Большая советсткая энциклопедия Сверхвысокий вакуум

Сверхвысокий вакуум

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 вакуума определяется 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, 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 ~10^-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 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.