فراغ فائق العلو

يُقاس الفراغ العالي باستخدام مقياس غير مطلق يقيس خاصيةً متعلقةً بالضغط في الفراغ. انظر، على سبيل المثال، بيسي. ^{[ 3 ]} يجب معايرة هذه المقاييس. ^{[ 4 ]} أما المقاييس القادرة على قياس أدنى الضغوط فهي مقاييس مغناطيسية تعتمد على اعتماد التيار على الضغط في تفريغ غازي تلقائي في مجالين كهربائي ومغناطيسي متقاطعين. ^{[ 5 ]}

يتم قياس ضغوط الفراغ العالي جدًا باستخدام مقياس الأيونات ، إما من نوع الفتيل الساخن أو المغنطرون المقلوب.

في أي نظام تفريغ، يستمر تسرب بعض الغاز إلى الحجرة بمرور الوقت، مما يؤدي إلى زيادة الضغط تدريجيًا إذا لم يتم ضخه للخارج. ^{[ 6 ]} يُقاس معدل التسرب عادةً بوحدة ملي بار لتر/ثانية أو تور لتر/ثانية. ورغم أن تسرب بعض الغاز أمر لا مفر منه، إلا أن ارتفاع معدل التسرب قد يُبطئ النظام أو حتى يمنعه من الوصول إلى الضغط المنخفض.

توجد أسباب عديدة محتملة لزيادة الضغط، منها تسربات الهواء البسيطة، والتسربات الافتراضية ، والامتزاز (سواء من الأسطح أو من الحجم). وتتعدد طرق الكشف عن التسربات؛ إذ يمكن الكشف عن التسربات الكبيرة بضغط الحجرة والبحث عن فقاعات في الماء والصابون، بينما قد تتطلب التسربات الصغيرة طرقًا أكثر حساسية، تصل إلى استخدام غاز متتبع وجهاز مطياف كتلة الهيليوم المتخصص .

للوصول إلى ضغوط منخفضة، يُفضّل تسخين النظام بأكمله فوق 100 درجة مئوية (212 درجة فهرنهايت) لعدة ساعات (وهي عملية تُعرف باسم التجفيف الحراري ) لإزالة الماء والغازات النزرة الأخرى التي تتراكم على أسطح الحجرة. وقد يكون هذا الإجراء ضروريًا أيضًا عند إعادة تشغيل الجهاز في الغلاف الجوي. تُسرّع هذه العملية بشكل ملحوظ عملية إطلاق الغازات، مما يسمح بالوصول إلى ضغوط منخفضة بسرعة أكبر. بعد التجفيف الحراري، ولمنع عودة الرطوبة إلى النظام بعد تعرضه للضغط الجوي، يُمكن الحفاظ على تدفق غاز النيتروجين الذي يُولّد ضغطًا موجبًا طفيفًا لإبقاء النظام جافًا. يُمكن معالجة أجزاء الفولاذ المقاوم للصدأ حراريًا عند 900 درجة مئوية لأكثر من 24 ساعة لتحقيق معدلات إطلاق غازات أقل بكثير.  

لا توجد مضخة تفريغ واحدة قادرة على العمل في نطاق الضغط الجوي وصولاً إلى الفراغ الفائق. بدلاً من ذلك، تُستخدم سلسلة من المضخات المختلفة، وفقًا لنطاق الضغط المناسب لكل مضخة. في المرحلة الأولى، تقوم مضخة أولية بإزالة معظم الغاز من الحجرة. يلي ذلك مضخة توربينية جزيئية ، ثم مضخة تفريغ واحدة أو أكثر تعمل عند ضغوط الفراغ الفائق. تشمل المضخات الشائعة الاستخدام في هذه المرحلة الثالثة لتحقيق الفراغ الفائق ما يلي:

• مضخات مركبة توربينية جزيئية تتضمن قسم سحب جزيئي و/أو محمل مغناطيسي
• مضخات الأيونات
• مضخات التسامي المصنوعة من التيتانيوم
• مضخات امتصاص غير قابلة للتبخر (NEG)
• مضخات التبريد
• مضخات الانتشار ، وخاصة عند استخدامها مع مصيدة تبريد مصممة لتقليل ارتداد زيت المضخة إلى الأنظمة.

تعتمد المضخات التوربينية ومضخات الانتشار على الهجوم فوق الصوتي على جزيئات النظام بواسطة الشفرات وتيار البخار عالي السرعة، على التوالي.

لتوفير الوقت والطاقة والحفاظ على سلامة حيز الفراغ العالي جدًا، يُستخدم غالبًا نظام تفريغ هوائي أو نظام تفريغ مع قفل تحميل ^{[ 8 ]} . يحتوي حيز التفريغ الهوائي على باب أو صمام، مثل صمام بوابة أو صمام زاوية خاص بالفراغ العالي جدًا ^{[ 9 ]} ، مواجهًا لجانب الفراغ العالي جدًا من الحيز، وباب آخر معاكس للضغط الجوي تُدخل من خلاله العينات أو قطع العمل في البداية. بعد إدخال العينة والتأكد من إغلاق الباب المعاكس للضغط الجوي، يُفرغ حيز التفريغ الهوائي عادةً إلى مستوى فراغ متوسط ​​إلى عالٍ. في بعض الحالات، تُجفف قطعة العمل نفسها أو تُنظف مسبقًا بطريقة أخرى تحت هذا الفراغ المتوسط ​​إلى العالي. ثم تُفتح بوابة حجرة الفراغ العالي جدًا، وتُنقل قطعة العمل إلى حيز الفراغ العالي جدًا آليًا أو بأي وسيلة أخرى عند الضرورة، ويُعاد إغلاق صمام الفراغ العالي جدًا. أثناء معالجة قطعة العمل الأولية تحت الفراغ العالي جدًا، يمكن إدخال عينة لاحقة إلى حيز التفريغ الهوائي، وتنظيفها مسبقًا، وهكذا، مما يوفر الكثير من الوقت. على الرغم من أن دفقة من الغاز تُطلق عادةً في نظام الفراغ العالي جدًا عند فتح صمام حيز معادلة الضغط، إلا أن مضخات النظام قادرة على سحب هذا الغاز قبل أن يتراكم على أسطح الفراغ. في نظام مصمم جيدًا بأقفال ضغط مناسبة، نادرًا ما تحتاج مكونات الفراغ العالي جدًا إلى معالجة حرارية، وقد يتحسن الفراغ بمرور الوقت حتى مع إدخال وإخراج قطع العمل.

تُعدّ موانع التسرب المعدنية بالكامل ضرورية لغرف الفراغ العالي جدًا. تتميز هذه الموانع (مثل حواف ألياف الكربون - انظر حافة الفراغ ) بحواف حادة على كلا الجانبين تقطع حشية نحاسية لينة. يمكن لهذا المانع المعدني الحفاظ على ضغوط تصل إلى 100 بيكو باسكال (7.5 × 10⁻¹³ تور) . على الرغم من أنها تُعتبر عادةً للاستخدام لمرة واحدة، إلا ^أنه يمكن للمشغل الماهر استخدامها عدة مرات باستخدام مقاييس سماكة ذات أحجام متناقصة مع كل استخدام، طالما أن الحواف الحادة في حالة ممتازة. أما بالنسبة لتجاويف المفاعلات ذات الوقود المشع، فتُستخدم موانع التسرب المصنوعة من الإنديوم بشكل أكثر شيوعًا في إحكام إغلاق سطحين مستويين معًا باستخدام مشابك لتقريب السطحين. يجب شد المشابك ببطء لضمان انضغاط موانع التسرب المصنوعة من الإنديوم بشكل متساوٍ من جميع الجوانب.  

يتم استخدام العديد من المواد الشائعة بشكل محدود أو على الإطلاق بسبب ارتفاع ضغط البخار، أو ارتفاع قدرة الامتصاص أو الامتصاص مما يؤدي إلى انبعاث غازات مزعج لاحق، أو نفاذية عالية في مواجهة الضغط التفاضلي (أي: "الغازات المتسربة").

• لا يمكن استخدام غالبية المركبات العضوية :
  • المواد البلاستيكية ، باستثناء PTFE و PEEK : تُستبدل المواد البلاستيكية في الاستخدامات الأخرى بالسيراميك أو المعادن. ويمكن النظر في استخدام محدود للمطاط الفلوري (مثل فيتون ) والمطاط الفلوري المشبع (مثل كالريز ) كمواد للحشيات إذا كانت الحشيات المعدنية غير عملية، على الرغم من أن هذه البوليمرات قد تكون باهظة الثمن. وعلى الرغم من أنه لا يمكن تجنب تسرب الغازات من المطاط، فقد أظهرت التجارب أن التسرب البطيء لبخار الماء هو، في البداية على الأقل، القيد الأكثر أهمية. ويمكن تقليل هذا التأثير عن طريق المعالجة الحرارية المسبقة تحت فراغ متوسط. عند اختيار حلقات منع التسرب، يجب مراعاة معدل النفاذية ومعاملات النفاذية. على سبيل المثال، معدل اختراق النيتروجين في موانع تسرب فيتون أقل بمئة مرة من اختراقه في موانع تسرب السيليكون، مما يؤثر على مستوى الفراغ النهائي الذي يمكن تحقيقه. ^{[ 2 ]}
  • المواد اللاصقة : يجب استخدام مواد لاصقة خاصة للتجفيف تحت الفراغ العالي، وعادةً ما تكون من الإيبوكسيات ذات المحتوى العالي من الحشوات المعدنية. ومن بين أكثرها شيوعًا تلك التي تحتوي على الأسبستوس في تركيبتها. وهذا ما يمنح الإيبوكسي خصائص أولية جيدة وقدرة على الحفاظ على أداء مقبول بعد عدة عمليات تجفيف حراري.
• بعض أنواع الفولاذ : نظرًا لأكسدة الفولاذ الكربوني ، التي تزيد بشكل كبير من مساحة الامتصاص، يُستخدم الفولاذ المقاوم للصدأ فقط. ويُفضل على وجه الخصوص استخدام أنواع الفولاذ الأوستنيتي الخالي من الرصاص والمنخفض الكبريت، مثل 304 و 316 . يحتوي هذا الفولاذ على 18% على الأقل من الكروم و8% من النيكل. تشمل أنواع الفولاذ المقاوم للصدأ أنواعًا منخفضة الكربون (مثل 304L و 316L )، وأنواعًا تحتوي على إضافات مثل النيوبيوم والموليبدينوم للحد من تكوّن كربيد الكروم (الذي لا يوفر أي مقاومة للتآكل). من بين التسميات الشائعة 316L (منخفض الكربون) و316LN (منخفض الكربون مع النيتروجين)، والتي تتميز بنفاذية مغناطيسية أقل بكثير مع تقنيات لحام خاصة ، مما يجعلها مفضلة لتطبيقات مسرعات الجسيمات . ^{[ 10 ]} يمكن أن يؤدي ترسب كربيد الكروم على حدود الحبيبات إلى جعل الفولاذ المقاوم للصدأ أقل مقاومة للأكسدة.
• الرصاص : تتم عملية اللحام باستخدام لحام خالٍ من الرصاص . وفي بعض الأحيان، يُستخدم الرصاص النقي كمادة مانعة للتسرب بين الأسطح المستوية بدلاً من نظام النحاس/حافة السكين.
• الإنديوم : يُستخدم الإنديوم أحيانًا كمادة حشو قابلة للتشكيل في موانع التسرب الفراغية، خاصةً في الأجهزة المبردة، إلا أن انخفاض درجة انصهاره يمنع استخدامه في الأنظمة المُعالجة حراريًا. في تطبيقٍ أكثر تخصصًا، تُستغل درجة انصهار الإنديوم المنخفضة كحشو قابل للتجديد في صمامات الفراغ العالي. تُستخدم هذه الصمامات عدة مرات، عادةً بمساعدة مفتاح عزم مضبوط على عزم متزايد مع كل دورة. عندما ينفد حشو الإنديوم، ينصهر ويعيد تشكيل نفسه، ليصبح جاهزًا لجولة أخرى من الاستخدام.
• الزنك والكادميوم : ضغوط البخار العالية أثناء عملية تسخين النظام تمنع استخدامهما عمليًا.
• الألومنيوم: على الرغم من أن ضغط بخار الألومنيوم نفسه يجعله غير مناسب للاستخدام في أنظمة الفراغ العالي جدًا، إلا أن الأكاسيد نفسها التي تحميه من التآكل تُحسّن خصائصه في هذه الأنظمة. ورغم أن التجارب الأولية على الألومنيوم أشارت إلى ضرورة طحنه تحت الزيت المعدني للحفاظ على طبقة رقيقة ومتجانسة من الأكسيد، فقد أصبح من المقبول على نطاق واسع أن الألومنيوم مادة مناسبة لأنظمة الفراغ العالي جدًا دون الحاجة إلى تحضير خاص. ومن المفارقات، أن أكسيد الألومنيوم، خاصةً عندما يكون مُدمجًا كجسيمات في الفولاذ المقاوم للصدأ، كما هو الحال عند صنفرته لتقليل مساحة سطحه، يُعتبر ملوثًا مُشكلًا.
• يُعدّ التنظيف بالغ الأهمية في أنظمة الفراغ العالي جدًا. تشمل إجراءات التنظيف الشائعة إزالة الشحوم باستخدام المنظفات والمذيبات العضوية والهيدروكربونات المكلورة . غالبًا ما يُستخدم التلميع الكهربائي لتقليل مساحة السطح التي يمكن أن تنبعث منها الغازات الممتصة. يؤدي حفر الفولاذ المقاوم للصدأ باستخدام حمض الهيدروفلوريك وحمض النيتريك إلى تكوين سطح غني بالكروم، يليه خطوة تخميل بحمض النيتريك ، مما يُكوّن سطحًا غنيًا بأكسيد الكروم. يُبطئ هذا السطح انتشار الهيدروجين إلى الحجرة.

القيود التقنية:

• البراغي : تتميز الخيوط بمساحة سطحية كبيرة، مما يجعلها عرضة لحجز الغازات، ولذلك يُتجنب استخدامها. ويُتجنب استخدام الثقوب المغلقة تحديدًا، نظرًا لحجز الغاز عند قاعدة البرغي وبطء تصريفه عبر الخيوط، وهو ما يُعرف عادةً بـ"التسريبات الضمنية". ويمكن التخفيف من هذه المشكلة بتصميم المكونات بحيث تتضمن ثقوبًا نافذة لجميع الوصلات الملولبة، أو باستخدام براغي مهواة (ذات ثقب محفور عبر محورها المركزي أو شق على طول الخيوط). تسمح البراغي المهواة بتدفق الغازات المحصورة بحرية من قاعدة البرغي، مما يُزيل التسريبات الضمنية ويُسرّع عملية تفريغ الهواء. ^{[ 11 ]}
• اللحام : لا يمكن استخدام عمليات مثل لحام القوس المعدني بالغاز ولحام القوس المعدني المحمي ، نظرًا لترسب مواد غير نقية واحتمالية ظهور فراغات أو مسامية. لذا، يُعد لحام القوس التنغستني بالغاز (مع توزيع حراري مناسب ومادة حشو مختارة بعناية) ضروريًا. كما تُقبل عمليات اللحام النظيفة الأخرى، مثل لحام شعاع الإلكترون أو لحام شعاع الليزر ؛ إلا أن العمليات التي تنطوي على احتمالية وجود شوائب خبث (مثل لحام القوس المغمور ولحام القوس ذي القلب المتدفق ) غير مقبولة قطعًا. ولتجنب انحباس الغاز أو جزيئات الضغط البخاري العالي، يجب أن تخترق اللحامات الوصلة بالكامل أو أن تُجرى من السطح الداخلي، وإلا فقد يظهر تسرب ظاهري.

يُتيح جهاز التلاعب فائق الفراغ (UHV) تحريك جسم موجود داخل حجرة مفرغة من الهواء ميكانيكيًا. وقد يُوفر حركة دورانية، أو حركة خطية، أو مزيجًا من كليهما. وتُوفر الأجهزة الأكثر تعقيدًا حركة في ثلاثة محاور ودورانًا حول محورين منها. ولتوليد الحركة الميكانيكية داخل الحجرة، تُستخدم عادةً ثلاث آليات أساسية: وصلة ميكانيكية عبر جدار الفراغ (باستخدام مانع تسرب محكم حول الوصلة، مثل منفاخ معدني ملحوم)، أو وصلة مغناطيسية تنقل الحركة من جانب الهواء إلى جانب الفراغ، أو مانع تسرب انزلاقي باستخدام شحوم خاصة ذات ضغط بخار منخفض جدًا أو سائل مغناطيسي حديدي. وقد يتجاوز سعر هذه الشحوم الخاصة 400 دولار أمريكي للكيلوغرام الواحد. ^{[ 12 ]} وتتوفر أشكال مختلفة للتحكم في حركة أجهزة التلاعب، مثل المقابض، والعجلات اليدوية، والمحركات، والمحركات الخطوية ، والمحركات الكهروإجهادية ، والأنظمة الهوائية . غالباً ما يتطلب استخدام المحركات في بيئة فراغية تصميمًا خاصًا أو اعتبارات خاصة أخرى، حيث أن التبريد بالحمل الحراري الذي يعتبر أمرًا مفروغًا منه في الظروف الجوية غير متوفر في بيئة الفراغ العالي جدًا.

قد يشتمل جهاز المعالجة أو حامل العينة على ميزات تتيح مزيدًا من التحكم والاختبار للعينة، مثل إمكانية تطبيق الحرارة أو التبريد أو الجهد الكهربائي أو المجال المغناطيسي. ويمكن تسخين العينة عن طريق قصفها بالإلكترونات أو الإشعاع الحراري. في حالة القصف الإلكتروني، يُجهز حامل العينة بفتيل يُصدر إلكترونات عند تطبيق جهد سالب عالٍ عليه. ويؤدي اصطدام الإلكترونات بالعينة بطاقة عالية إلى تسخينها. أما في حالة الإشعاع الحراري، فيُثبت فتيل بالقرب من العينة ويُسخن مقاوميًا إلى درجة حرارة عالية. وتُسخن طاقة الأشعة تحت الحمراء المنبعثة من الفتيل العينة.