Cách đạt được và duy trì mức UHV và XHV Ngày 22 tháng 12 năm 2020

Quang phổ yêu cầu áp suất từ 10 ^-6 đến 10 ^-9 mbar, được định nghĩa là chân không siêu cao (UHV), để hoạt động hiệu quả. Một quy trình khác đòi hỏi mức chân không này là Lớp nguyên tử lắng đọng. Đối với các chất tăng tốc hạt như Máy va chạm Hadron lớn, một số bộ phận của hệ thống yêu cầu áp suất thậm chí thấp hơn trong khoảng từ 10 ^-9 đến 10 ^-12 mbar, được chỉ định là Chân không cực cao (XHV).

Để đạt được mức chân không như vậy không chỉ yêu cầu hệ thống bơm chính xác, mà còn yêu cầu kỹ thuật đo áp suất chính xác. Ngoài ra, việc lựa chọn vật liệu cho hệ thống chân không cũng rất quan trọng. Như chúng ta sẽ thấy, việc duy trì những áp suất thấp này đòi hỏi phân tích chi tiết hệ thống chân không.

Như với các yêu cầu chân không cao, cần kết hợp bơm chân không sơ bộ và chân không cao. Bơm chân không khô rất cần thiết cho các ứng dụng UHV và XHV. Các bơm được lựa chọn là bơm xoắn ốc, bơm trục vít và bơm phụ nhiều tầng. Lựa chọn cuối cùng sẽ phụ thuộc vào yêu cầu về tốc độ bơm.

Để đạt được UHV, TMP với giai đoạn kéo để bơm khí nhẹ là một lựa chọn phổ biến. Tuy nhiên, như chúng ta sẽ thấy sau, tốc độ bơm cao cho hơi nước thường được yêu cầu và ở đây bơm lạnh sẽ là ứng viên tốt. Có thể cần bơm thêm khi rung động là vấn đề, ví dụ như với phân tích bề mặt. Ở đây, bơm ion thường được sử dụng vì chúng không có bộ phận chuyển động. Hơn nữa, việc bổ sung công nghệ này vào hệ thống bơm thường được sử dụng trong các ứng dụng XHV.

Khi áp suất trong thân bơm ở mức 10-4 mbar trở lên, điện áp cao sẽ được áp dụng cho các điện cực Titan, dẫn đến phóng điện tử. Các nam châm mạnh, thường là 1200 Gauss, thu hút và duy trì các electron này trong vòng anode dưới dạng plasma.

Khí còn lại trong cụm anốt sẽ va chạm với các electron tự do này. Do các tương tác này, các electron bị loại bỏ khỏi vỏ valence của các nguyên tố và phân tử khí. Các loại khí dương thu được được đẩy ra khỏi cực dương đến các tấm catốt Titan.

Khi các ion khí dương va chạm với catot, một phần titan được phún xạ từ bề mặt. Các loài khí sau đó phản ứng hóa học và vật lý với titan và bị kẹt lại, do đó cung cấp cơ chế bơm tương tự như bơm lạnh.

Cả hai máy đo penning (cực âm lạnh) và ion (cực âm nóng) sẽ đo vào vùng UHV, nhưng máy đo ion cung cấp độ nhạy cao nhất, cụ thể là 10-11 mbar.

Hình minh họa của máy đo ion được hiển thị dưới đây:

Đồng hồ đo ion hóa catot nóng khởi tạo dòng điện tử không đổi từ catot nóng (nguồn điện tử) đến cực dương (thoát điện tử). Những electron này va chạm với một lượng phụ thuộc vào áp suất của các phân tử khí, mà trở thành ion dương. Điều này làm cho dòng điện liên quan đến áp suất được đăng ký trên bộ thu ion.

Hơn nữa, giới hạn dưới của máy đo ion hóa catốt nóng là do hệ số tia X. Các electron phát ra từ va chạm catôt trên cực dương, gây ra sự giải phóng photon (tia X mềm) kích hoạt các electron được phát ra từ các bề mặt bộ thu ion, gây ra dòng điện lệch. Để khắc phục điều này, một hệ thống "bộ chiết xuất" đã được phát triển nhằm giảm hiệu ứng tia X bằng cách che chắn bộ thu ion. Hệ thống chiết xuất, bằng cách tập trung các ion dương, duy trì dòng ion ở mức chấp nhận được và do đó mở rộng phạm vi đo vượt quá 10-12 mbar.

Đối với các ứng dụng chân không cao, tức là 10-³ đến 10-⁶ mbar, gioăng O bằng polymer và cao su hoạt động thỏa đáng. Tuy nhiên, đối với các quy trình UHV và XHV, tỷ lệ thẩm thấu của chúng quá cao. Do đó, phải sử dụng vòng đệm kim loại. Vật liệu đệm đồng là vật liệu phổ biến nhất, mặc dù có thể sử dụng Indium. Một ưu điểm bổ sung của gioăng kim loại là khả năng duy trì tính toàn vẹn chân không lên đến 450° C. Điều này, như chúng ta sẽ thấy, rất quan trọng khi xem xét khử khí. Không giống như gioăng chữ O, có thể bị vỡ và được sản xuất nhiều lần mà không gặp vấn đề, nếu đệm kim loại bị vỡ thì không thể tái sử dụng được.

Khử khí là một trong những trở ngại chính để đạt được và duy trì mức chân không dưới 10-6 mbar.

Nguyên nhân chính là hơi nước, nhưng nếu một quy trình kết hợp các loài hữu cơ dễ bay hơi thì chúng cũng cần được giải quyết. Để giảm thiểu sự hấp thụ hơi nước sau đó từ từ khử khí, điều quan trọng là phải xem xét và tuân thủ các hướng dẫn sau:

• giảm thiểu diện tích bề mặt bên trong của khoang
• chỉ hàn từ bên trong 
• sử dụng vật liệu có tỷ lệ khử hấp thụ/ra khí thấp
• xử lý sơ bộ vật liệu phù hợp (ví dụ: đánh bóng điện)
• đảm bảo không có khoảng trống bên trong hoặc khối lượng bị kẹt (ví dụ: lỗ mù có ren)
• giảm số lượng đầu bít, ống dẫn, v.v. 
• sử dụng gia nhiệt vết để tăng tốc độ khử khí có thể xảy ra khi sử dụng gioăng kim loại

Để duy trì mức chân không UHV và XHV, cần có tỷ lệ rò rỉ dưới 10-7 mbar l/giây. Máy dò rò rỉ heli cung cấp giải pháp thiết thực nhất để đo các giá trị này một cách đáng tin cậy.

Phương pháp phát hiện rò rỉ cục bộ như minh họa dưới đây có thể đo tỷ lệ rò rỉ xuống đến 10-¹² mbar.

• Khi chọn hệ thống bơm, cần cân nhắc mức chân không chính xác và liệu rung động có phải là vấn đề hay không
• Đối với các ứng dụng nhạy cảm với rung động hoặc nơi cần XHV, việc bổ sung bơm ion là lựa chọn tốt
• Máy đo ion nóng là một lựa chọn phổ biến để đo áp suất chính xác và đáng tin cậy trong khu vực UHV 
• Dưỡng rút là loại được ưa chuộng trong vùng XHV 
• Giảm thiểu khử khí là điều cần thiết và việc lựa chọn vật liệu và thiết kế hệ thống là chìa khóa
• Việc sử dụng Máy dò rò rỉ Helium là điều cần thiết để duy trì chân không đáng tin cậy