Ultra-alto vácuo

Ultra-alto vácuo (em inglês: ultra-high vacuum) é um estrato do vácuo caracterizado por pressões menores do que 10⁻⁷ pascal ou 100 nanopascals (10⁻⁹ m bar, ~10⁻⁹ torr). O ultra-alto vácuo, UHV (do inglês: Ultra-high vacuum), necessita do uso de materiais raros para a construção do equipamento e do esquentamento do sistema para remover a água e restos de gases que se depositam nas superfícies da câmara. A pressões tão baixas, o percurso livre, médio, de uma molécula de gás é de aproximadamente 40 km, o que faz com que as moléculas choquem muitas vezes com as paredes da câmara antes de chocarem entre elas. Por isto, a maior parte dos choques das moléculas são com as superfícies da câmara.

Conceitos envolvidos

Sorção de gases
Teoria cinética dos gases
Transporte de gases e bombagem
Bomba de vácuo
Pressão de vapor

Limitações dos materiais

Materiais que não podem ser utilizados devido a baixa pressão dos gases:

A maioria dos compostos orgânicos não podem ser usados:
- plásticos exceto PTFE e PEEK: as juntas são feitas de cobre e são usadas apenas uma vez; os plásticos para outros usos são substituídos por cerâmicas ou metais
- colas: colas especiais para alto vácuo devem ser utilizadas
aço: devido à sua oxidação, que aumenta a área de absorção, somente o aço inoxidável é usado
chumbo: soldaduras são feitas sem recorrer a soldas que usem a este metal

Limitações técnicas:

parafusos: os sulcos têm uma superfície com uma área grande e tendem a prender gases, por isso são evitados
soldagem: soldadura convencional não pode ser usada por formar superfícies de grande área e porque forma pequenas câmaras, que prenderiam gás à pressão atmosférica, que seria lentamente liberto durante a remoção de gases.

Usos típicos do ultra-alto vácuo

O ultra-alto vácuo é necessário para técnicas de análise de superfícies como

Espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios X (XPS)
Espectroscopia de electrões Auger
Espectroscopia de Massa por Ionização Secundária (SIMS)
Espectroscopia de Dessorção Térmica (TPD)
Formação e preparação de filmes finos com grandes exigências de pureza, tais como em epitaxia de feixe molecular (MBE), depositamento de químicos na fase de vapor (CVD) e depositamento por laser pulsado (PLD)
Espectroscopia de fotoelétrons induzidos com resolução em ângulo (ARPES)

O ultra-alto vácuo é necessário nestas técnicas para reduzir a contaminação das superfícies ao reduzir o número de moléculas que chocam com a amostra num determinado intervalo de tempo. A pressões de 0.1 mPa (10⁻⁶ Torr), leva apenas 1 segundo para cobrir a superfície com contaminantes, e por isto, pressões mais baixas são necessárias para experiências mais duradouras.

O ultra-alto vácuo é também necessário para:

Aceleradores de partículas
Detector de ondas gravitacionais tais como LIGO, VIRGO, GEO 600, e TAMA 300.
Física atômica, em experiências com átomos a baixas temperaturas, tais como ion trapbou condensados de Bose-Einstein

e, quando não é obrigatório, pode melhorar técnicas como:

Microscópio de força atômica. Alto vácuo produz alto Q factors na oscilação do cantilever.
Microscópio de corrente de tunelamento. Alto vácuo reduz a oxidação e a contaminação, aumentando a resolução das imagens que podem ter resolução atômica para um metal limpo ou para semicondutores.

Referências

Este artigo foi inicialmente traduzido, total ou parcialmente, do artigo da Wikipédia em inglês cujo título é «Ultra-high vacuum», especificamente desta versão.