กซ์อ่อน) ซึ่งจะกระตุ้นให้อิเล็กตรอนปล่อยออกมาจากพื้นผิวตัวเก็บประจุ ทําให้เกิดกระแสออฟเซ็ต เพื่อเอาชนะปัญหานี้ จึงมีการพัฒนาระบบ "เครื่องดูด" ซึ่งจะลดผลกระทบจากรังสีเอ็กซ์โดยการป้องกันตัวดักจับไอออน ระบบสกัดด้วยการมุ่งเน้นไอออนบวก จะรักษากระแสไอออนให้อยู่ในระดับที่ยอมรับได้ ดังนั้นจึงขยายช่วงการวัดค่าให้เกิน 10-12 mbar
ซีลที่เหมาะสําหรับ UHV และ XHV
สําหรับการใช้งานสุญญากาศระดับสูง นั่นคือ 10-3 ถึง 10-6 mbar ซีลโอริงพอลิเมอร์และยางจะทํางานได้อย่างน่าพอใจ อย่างไรก็ตาม สําหรับกระบวนการ UHV และ XHV อัตราการซึมผ่านจะสูงเกินไป ดังนั้นจึงต้องใช้ซีลปะเก็นโลหะ ปะเก็นทองแดงเป็นวัสดุที่ใช้กันมากที่สุด แม้ว่าจะสามารถใช้อินเดียมได้ก็ตาม ข้อได้เปรียบเพิ่มเติมของซีลโลหะคือความสามารถในการรักษาความสมบูรณ์ของสุญญากาศที่อุณหภูมิสูงถึง 450° C ซึ่งเป็นสิ่งสําคัญเมื่อพิจารณาการกําจัดก๊าซ แตกต่างจากซีลโอริง ซึ่งสามารถแตกหักและทําได้หลายครั้งโดยไม่มีปัญหา หากต้องแตกปะเก็นโลหะ จะไม่สามารถนํากลับมาใช้ซ้ําได้
การไล่ก๊าซในระดับสุญญากาศที่สูงเป็นพิเศษและสูงมาก
การกําจัดก๊าซเป็นหนึ่งในอุปสรรคสําคัญในการบรรลุและรักษาระดับสุญญากาศที่ต่ํากว่า 10-6 mbar
สาเหตุหลักคือไอน้ํา แต่หากกระบวนการมีสารอินทรีย์ระเหยง่าย ก็จําเป็นต้องจัดการกับสารเหล่านี้ด้วยเช่นกัน เพื่อลดการดูดซับไอระเหยให้เหลือน้อยที่สุด ซึ่งจะทําให้เกิดการไล่ก๊าซอย่างช้าๆ สิ่งสําคัญคือต้องพิจารณาและปฏิบัติตามแนวทางต่อไปนี้:
- ลดพื้นที่ผิวภายในของห้องอบให้เหลือน้อยที่สุด
- เชื่อมจากด้านในเท่านั้น
- ใช้วัสดุที่มีอัตราการดูดซับ/การปล่อยก๊าซออกต่ํา
- การปรับสภาพวัสดุเบื้องต้นอย่างเหมาะสม (เช่น การขัดด้วยไฟฟ้า)
- ตรวจสอบให้แน่ใจว่าไม่มีช่องว่างภายในหรือปริมาตรที่ติดขัด (เช่น รูบอดที่แกน)
- ลดจํานวนซีล ท่อป้อน ฯลฯ
- ใช้การให้ความร้อนปริมาณน้อยเพื่อเพิ่มอัตราการไล่ก๊าซ ซึ่งเป็นไปได้เมื่อใช้ซีลโลหะ
การตรวจจับการรั่วไหลในสภาวะ UHV และ XHV
เพื่อรักษาระดับสุญญากาศ UHV และ XHV จําเป็นต้องมีอัตราการรั่วไหลต่ํากว่า 10-7 mbar l/s เครื่องตรวจจับการรั่วไหลของฮีเลียมนําเสนอโซลูชันที่ใช้งานได้จริงที่สุดในการวัดค่าเหล่านี้อย่างน่าเชื่อถือ
วิธีการตรวจจับการรั่วไหลเฉพาะที่ดังที่แสดงด้านล่างสามารถวัดอัตราการรั่วไหลได้ต่ําถึง 10-12 mbar
วิธีการสุญญากาศ - ตาม DIN EN 1779 A3
- เมื่อเลือกระบบปั๊ม จําเป็นต้องพิจารณาระดับสุญญากาศที่แน่นอนและว่าการสั่นสะเทือนเป็นปัญหาหรือไม่
- สําหรับการใช้งานที่ไวต่อการสั่นสะเทือนหรือที่ต้องการ XHV การเพิ่มปั๊มไอออนเป็นตัวเลือกที่ดี
- เกจวัดไอออนร้อนเป็นตัวเลือกทั่วไปสําหรับการวัดแรงดันที่แม่นยําและเชื่อถือได้ในภูมิภาค UHV
- เกจสกัดเป็นประเภทที่ต้องการในบริเวณ XHV
- การลดการไล่ก๊าซให้เหลือน้อยที่สุดเป็นสิ่งสําคัญ และการเลือกวัสดุและการออกแบบระบบเป็นสิ่งสําคัญ
- การใช้เครื่องตรวจจับการรั่วไหลของฮีเลียมเป็นสิ่งจําเป็นในการรักษาสุญญากาศที่เชื่อถือได้
สุญญากาศระดับสูง สูงพิเศษ และสูงมาก: พื้นฐาน
ดาวน์โหลด eBook ของเราเพื่อทําความเข้าใจความท้าทายที่เกี่ยวข้องกับการบรรลุและการทํางานกับสุญญากาศระดับสูง สูงพิเศษ หรือสูงมาก และสิ่งที่ต้องพิจารณา
