离子泵是如何工作的？

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离子溅射泵的抽气作用基于吸附过程，该过程由潘宁放电（冷阴极放电）中产生的电离气体粒子启动。通过“并联多个单独的潘宁单元”，离子溅射泵可在抽每种气体时达到足够高的抽速。

溅射离子泵的工作原理

这些离子撞击冷阴极放电电极系统的阴极，并溅射出阴极材料（钛）。沉积在其他位置的钛充当吸气膜并吸附反应性气体粒子（例如氮气、氧气、氢气）。电离气体粒子的能量不仅足以使阴极材料发生溅射，还能让撞击离子很深地穿入阴极材料（离子植入）。这种吸附过程可以“抽除”不同类型的离子，包括与溅射的钛膜不会发生化学反应的气体离子，即主要是惰性气体。

溅射离子泵的结构

用于产生离子的总成如下：圆柱形的不锈钢阳极紧密地排列在两个平行阴极之间，阳极的轴向与阴极垂直（参见图 2.61）。阴极相对于阳极具有负电位（几千伏）。整个电极系统保持在通量密度为 B = 0.1 T（T = 特斯拉 = 10⁴ 高斯）的均匀强磁场中，该磁场由连接到泵壳外侧的永久磁铁产生。高电压产生的气体放电形成了电子和离子。在磁场的影响下，电子沿长螺旋轨迹移动（参见图 2.61），直至它们撞击相应单元的阳极柱。长轨迹可提高离子产率，即使气体密度（压力）较低时，离子产率也足以维持自激的气体放电，不需要由热阴极提供电子。离子质量很大，因此运动不受给定数量级磁场的影响；它们会沿着最短路径流动并轰击阴极。

图 2.61 溅射离子泵的工作原理。

← ⊕ 电离气体分子的运动方向
• → 溅射钛的运动方向
- – – - 电子的螺旋轨迹
PZ 潘宁单元

放电电流 i 与中性颗粒 n0 的数量密度、电子密度 n- 和总放电路径的长度 l 成比例：(2.25)

(2.25)

电离碰撞的有效横截面 s 取决于气体类型。根据 (2.25)，放电电流 i 是粒子密度 n0 的函数；就像在潘宁真空计中一样，它可用于测量 10-⁴ ~ 10^-8 mbar 之间的压力。当压力较低时，由于磁场发射效应的干扰，测量结果不具可重现性。

二极溅射离子泵

在采用了图 2.62 所示电极系统配置的二极溅射离子泵中，吸气膜在阳极表面上形成，这位于对面阴极的溅射区域之间。离子被埋在阴极表面内。随着阴极溅射的进行，埋入的气体颗粒会再次释放。因此，只能通过离子掩埋实现抽吸的惰性气体的抽气作用每过一段时间就会消失，并会产生“记忆效应”。

图 2.62 二极溅射离子泵中的电极配置。

三极溅射离子泵

与二极溅射离子泵不同，三极溅射离子泵在惰性气体的抽速方面表现出优异的稳定性，因为溅射和吸气膜形成表面是分开的。图 2.63 显示了三极溅射离子泵的电极配置。下面讲解了为何这种泵能够更高效地抽除惰性气体：该系统的几何结构有利于阴极栅格钛条上的离子发生切线入射，从而使溅射率远高于垂直入射。溅射出的钛与入射离子的移动方向大致相同。吸气膜优先在第三个电极也就是靶板上形成，这实际上是泵壳的侧壁。电离粒子的产率不断提高，这些粒子沿切线方向入射到阴极格栅上，并在这里发生中和与反射，然后以远高于气体粒子热能 1/ 2 · k · T 的能量从阴极格栅飞向靶板。这时高能量的中性粒子可以穿入靶板的表层，但只能产生可忽略不计的溅射效应。这些埋入或植入的粒子最终会被新的钛层覆盖。由于靶板处于正电位，到达该处的任何正离子都会被排斥，并且不能使靶板层发生溅射。因此，埋入的惰性气体原子不会被再次释放。在泵运行期间，三极溅射离子泵对惰性气体的抽速不会下降。

图 2.63 三极溅射离子泵中的电极配置。

离子泵的抽速

溅射离子泵的抽速取决于压力和气体类型，可根据 DIN 28 429 和 PNEUROP 5615 中所述的方法进行测量。抽速曲线 S(p) 有最大值。标称抽速 S_n 由空气抽速曲线的最大值表示，抽速必须注明相应的压力。

空气、氮气、二氧化碳和蒸汽的抽速几乎相同。与空气的抽速相比，溅射离子泵对其他气体的抽速约为：

氢气 150 ~ 200%
甲烷 100%
其他轻质烃类 80 ~ 120%
氧气 80%
氩气 30%
氦气 28%

与二极溅射离子泵相比，三极溅射离子泵能够高度稳定地抽除惰性气体。即使在 1 · 10^-5 mbar 的进气压力下，也能稳定地抽除氩气。在高于 1 · 10^-2 mbar 的压力下，泵可以顺利地启动，并且可以在进气为空气时连续运行并产生 5 · 10^-5 mbar 的恒定空气压力。一种新型的电极设计将阴极的使用寿命延长了 50%。

溅射离子泵产生的杂散磁场和杂散离子的影响

抽气操作所需的高磁场强度不可避免地会导致磁体附近出现杂散磁场。因此，在某些情况下，真空室中的工艺可能会受到干扰，所以应为相关的溅射离子泵提供屏蔽布置。当真空室中发生的工艺受到的干扰不超过地球磁场的干扰时，可认为此类屏蔽布置的形式和种类为理想选择。

图 2.64 显示了溅射离子泵 IZ 270 进气法兰平面上以及上方 150 mm 平行平面上出现的杂散磁场。如果要防止来自放电区域的杂散离子到达真空室，可在溅射离子泵进气开口中的相反电位处加装一个金属网作为屏蔽（离子屏障）。但是，这会降低溅射离子泵的抽速，程度上取决于所选金属网的网孔尺寸。

图 2.64 溅射离子泵在与进气口法兰平行的两个位置产生的杂散磁场（见图所示）。每条曲线上的点都具有相同的磁感 B（以高斯为单位）。1 高斯 = 1 ·10–4 特斯拉

非蒸发型吸气剂泵（NEG 泵）

非蒸发型吸剂气泵使用不会蒸发的密实吸气材料抽气，这种材料的结构在原子级上具有多孔性，因此可以吸收大量气体。吸附到吸气材料表面的气体分子会在材料内部迅速扩散，从而为后续撞击到材料表面的气体分子腾出空间。非蒸发型吸气剂泵带有一个加热元件，用于将吸气材料加热至适合抽气的理想温度。已经达到气体饱和状态的吸气材料可在更高的温度下再生（活化）。作为吸气材料，大多数的锆-铝合金会被加工成条状使用。NEG 泵的特性包括：

高真空和超高真空范围内的抽速稳定
无压力限制，最高约 12 mbar
对氢及其同位素的抽速特别高
启动后，泵通常可在室温下运行，不需要耗电
无磁场干扰
无烃真空
无振动
重量轻

与其他泵的结合使用

NEG 泵主要与其他超高真空泵（涡轮分子泵和低温泵）结合使用。此类组合在希望进一步降低超高真空系统的极限压力时尤其有用，因为氢气是影响超高真空系统极限压力的最重要因素，而 NEG 泵对 H₂ 具有极高的抽速，其他泵则抽气效率较低。NEG 泵的典型应用示例包括粒子加速器和类似的研究系统、表面分析仪器、SEM 色谱柱和溅射系统。现有 NEG 泵的抽速可在数升/秒到大约 1000 升/秒之间。专门用于抽氢气的定制泵能够达到比这高出几个数量级的抽速。

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