二極泵、三極泵還有 StarCell， 離子泵原理一次搞懂
日期：2021-03-25 16:19:36
安捷倫真空部門的前身、創(chuàng)建于1948年的瓦里安（Varian）在 1957 年發(fā)明了第一臺(tái)濺射離子泵（SIP）。離子泵的發(fā)明大大拓展了當(dāng)時(shí)的技術(shù)所能達(dá)到的真空度，使超高真空成為可能。這臺(tái)離子泵是一臺(tái)二極離子泵。
二極離子泵
二極離子泵的泵殼內(nèi)裝有作為陰極的鈦板，和筒狀的陽極，兩極間的直流高壓（一般為幾千伏）會(huì)使之間的氣體分子電離，帶正電的離子高速飛向陰極，陰極材料被濺射起來并覆蓋到陽極筒上。泵體外部還裝有磁鐵，磁場(chǎng)和電場(chǎng)的相互作用可以使電子做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以增加其高真空下與氣體分子碰撞的概率。
離子泵的抽氣機(jī)理比較復(fù)雜，對(duì)二極泵而言，主要機(jī)理有兩個(gè)：一是活性氣體的離子與濺射起來的鈦發(fā)生反應(yīng)（生成 TiN、TiO 等）被化學(xué)吸附。二是氣體離子被注入到陰極材料內(nèi)部，被物理捕獲，只有速度比較快的氫離子，才會(huì)注入的足夠深從而形成永久的抽氣；速度比較慢的其它離子，由于注入的比較淺，注入后又會(huì)被別的離子濺射出來，無法形成穩(wěn)定的抽氣。惰性氣體即無法被化學(xué)吸附（不與鈦發(fā)生反應(yīng)），也不會(huì)注入到陰極內(nèi)部太深以形成穩(wěn)定的抽氣，所以二極離子泵對(duì)惰性氣體基本沒有穩(wěn)定的抽速。
惰性氣體二極離子泵
為了增加離子泵對(duì)惰性氣體的穩(wěn)定抽速，人們進(jìn)行了多種嘗試，以開發(fā)專門用于泵送稀有氣體的離子泵。
一種被驗(yàn)證可行的方法是把離子泵的其中一塊陰極鈦板被替換成另一種材料鉭。鉭制的陰極具有更高的密度，可以增加惰性氣體的離子（當(dāng)然也有別的離子）與陰極材料發(fā)生彈性碰撞的概率，離子碰撞的瞬間得到電子變成中性分子，然后高速反彈到陽極筒的表面（甚至注入到材料內(nèi)部），并被濺射起來的鈦膜覆蓋，這樣就使得離子泵對(duì)惰性氣體也有了穩(wěn)定的抽速。不過，用鉭做為陰極材料大大減少了材料的濺射率和對(duì)氫氣的飽和容量，損失了很多離子泵對(duì)氫氣和其它活性氣體的抽速。
三極離子泵
另一種方法也是通過增加離子的反彈概率來實(shí)現(xiàn)離子泵對(duì)惰性氣體的穩(wěn)定抽速的。除了跟材料有關(guān)外，反彈概率還跟入射角度相關(guān)：入射角度（垂直時(shí)為0度）越大，反彈概率越高。
StarCell 三極離子泵
離子泵內(nèi)部正對(duì)陽極筒中心的位置電場(chǎng)強(qiáng)度最大，此處的陰極會(huì)很快的被濺射消耗掉而形成空洞，下圖是一個(gè)中心被打穿的二極泵的照片，可以想象，如果是普通三極泵，陰極板就會(huì)在被打穿的地方斷掉，這意味著普通的三極泵壽命有限。
1983年，瓦里安（Varian）完全重新設(shè)計(jì)了三極泵，開發(fā)出一種新的陰極結(jié)構(gòu)，稱為StarCell?（見下圖）。StarCell? 陰極板顯示帶有放射狀排列的鰭片結(jié)構(gòu)，這種鰭片結(jié)構(gòu)排列比較緊湊，在幾乎不損失濺射率的情況下顯著提高了反彈概率，這使得 StarCell? 在擁有媲美二極泵的氫氣抽速和容量的同時(shí)，可提供非常理想的對(duì)惰性氣體的抽速，遠(yuǎn)高于惰性氣體二極泵。同時(shí)，其放射狀的結(jié)構(gòu)使陰極電池從中心到周邊受控的消耗，不會(huì)因形成空洞而斷裂，大大延長(zhǎng)了元件壽命，而且，高壓下運(yùn)行時(shí)也比標(biāo)準(zhǔn)三極泵更穩(wěn)定。
不同離子泵的選擇
不同的離子泵對(duì)各種常見氣體的抽氣能力見下面表格，可以看出，當(dāng)被抽氣體主要是氫氣時(shí)，比如很少破空的超高真空和極高真空腔體，采用二極泵是最優(yōu)的。如果被抽氣體中含有氦氣、氬氣等惰性氣體，采用三極泵是最優(yōu)的。復(fù)合離子泵
在實(shí)際的應(yīng)用中，對(duì)追求超高真空并且很少破空的應(yīng)用，一般建議選擇二極離子泵；其它應(yīng)用建議選擇 StarCell? 離子泵。由于高真空時(shí)主要的氣載是氫氣，好多時(shí)候也總是會(huì)有一定的比例的惰性氣體，為了兼顧對(duì)氫氣和對(duì)惰性氣體的抽速，還經(jīng)常會(huì)把 StarCell? 離子泵與對(duì)氫氣抽速比較大的鈦升華泵或者 NEG 吸氣劑泵放在一起使用，或者使用同時(shí)具有 StarCell? 離子泵抽氣單元和鈦升華泵或者 NEG 吸氣劑泵抽氣單元的復(fù)合型離子泵。
上海辰桀機(jī)電提供相關(guān)產(chǎn)品，咨詢電話：18621757170 郵箱yangda@sh-change.cn
