Was ist Ultrahochvakuum?
Ultrahochvakuum bezieht sich auf Drücke von weniger als 10 –7 Pascal oder 100 Nanopascal (ein Zehnmillionstel Pascal). Zum Vergleich: Der atmosphärische Druck ist 101,3 kPa (Kilopascal), mehr als eine Milliarde Mal höher, der Druck in einer Glühbirne beträgt etwa 1 Pascal und der Druck in den Wänden einer Thermoskanne etwa 0,1 Pascal. Selbst der Weltraum in der Umgebung der Erde ist kein Ultrahochvakuum, da er einen Druck von etwa 100 Mikropascal aufweist, der tausendmal höher ist als in einem Ultrahochvakuum. In einem Ultrahochvakuum beträgt der mittlere freie Weg jedes Gasmoleküls 40 km, sodass diese Moleküle viele Male mit den Wänden ihrer Kammer kollidieren, bevor sie miteinander kollidieren.
Ultrahochvakuum wird hauptsächlich für Oberflächenanalysetechniken wie Auger-Elektronenspektroskopie, Röntgen-Photoelektronenspektroskopie, Sekundärionen-Massenspektrometrie, thermische Desorptionsspektroskopie, winkelaufgelöste Photoemissionsspektroskopie und Dünnfilmwachstumstechniken, die eine hohe Reinheit erfordern, wie z Strahlenepitaxie und chemische UHV-Gasphasenabscheidung. Ultrahochvakuum wird auch in Teilchenbeschleunigern verwendet, um einen leeren Strahlengang zu erzeugen.
Die Schaffung eines Ultrahochvakuums erfordert außergewöhnliche Maßnahmen. Spezielle Kammerkonstruktionen minimieren die Oberfläche, Hochgeschwindigkeitspumpen, einschließlich Parallelpumpen, müssen verwendet werden, Hochleitungsschläuche müssen für Pumpen verwendet werden, Gasgruben (wie in Schraubengewinden) müssen beseitigt werden, Kammerwände müssen auf kryogene Temperaturen gekühlt werden Um die Sublimation von in nanoskopischen Taschen eingeschlossenen Gasen zu vermeiden, müssen alle Metallteile elektropoliert, Materialien mit geringer Ausgasung wie Edelstahl verwendet und das System bei 250 ° C bis 400 ° C (482 ° F bis 752 ° C) gebrannt werden F) um Kohlenwasserstoff- oder Wasserspuren zu entfernen. Ausgasung - das langsame Eindringen von Gasmolekülen durch winzige Risse in der Kammer - kann ein großes Problem sein. Einige Kammern sind möglicherweise aufgrund ihrer Herstellung nicht in der Lage, ein Ultrahochvakuum zu erzeugen, und die Hardware muss ausgeworfen und ersetzt werden. Aus all diesen Gründen kann das Erreichen eines Ultrahochvakuums teuer und schwierig sein.
Obwohl Ultrahochvakuum extrem erscheinen mag, sind einige Umgebungen ein noch besseres Vakuum, einschließlich der Mondoberfläche und des interstellaren Raums. Einige Regionen des Weltraums, wie die Leere von Boötes, sind so dünn, dass es nur ein Atom pro Kubikmeter gibt.