【康沃真空網(wǎng)】一、超高真空常用單位

　　1.     毫巴（mbar）來自于氣壓的單位bar，

　　1000 mbar = 1 bar = 1*105 Pa；

　　2.    托（Torr）來自于托里拆利實(shí)驗(yàn)中的毫米汞柱（mmHg），

　　760 Torr =1 atm；

　　3.      帕（Pa）來自于國際單位制（SI），

　　1 Pa = 1 N/m2；

　　備注：Pa是國際單位制中的導(dǎo)出單位而非基本單位

　　備注：1 bar嚴(yán)格定義為105 Pa, 1 atm嚴(yán)格定義為101325 Pa，兩者在實(shí)際使用中基本認(rèn)為一致，但定義上有所不同。

　　備注：在實(shí)際使用中，由于Torr和mbar數(shù)值相近，對不要求精度時一般認(rèn)為等價。

　　備注：工程上經(jīng)常會使用公斤（kg/cm2）作為壓力的單位，數(shù)值上接近于105 Pa。

　　二、超高真空的定義

　　1. 超高真空（ultra-high vacuum，UHV）一般定義為10-7-10-12 mbar；

　　2. 高真空（high vacuum，HV）一般定義為 > 10-7 mbar；

　　3. 極高真空（Extreme high vacuum，XHV）一般定義為 < 10-12 mbar。

　　三、超高真空的特點(diǎn)

　　1. 潔凈度高

　　高潔凈度是表面分析需要用到超高真空的根本原因。表面物理研究的往往是表面幾個原子層的物理現(xiàn)象，因此，即便是在真空條件下，氣體分子在樣品表面的吸附往往會顯著影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。我們經(jīng)常用“壽命（lifetime）”來描述樣品表面從清潔到所受污染影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果所花費(fèi)的時間。不同樣品之間，由于對氣體分子吸附能力的不同，樣品壽命有很大差異。即使對于同種樣品，不同實(shí)驗(yàn)對于樣品壽命也會有完全不同的定義。通常來說，表面態(tài)的壽命比體態(tài)的壽命要短得多。

　　表面科學(xué)中用L（Langmuir）定義樣品表面的暴露情況，1 L = 10-6 Torr*s。我們可以看到，樣品的暴露情況和氣壓是成反比關(guān)系。所以，為了提高樣品的壽命，我們往往會盡可能地提高系統(tǒng)的真空度。

　　如果以室溫條件下的N2分子進(jìn)行計(jì)算，考慮所有碰撞表面的分子全部被吸附的話，在10-6 Torr的真空條件下，3秒鐘會在樣品表面吸附一層分子。在科普宣傳中我們經(jīng)常以10-6 Torr對應(yīng)1 s單分子層覆蓋時間來描述真空的重要性，這個提法比較形象，易于理解，但從事表面研究的同學(xué)們一定不要以此作為科學(xué)研究的依據(jù)。

    　2. 平均自由程長

　　每個氣體分子相鄰兩次碰撞的距離統(tǒng)計(jì)平均值稱為分子的平均自由程。分子平均自由程的大小和真空中分子的種類、密度和運(yùn)動速度都有關(guān)系。在常溫下，考慮N2的話，氣體分子的平均自由程和氣壓成反比：大氣壓（105 Pa）下，平均自由程為59 nm，10-7 Pa的平均自由程則高達(dá)59 km。根據(jù)這一參數(shù)，我們可以估計(jì)磁控濺射生長所需要的最低真空度。

　　電子平均自由程指的是電子和氣體分子連續(xù)兩次碰撞之間所走過的路程統(tǒng)計(jì)平均值（忽略電子之間的碰撞）。這一參數(shù)主要應(yīng)用于光電能譜實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

　　3. 絕熱性

　　超高真空條件下，一般忽略熱對流，主要考慮熱輻射和熱傳導(dǎo)。低溫系統(tǒng)（液氦、液氮）主要考慮阻止外界熱量的傳入。對使用液氮的系統(tǒng)來說，熱傳導(dǎo)是主要的熱量來源；對使用液氦的系統(tǒng)來說，外部熱輻射是不可忽略的，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時要特別注意。高溫系統(tǒng)則需要考慮加熱燈絲產(chǎn)生熱輻射帶來的材料升溫放氣。高溫下熱傳導(dǎo)主要對熱偶的溫度測量產(chǎn)生影響。此外，材料被加熱到較高溫度后，自身產(chǎn)生的熱輻射也不可忽略。

　　四、超高真空的應(yīng)用領(lǐng)域

　　超高真空應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，這里我們列舉了和表面物理研究關(guān)系最密切的幾種，包括磁控濺射、激光脈沖沉積、分子束外延、表面分析和粒子加速器。

　　分子束外延和表面分析領(lǐng)域廣泛使用超高真空技術(shù)，各種類型的分子束外延設(shè)備、光電子能譜和掃描隧道顯微鏡等制備表征系統(tǒng)都在這個范圍內(nèi)工作。由于真空系統(tǒng)在系統(tǒng)建設(shè)成本中往往占據(jù)相當(dāng)大的比例，如何選擇合適的泵組并通過恰當(dāng)?shù)姆绞窖杆佾@得盡可能好的真空度，是困擾相關(guān)領(lǐng)域的普遍問題。

　　粒子加速器對真空要求最為苛刻，但因?yàn)檎w系統(tǒng)造價較高，真空泵組不是成本的主要構(gòu)成，一般盡可能配置較好的真空泵，加之加速器的腔體內(nèi)一般沒有污染源，真空度通常會達(dá)到極高真空的范圍。

　　磁控濺射因?yàn)闄C(jī)制問題，蒸鍍過程中產(chǎn)生的污染較大，通常不會追求特別高的真空度，一般用分子泵組即可滿足使用條件。近年來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和研究需求的進(jìn)一步發(fā)展，磁控濺射系統(tǒng)的真空度持續(xù)提高，超高真空相關(guān)技術(shù)也在不斷進(jìn)入這一領(lǐng)域。

　　激光脈沖沉積（PLD）技術(shù)過去對真空度的需求介于分子束外延和磁控濺射之間，近年來由于與分子束外延（MBE）技術(shù)逐漸融合，真空度要求也在不斷提高。激光分子束外延（LMBE）就是在PLD中融入了MBE的超高真空技術(shù)。