用于光谱成像的差泵送真空系统

光谱成像已数十年来用于绘制具有原子尺度分辨率的材料表面的化学组成。为了在成像过程中实现足够的化学特异性和空间分辨率，材料样品和成像系统都置于高或超高真空（UHV）下。实际上，材料通常在真空环境之外使用，因此还必须在更高或环境压力下评估其表面特性。差分抽水是设计用于光谱成像的真空系统的关键，其中样品可以在较高压力下保持在较高的压力下，而光谱仪则在低压（或高真空）中运行以实现良好的图像质量。这篇博客文章将探索用于环境压力光谱成像的真空系统设计，以及如何使用分子流量模拟设计和优化差异泵送真空系统。

环境压力X射线光电子光谱

X射线光电子光谱（XPS）是一种成像技术的主要示例，该技术已在研发中广泛使用，以表征材料表面上的化学和电子性质。在XPS中，X射线在材料样品的前10 nm中相互作用，以通过其原子轨道驱射电子光电效果。电子集中在XPS系统中的能量分析仪和检测器上，如图1所示。

图1. XPS背后的一般操作原理。图像归因：BVCrist。

确定每个检测到的电子的结合能，然后记录以生成与特定化学元件相对应的特征图，如图2所示。

图2.特征图显示了具有给定结合能的电子数，用于识别特定的化学元件。图像归因：BVCrist。

XPS的缺点是它需要样品和系统保持在高真空或UHV处。环境压力XPS（APXP）最初是在1970年代初期在乌普萨拉大学（Uppsala University）开发的，以便在较高压力下评估材料表面，而XPS系统组件仍保持在高真空之下。从那时起，尤其是在过去十年中，该技术经历了巨大的增长，出版物和仪器装置的数量增加了五倍。

在很大程度上，通过设计多阶段差泵送的真空系统来启用APXPS，该系统使检测器能够继续在UHV上运行，而样本本身可以暴露于更高的压力。在许多现代设计中成功使用了通过小孔与静电电子聚焦结合使用的差速器泵送，如图3所示。

图3.使用差分抽水和静电聚焦实现APXP的常见方案。图不是
绘制得出。

在过去的十年中，商业APXPS系统可用，并使用了一系列方法，包括上面显示的基本方案。

差分抽水的分子流量模拟

在设计复杂系统时，例如需要差异抽水真空和静电电子聚焦的APXP的系统，首先是对系统进行建模的好实践。模拟结果可以作为早期设计决策和整个系统优化过程的指南。

分子流中的模型差泵送真空系统已在Comsol模型库中可用。可以扩展此模型，以创建更复杂的真空系统模型为您自己的应用程序。在模型中，两个真空室通过一个小管连接。腔室A相对于腔室，保持在较高的稳态压力b。腔室b直接连接到真空泵。图4和5显示了示意说明comsol环境中概念和实际模型几何形状的示意图。

Comsol模型的几何形状包括整个高真空室，连接管和端口到真空泵。应用边界条件以使建模高压室（腔室A） 没有必要。

使用两种不同的方法设置和求解模型。在第一种方法中，方法1，将超出壁边界条件应用于高真空腔室侧面的管子出口。在这种情况下，该试管不包括在模型中。边界条件表示从低真空腔中从管中流出的流动。管中的质量流速是由由加利斯，等。假设等温流。

在解决模型的第二种方法中游离分子流分子流量模块中的界面是comsol多物理学的附加产品，用于求解管子的质量流速和入口/出口压力。对于这种情况，解决模型时包括管。在管的高压端，储层边界条件用于设置稳态压力。在这两种方法中，真空泵都以恒定的速度运行。将结果与从第一种方法中使用的分析表达获得的结果进行了比较。

比较模拟分子流的方法

入射的分子通量绘制在高真空室的表面上，在高真空腔中的压力为0.1 mtorr。在图6中，使用Gallis的表达式对管道进行了建模等。，而在图7中，使用游离分子流界面和储层边界条件。

在图7中观察到在管插座对面的壁上，在图7中观察到了显着的分子束效应，分子通量在表面上的分布不同。在使用分析表达式获得图6中的结果时，在插座上假定弥散发射，而实际上将发生分子光束。

尽管可以使用COMSOL解决两种方法之间的差异，但发现在第一种方法中使用该表达式是一种适用于整个Knudsen数字和流程度的合理精确方法。在最明显的分子横梁的分子流动状态下，使用方法1和2为1.63 x 10计算进入高真空室的质量流速^-11kg/s和1.65 x 10^-11kg/s。还使用这两种方法确定了管子内部的数量密度，并在图8中进行了比较。

图8.沿着管的内部确定数量密度。离散的黑色和红色数据点是
使用方法1进行分析确定，使用方法2确定蓝线。

在管入口和出口上分析确定的单个数据点与使用方法2获得的线性图非常吻合。因此，在第一种方法中使用的分析方法可以可靠地使用，以减少计算复杂性和解决方案时间，当建模差异化真空系统时在comsol。

进一步阅读

• 下载差分抽水模型画廊的模型和文档。
• 看到加利斯等。纸 ”直接模拟蒙特卡洛的表达式，用于微观管中的气体质量流量和压力曲线”有关本文中提到的分析表达式的详细说明。
• 读 ”使用环境压力X射线光电子光谱研究固体/蒸气界面” Starr等。有关环境压力XPS的更多信息。