费勉100问第二期 | 真空相关

超高真空系统（以金属密封情况为主）主要是以SS316（或者SS304）材质为主的腔体作为承载，并装配有不同功能的部件（也都是满足超高真空低放气率要求的材料组成）。

真空腔体内表面一般都会经过抛光处理（机械抛光、电化学抛光等手段），以达到表面更加平整、致密的效果；而真空系统暴露大气（vent）后，不单是腔体内表面，腔体内所有部件都会吸附（adsorb）气体（大部分是水气）；如果不进行烘烤（即在室温条件下），这些吸附的水气会缓慢地脱附（desorb），这个过程将会持续非常长的时间。

烘烤过程会加速水气的脱附速度，极大缩短系统进入超高真空（E-10 mbar量级）的时间。

以下是烘烤与不烘烤的对比图。

系统在完成安装（或者破真空恢复后），需在真空好于E-5 mbar的情况下，开始烘烤。

超高真空系统都会安装有不同的电子部件，烘烤温度一般设置为120摄氏度（超出水的汽化温度），烘烤时间会根据系统的复杂程度来设置，一般不少于48小时；烘烤过程中，需要间歇性（例如，每10个小时）对离子规进行放气处理。

烘烤效果的判断，一般以期望得到的极限真空的100倍为参照，例如，极限真空为5E-10 mbar，120度烘烤条件下，真空达到2E-8 mbar，即可停止烘烤；如果真空系统较复杂，可以在E-8mbar量级下维持更长的时间。

5. 真空度到达什么要求，可以降温，为什么？

在不同行业不同环境有不同的需求，这个完全要看实际使用的环境。一般来说真空对低温的影响主要在几点：

低温凝结对测试的影响

我们必须认识到，即使在E-7 mbar的表面，室温下吸附一层气体分子的时间只需要1s。随着温度的降低，表面吸附的气体分子会更多更快，特别是空气中常见的水、氧、氮等，在低温下很容易吸附到样品表面。

我们需要评估这个吸附对测试的影响，一方面，低温吸附会影响到表面测试的敏感性，例如ARPES、XPS 等对表面的敏感度只有几个到几十个原子层，一旦吸附的气体分子很厚就会影响到我们测试；此外，表面吸附的气体分析还会影响到表面的性质，比如金属表面吸附了氧气后，很容易发生氧化反应从而改变材料性质，我们有些设备也是利用这点完成低温吸附和催化。

从这点来说，对于表面敏感的实验，一般建议真空至少到E-9 mbar才开始降温，但是对某些非表面测试的手段，例如光谱，XRD等等，只要防止表面结冰就可以了，真空一般达到E-4 mbar就可以了。

真空对隔热的影响

气体分子可以充当导热介质的角色，所以需要评估真空度和极低温的关系，一般液氦温度会特别明显，因为液氦的制冷量相对较小，为了达到极低温需要减少额外的热损失。从这点来说，一般真空能达到E-3 mbar就足够了。

6. 什么是电离吸气、物理吸附、化学吸附？哪一个能达到更好的真空指标？

电离吸气通常和离子泵的工作原理相关，在高压条件下，气体发生电离，电离后产生的气体离子在电场和磁场作用下，被轰击至电极并被掩埋，产生“吸气”的效果。

物理吸附通常和冷凝泵的工作原理相关，指气体分子和作用表面通过弱相互作用力结合(范德华力、静电作用等)，实现“吸气”的效果。因为物理吸附的作用力弱，升高温度很容易脱附，所以需要表面有较低的温度，才能产生吸附的效果。

化学吸附通常和吸附剂泵、钛升华泵等室温型吸附泵的工作原理相关，指气体分子和作用表面通过强相互作用(化学键)，实现“吸气”的效果。因为化学吸附的作用力强，在室温吸附上的气体也不会脱附，所以可以在室温工作，产生吸附的效果。

电离吸气、物理吸附和化学吸附对于不同气体抽速不同：

1.电离吸气取决于气体分子的电离截面大小，电离截面越大，气体越容易被电离，“吸气”效果越好。例如：离子泵对惰性气体的抽速很小，就是因为惰性气体的电离截面小。

2.物理吸附取决于气体分子和作用表面的作用力大小，通常这一作用力大小和气体的沸点相关，所以可以用气体的沸点高低判断其被物理吸附的难易程度。沸点越低的气体，吸附表面的温度也需要更低，才能达到较好的吸附效果。例如，在液氮温度下，氢气等气体不发生吸附，液氮冷凝泵对氢气就没有抽速。

3.化学吸附取决于吸附剂的化学活性，以及被吸附气体与吸附剂的相互作用强度。在真空中使用的吸附剂需要满足容易反复激活、化学活性高、不易挥发等特性，活泼的过渡金属及其合金是很好的吸附剂选择。例如，通常金属或合金表面对小分子气体，如氢气有很好的储存能力，对氢气的“吸气”能力也就更强。

真空指标通常是由真空计测量得到的，所以对于不同气体，真空指标的高低也与真空计的测量原理相关。例如，离子规是通过热电子电离测量微电流来获得真空度的，对于不同电离截面的气体，其测量准确度也不尽相同。所以很有可能出现，某一种真空泵对某种气体有很高的抽速，但因为真空计对这种气体测量的不准，所以表观真空度并没有发生什么变化的情况。

为了更好地反应真空指标，需要使用RGA，观察各个质量数下的气体含量，这样可以更加客观说明电离吸气、物理吸附和化学吸附对于何种气体能达到更好的真空指标。

通常真空泵的抽速指标是以对N2的抽速，真空计也以对N2的测量进行的校正。统一以N2为被抽气体来讲，无论是离子泵、冷凝泵或吸附剂泵，抽速越大，越能达到更好的真空指标。