什么是UHV和XHV？他们是怎么产生的？其作用是什么？

一. 超高真空（UHV）和极高真空（XHV）的概念：

UHV是指1.0x10^-7和1.0x 10^-12mabar的压力为特征的真空状态，通常叫超高真空。XHV是指低于1.0x10^-12mbar以下压力的真空状态。通常称为极高真空。UHV 和XHV是通过排气设备将气体从固定容器中抽出而产生的。在这些超低压环境下，气体分子的平均自由程大于约 40 km，因此气体处于自由分子流中，气体分子在相互碰撞之前会与室壁多次碰撞。因此，几乎所有的分子相互作用都发生在腔室的不同位置的内表面上。

超高压和特高压条件是科学研究不可或缺的一部分。表面科学实验通常需要没有任何需要吸附物的清洁样品表面。X 射线光电子能谱和低能离子散射等表面分析工具需要 UHV 条件来传输电子或离子束。出于同样的原因。大型强子对撞机等粒子加速器中的束管也需保持在 UHV或更高压力的XHV（特高压)环境。

图一：UHV腔室

二. 维持UHV和XHV环境需要使用特殊设备和材料：

• 高抽速—需有多个真空泵串联和/或并联。
• 尽量使腔室中的表面积最小化。
• 泵送管道的高导同性——尽量缩短距离，尽量无阻塞和弯管。
• 使用低释放气的不锈钢材料。
• 避免在螺栓、焊接处等背面形成滞留小气体坑。
• 机加工或焊接后对所有金属零件进行电解抛光。
• 附件使用低蒸气压材料（陶瓷、玻璃、金属）。
• 长时间烘烤系统以去除吸附在内壁上的水或碳氢化合物。
• 在使用过程中将腔室内壁冷却至低温。
• 避免碳氢化合物的痕迹，包括指纹中的皮肤油并操作过程始终使用手套。

三. UHV的测量：

• 超（特）高真空的测量用常规的电阻压力计或电容薄膜压力计是不合适的，需要使用电离真空计来完成，常用的有冷阴极和热阴极电离真空计。现阶段市场比较认可还有复合型电离真空计来完成从大气压到UHV压力的测量，（如：INFICON BPG400和WDWARDS AIM-X系列规）、特高真空（XHV）需要用特殊材质的电离真空裸规完成低于-12mbar以下的压力范围（如：MKS274规和Agilent UHV 规） 。

四. 超特高真空系统的泄露率：系统的泄露率小于1*10^-13Pa.M3/s。

五. UHV和XHV系统脱气：

从腔室内表面排气是一个很微妙的问题。在极低的压力下，吸附在内壁上的气体分子比漂浮在腔室中的气体分子多，因此腔室内的总表面积对于达到 UHV 比其体积更重要。水分子是除气的重要来源，因为当腔室向空气开放时，一层薄薄的水蒸气会迅速吸附到内壁上。但水从内壁表面蒸发得太慢，在室温下无法完全去除，去除水和类似气体通常需要在真空泵运行时在 200 至 400 °C下烘烤腔室内壁。在腔室使用期间，腔室内壁可以使用液氮冷却进一步减少余气。

六：烘烤

为了达到超低真空，通常须将整个系统加热到 100 °C以上数小时（称为烘烤过程）以去除吸附在腔室内壁的水和其他微量气体。该过程显著加快了除气过程，从而可以更快地达到超低真空。烘烤后，为了防止湿气在暴露于大气压力后重新进入系统，可以保持产生小正压的氮气流以保持系统干燥。

七. 超高真空排气：

• 没有单一个真空泵可以从大气压一直运行到超高真空。相反，根据每个泵的适当压力范围，使用一系列不同的泵组。在第一阶段，低真空泵清除腔室中的大部分气体。随后是一个或多个在高真空下运行的真空泵。在第二阶段通常用于实现 UHV 的泵包括：

• 涡轮分子泵
• 离子泵
• 钛升华泵
• 非蒸发性吸气剂 (NEG) 泵
• 低温泵
• 扩散泵

八. 超高真空（UHV）阀体

为了节省时间和能源以及保持UHV 腔室的完整性，需使用真空阀体锁定负载和真空系统 。真空阀是有一个门或阀，例如闸阀或 UHV 角阀，密封面向腔室的 UHV 侧，另一侧需抵抗大气的压力。真空系统也通过该阀门进样或工件。在进样并确保关闭阀门后，需将真空阀部分抽空至中高真空。然后打开闸阀往 UHV 室进样，通过手臂装置将工件转移到 UHV腔室，然后重新关闭 UHV 阀门并在 UHV腔室预真空，同时可以将后续样品进入样品室预清洁，从而节省大量时间。当阀门打开时有 100 万以上的气体分子释放到 UHV 系统中，UHV 系统泵可以将这些吸附在 UHV 表面的气体短时间排空。在具有合适真空阀的系统中，UHV 组件很少需要烘烤。UHV 系统真空度也会随着真空时间的保持而持续改善。

九. UHV和XHV系统密封

UHV系统需采用金属密封件，CF法兰两侧通过柔软的紫铜垫圈密封。这种金属对金属的密封可以将真空度保持在 (7.5×10^-13Torr)。这种紫铜密封件通常是一次性使用，XHV系统密封多数采用的是软性金属密封，SRF腔通常采用金属银或铟密封。

十. UHV系统的材料限制

由于UHV的超高负压、高吸附性或吸收性的材料会导致系统除气非常困难。进入UHV系统的材料需要严格筛选，绝大多少有机化合物不允许进入和使用：塑胶（除PTFE和PEEK外）、氟橡胶、胶水、钢材（不锈钢除外）。盲孔螺丝在UHV会导致系统虚拟泄露，也被禁止使用。焊缝必须完全穿透焊接或从内表面进行焊接，否则可能会出现虚拟泄漏。

十一. UHV和XHV的典型应用

• 许多科研和工艺制程环节都需要UHV和XHV环境：
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• X 射线光电子能谱(XPS)
• 俄歇电子能谱(AES)
• 二次离子质谱(SIMS)
• 热解吸光谱(TPD)
• 薄膜制备：如分子束外延（MBE）、UHV化学气相沉积（CVD）、原子层沉积（ALD）和UHV脉冲激光沉积（PLD）
• 角分辨光电子能谱(ARPES)
• 场发射显微镜和场离子显微镜
• 原子探针断层扫描(APT)
• 粒子加速器大型强子对撞机
• 引力波探测器
• 冷原子物理实验
• UHV的分子束外延、电子束蒸发、溅射等沉积技术
• 原子力显微镜高
• 扫描隧道显微镜
• 电子束光刻

对于这些应用，UHV 和XHV是减少表面污染的必要条件，它通过减少在给定时间段内到达样品的分子数量。在  (7.5×10^-7Torr) 下，只需 1 秒即可污染物表面，因此长时间实验或工艺制程需要更低的真空度。