«Сверхвысокий вакуум»

разрежение выше 10^-8 мм рт. ст. (1 мм рт. ст.(100 н/м²). С. в. создают в камерах для имитации космического пространства, в различных экспериментальных установках, а также в некоторых электровакуумных приборах. С. в. необходим для исследования физических свойств очень чистой поверхности твёрдого тела и поддержания её в течение достаточно длительного времени. В этой связи С. в. определяют как состояние разреженного газа, при котором чистая поверхность тела покрывается мономолекулярным слоем адсорбированного газа за время ≤ 100сек.

При очень низких давлениях подавляющая часть газа находится в адсорбированном состоянии на поверхности вакуумной аппаратуры, а также в растворённом состоянии внутри её материала и лишь незначительная часть — в откачиваемом объёме. Достижимая степень Вакуумаопределяется равновесием между скоростью откачки газа и скоростью его поступления в откачиваемый объём за счёт десорбции газа со стенок и натекания извне через микроскопические отверстия. Для получения С. в. натекание извне сводят к минимуму, а аппаратуру вместе с корпусом вакуумной камеры обезгаживают, прогревая в вакууме при температуре 300—500 °С. Поэтому обычно корпус вакуумной камеры изготавливают из плотных, сваривающихся, коррозиестойких материалов, имеющих низкое давление пара и легко обезгаживающихся при прогреве (нержавеющая сталь, стекло, кварц, вакуумная керамика; см. Вакуумные материалы).

Откачивающая система сверхвысоковакуумной установки состоит из основного насоса, включаемого после окончания прогрева и достижения высокого вакуума, и вспомогательного насоса, работающего при прогреве установки. Поскольку масса откачиваемого газа в условиях С. в. невелика, то в качестве основных применяют сорбционные, ионно-сорбционные и магниторазрядные вакуумные насосы (См. Вакуумный насос), быстрота откачки которых достигает 10⁶ л/сек (крупные установки), а предельный вакуум 10^-13 мм рт. cm. Иногда в качестве основных применяют пароструйные (парортутные и паромасляные) и турбомолекулярные насосы.

Измерение С. в. осуществляется электронными ионизационными и магнитными электроразрядными вакуумметрами (см. Вакуумметрия). Нижний предел давлений у первых определяется фотоэлектронным током с ионного коллектора под действием рентгеновского излучения с анода (возникающего при его электронной бомбардировке). Существуют ионизационные вакуумметры специальной конструкции, в которых фоновый ток снижен. Наибольшее распространение получил манометр Байярда — Альперта; коллектор ионов в нём представляет собой тонкий осевой стержень, на который попадает лишь малая часть рентгеновского излучения анода. Нижний предел измерений Сверхвысокий вакуум10^-10 мм рт. ст. Модулируя ионный ток в манометре Байярда — Альперта с помощью специального электрода, удаётся измерять давления до 10^-11 мм рт. ст. Подавление фонового тока электричемким полем дополнительного электрода (супрессора) позволяет измерять ещё более низкие давления (особенно в сочетании с методом модуляции). Созданы конструкции, в которых коллектор экранирован от попадания на него рентгеновского излучения с анода. В манометре Редхеда ионы из области ионизации вытягиваются через отверстие в экране и при помощи полусферического рефлектора фокусируются на тонкий проволочный коллектор. В манометре Хельмера ионный поток, выходящий из отверстия в экране, отклоняется с помощью 90°-ного углового электростатического дефлектора и направляется к коллектору. В манометре Грошковского тонкий проволочный коллектор расположен напротив отверстия в торце анодной сетки и защищен от рентгеновского излучения стеклянной трубкой. Описанные приборы позволяют измерять давление до 10^-12 мм рт. ст.,а в отдельных случаях до 10^-13 мм рт. ст.

Значительное уменьшение нижнего предела измеряемых давлений может быть достигнуто за счёт увеличения длины пробега электронов. В орбитронном манометре удлинение достигается с помощью электрического поля, а в ионизационном магнетронном манометре (манометр Лафферти) — с помощью магнитного поля. Этими приборами можно измерять давления до 10^-12—10^-13 мм рт. cm. Магнитные электроразрядные вакуумметры, применяемые для измерения С. в., имеют ряд особенностей: чтобы обеспечить зажигание и поддержание разряда при очень низких давлениях, увеличивают размеры разрядного промежутка, повышают анодное напряжение (5—6 кв) и напряжённость магнитного поля (>1000 э). Для исключения фонового тока, связанного с туннельной эмиссией (См. Туннельная эмиссия) с участков катода, расположенных вблизи анода, эти участки окружают заземлёнными экранами.

Для измерения парциональных давлений газов в условиях С. в. применяются Масс-спектрометры, например омегатроном удаётся измерять давления до 10^-10 мм рт. ст., а статическим, квадрупольным и др. масс-спектрометрами — до 10^-12—10^-13 мм рт. cm.

Лит. см. при статьях Вакуумная техника, Вакуумметрия.

Г. А. Ничипорович, В. С. Босов.

ultrahigh vacuum

(ниже 10 в минус пятой степени Па) ultrahigh vacuum

СВЕРХВЫСОКИЙ ВАКУУМ

- газовая среда с очень низкой плотностьюгаза, давление к-рого р <10^-6 Па. В природе С. в. <наблюдается в космич. пространстве, заполненном в осн. водородом с давлением р~10^-12 Па. В окрестности Земли С. в. регистрируется навысотах более 600 км (10^-8 Па на высоте 1200 км). В лаб. условияхдостигнуто разрежение р~ 10^-13 Па.

Необходимость в С. в. возникла в связи с разработкой ускорителейзаряженных частиц, имитаторов космоса и приборов для исследования поверхноститвёрдых тел. С. в. необходим, чтобы исключить влияние окружающей газовойсреды на состояние поверхности твёрдого тела в течение достаточнобольшого промежутка времени; напр., сохранение состояния атомно-чистойповерхности и её исследование в течение часа возможно при давлении .-10^-8 Па (см. Вакуум).

Трудности получения С. в. связаны с тем, что кол-во газа, адсорбированногона поверхности (в стенках камер) и натекающего из внеш. пространства (атмосферы),намного превосходит то кол-во, к-рое должно заполнять вакуумный объём при .~ 10^-6 Па. Эти трудности растут с увеличением степени необходимогоразрежения, откачиваемого объёма и сложности устройств, размещаемых в нём.

При получении С. в. необходимо: соблюдение т. н. вакуумной гигиены приизготовлении элементов прибора; применение разъёмных соединений с металлич. <уплотнителями; прогрев системы до темп-ры Т~ 500°С; использованиенасосов с большой скоростью откачки и низким предельным давлением. В установкене должно быть материалов, упругость паров к-рых при 500°С превышает предельноеразрежение, наиб. широко используются нержавеющие аустенитные стали. Разъёмныесоединения в прогреваемых системах должны обладать малой скоростью натеканияи сохранять высокую надёжность при многократных циклах «нагрев - охлаждение».Этим требованиям наилучшим образом удовлетворяет соединение типа «Conflat»(рис. 1).

Рис. 1. Разъёмное фланцевое соединение с металлическим уплотнителем.

Рис. 2. Схема турбомолекулярного насоса.

Для получения С. в. обычно необходимы 3 ступени откачки: низковакуумная, <высоковакуумная и сверхвысоковакуумная. Последняя включается после прогревав высоком вакууме (10^-4 - 10^-5 Па) всех частей системы, <в т. ч. и сверхвысоковакуумных насосов. В качестве последних используютнасосы со скоростью откачки до 10⁶ л/с. Это турбомолекулярные, <магниторазрядные. гетерноионные, конденсационно-сорбционные (криогенные)насосы. Последние обеспечивают самое высокое предельное разрежение ~10^-11 Па. В турбомолекулярном насосе (рис. 2) в корпусе (1) с закреплённымидисками (2 )вращается ротор (3), диски к-рого, как и диски статора 2, имеют косые прорези (>40, рис. 2, б). При вращении ротора молекулыгаза увлекаются в каналы, образуемые прорезями. Остаточное давление ~10^-8 Па. Действие магниторазрядного насоса основано на сочетании ионной откачки(ионизация и удаление ионов электрич. полем) и поглощения газа распыляемымматериалом катода (в результате ионной бомбардировки). Положит. ионы частичновнедряются в катод, частично нейтрализуются и, попадая на анод, замуровываютсяраспылёнными частицами катода. Гетерноионные насосы основаны на сочетаниипоглощения химически активных газов с ионной откачкой инертных газов иуглеводородов. В криогенных насосах происходит поглощение газа охлаждённойдо низких темп-р поверхностью.

Рис. 3. Инверсно-магнетронный манометр: А - анод; Э - вспомогательныйэлектрод; Кол.- коллектор ионов.

Измерение С. в. вначале осуществлялось ионизационным манометром Байярда- Альперта, в к-ром газ ионизируется электронами, испускаемыми термокатодом, <и измеряется ионный ток, пропорциональный давлению. По мере освоения областивсё более низких давлений эти манометры уступили место инверсно-магнетроннымманометрам (рис. 3). В них измерение сверхнизкого давления газа возможноблагодаря использованию Пеннинга разряда, возбуждаемого между холоднымиэлектродами в пост. магн. поле Н. Подавление «паразитной» автоэлектроннойэмиссии с поверхности коллектора, повышающее чувствительность прибора, <обеспечивает вспомогат. электрод Э. При анодном напряжении ~6 кВ и магн. <поле 2*10³ Э, направленном вдоль оси анода, зажигание разрядаи соответственно измерение С. в. происходят при давления 10^-10 Па и ниже.

Техника С. в., кроме фундам. исследований, направленных на изучениеатомной и электронной структуры чистой поверхности, стимулировала развитиеважных науч.-техн. направлений и методов (напр.. молекулярно-пучковая эпитаксия, катализ, <тонкоплёночная микроэлектронная технология и др.).

Лит.: Глазков А. А., С а к с а г а н с к и й Г. Л., Вакуум электрофизическихустановок и комплексов, М., 1985; У э с т о н Д ж., Техника сверхвысокоговакуума, пер. с англ., М 1988 И. М. Овчинников.