无论是做扫描隧道显微镜（STM）相关的研究还是角分辨光电子能谱（ARPES）相关的研究，样品表面的洁净程度均影响着对材料性质的研究。

在大气中，由于水蒸气和氧气等的存在，在极短的时间内就可以在样品的表面附着一层原子，不利于我们对材料性质的研究，所以在超高真空环境中进行实验是非常必要的。

按国家标准（GB3163-93）真空技术名词术语指定：真空是指在指定空间之内，低于一个大气压的空间状态。

真空度是指真空状态下气体的稀薄程度，用压力值来代表。国际单位制下，压力的单位为帕（Pa）；在真空领域，有时也用托（Torr）。

换算为：

真空等级分为以下四个层次：低真空，中真空，高真空，超高真空。

以氮气分子为例：

• 与大气有压力差
• 单位体积的气体分子数，即分子密度低于大气
• 气体分子的平均自由程 λ 比大气长
• 在表面上形成单分子层的时间比大气长

• 超高真空系统一般由不锈钢材料（如304不锈钢）制成的腔体构成

• 腔体通过刀口法兰的接口进行连接，用无氧铜垫圈进行密封

• 腔体之间或者腔体与真空泵之间通过超高真空闸板阀连接

• 为了达到和维持超高真空，还需要多级泵组协同工作

如图4所示，展示了几种常见的真空泵：机械泵、分子泵、离子泵和钛泵。^[2]

• 属于气体抽出型泵
• 抽气范围从10Pa~10^-8Pa，可以抽到超高真空
• 使用分子泵时，必须要接入机械泵作为作为前级

• 原理：离子泵由不锈钢薄壁筒阵列（作为阳极）和几块钛板（作为阴极）构成。工作时，阳极和阴极之间加有3～7千伏的直流电压，从而产生潘宁放电，放出的电子在磁场下做螺旋运动，与真空腔中的气体分子发生碰撞将其电离。电离后的分子向钛板阴极加速并嵌入钛板，同时溅射钛阴极材料使其吸附在阳极生成一层新鲜的钛膜，此钛膜对气体有很强的吸附能力。
• 真空将达到10^-4~10^-9 Pa
• 离子泵对一些惰性气体，不但难以抽走，长期受其影响还会引起中毒，从而降低工作效率
• 优点：无振动、无噪声、寿命长、操作简单

大量电子受磁场约束，以滚轮线的形式贴近阳极筒旋转，形成一层电子云。旋转电子云的旋转频率约为100兆赫兹量级，电子密度可达1010（个/厘米3）量级。上述现象称为潘宁放电。

原理：给钛丝直接通入大电流（如 41A）加热钛丝，使得钛升华，在离子泵内或者腔内壁上形成一层新鲜钛膜，利用对气体的吸附作用来提高真空度，可用于短时间内迅速提高真空度。^[3]

测量真空度的设备是真空规，分为低真空规和高真空规。

用于检查系统是否存在漏气，通过检测氦气含量来确定是否有漏点。