吸气剂离子泵

一种无污染的超高真空泵

吸气剂离子泵是将被抽气体分子电离，并在电磁场或电场的作用下将其输送到泵的吸附表面而被吸气剂捕集的一种真空泵。吸气剂离子泵是一种无污染的超高真空泵，极限压力可达10-7～10-9帕。吸气剂真空泵分为蒸发离子泵和溅射离子泵两种。蒸发离子泵和溅射离子泵在可控热核反应装置、加速器、空间模拟装置和电子器件等方面都得到广泛的应用。

工作原理

由电离抽气作用与蒸发（或升华）活泼金属的吸附作用相结合的真空泵。蒸发离子泵因对活泼金属（通常是钛）的加热蒸发形式不同，有各种不同的结构形式。大型蒸发离子泵，在外部控制的输送机构带动下，钛丝筒把钛丝送到加热柱上。加热柱受环形灯丝产生的电子束的轰击而加热到2000℃左右，钛丝便连续不断地蒸发、沉积在冷却的泵体内壁上，形成新鲜的钛膜而吸附抽气。同时，栅极也吸引由灯丝发射的部分电子，使其在电场中高速运动而同气体分子碰撞，电离气体分子。离子在静电场的作用下飞向低电位的泵体内壁，被新沉积的钛膜所“掩埋”，能量较大的离子还可直接打入沉积在泵壁上的钛膜内。这种蒸发离子泵对活性气体有较大的抽速，而对惰性气体的抽速则较小。为了提高对惰性气体的抽气速率，必须提高电离几率，因而电离机构就有多种形式。

微型复合溅射离子泵

溅射离子泵（SIP）具有工作范围宽、极限压强低、易于控制、无油、噪声低等优点，已经成为一种广泛应用的清洁超高真空获得设备。由于使用条件限制，有些真空器件仅靠溅射离子泵作为抽气设备难以达到要求，作者研制了一种微型复合溅射离子泵。复合溅射离子泵的概念早在1959年就有过报道。但最初的复合泵结构是在溅射离子泵的基础上加入了金属钛的热蒸发。随着非蒸散型吸气剂（NEG）的出现和发展，一些SIP生产厂家出现了将NEG组件添加到溅射离子泵体内构成的复合溅射离子泵产品，多为大抽速的溅射离子泵改装而成。

微型溅射离子泵通常应用在小型密闭真空器件中，器件内部一直处于真空状态，加入吸气剂构成的复合泵可以在不给系统带来负面影响的情况下提高微型溅射离子泵的抽气性能。由于非蒸散型吸气剂在暴露大气后需要重新激活才能使用，其性能随暴露大气次数增多急剧下降，所以对于那些可能经常暴露大气的系统不宜使用加入NEG的复合溅射离子泵。

微型溅射离子泵

泵体材料的选择：微型溅射离子泵结构紧凑、体积小，一般只采用单个阳极筒或几个阳极筒并列的结构。由于微型泵的抽速相对比较小，泵体材料自身的出气将影响泵的抽速和极限压强的大小。泵体材料除了满足一般超高真空应用要求以外，还有硬度高、强度大、无磁等要求。应用最多的泵壳材料是304L不锈钢。304L不锈钢出气速率很小，经过去脂烧氢烘烤等各种真空预处理后的出气速率只有6.7×10-10 Pa·L/s·cm2。但由于阴极钛板不能直接焊接到不锈钢上，采用不锈钢作为泵壳材料需要在不锈钢表面镀镍。镍膜磁导率大，镀镍后会较明显地影响阳极筒内的磁场分布。对某磁钢结构，如果在泵壳侧壁上镀一层30μm厚的镍膜，所得磁场的中心磁场强度下降超过2×10-2T。而无磁蒙奈尔则可以直接和钛板焊在一起，不需要镀镍。基于以上考虑，可选择真空熔炼的无磁蒙奈尔作为微型溅射离子泵的泵壳材料。真空熔炼的无磁蒙奈尔出气速率和不锈钢相当，甚至优于不锈钢。缺点是无磁蒙奈尔的价格相对不锈钢来说要高很多。

非蒸散型吸气剂

1、NEG的固定及激活方式

对于大型复合溅射离子泵可直接在泵腔内固定大吸气量的吸气剂组件，以大幅度提高复合泵的抽速。微型溅射离子泵内部空间非常狭小，泵内可以利用的空间只有阳极筒和泵壳之间的缝隙。采用SAES公司生产的ST系列的吸气剂颗粒，将其固定在阳极筒侧壁上。这种固定方式不影响阳极筒和泵壳之间的绝缘。

文献中在溅射离子泵连接管上再开一个法兰孔引出电极，通电给吸气剂组件进行激活。而本文所述微型溅射离子泵上再引出电极引线将增大泵的体积，是不现实的。只能通过直接加热的方式来激活吸气剂。由于永磁体在高温下会发生不可逆退磁，所以烘烤泵壳时应将磁钢卸下。商用的大型溅射离子泵磁钢笨重且磁能很大，拆装既不安全也很不方便。本文所研制的微型泵的磁钢和泵体相互独立，拆装简单，这给吸气剂直接烘烤激活带来了方便。

2、ST172性能测试

SAES公司推荐的ST172的激活条件是400℃ ，30min激活，实验中依次进行了200、250、300和350℃30min的激活。从实验结果可以看出，200℃激活时吸气剂已有明显的吸气性能，而且性能随着激活温度的升高不断升高。在350 ℃激活时其性能比200 ℃、250℃、300℃要好很多，接近SAES公司推荐的激活条件达到的性能。在实际应用中，可以选择350℃或稍低的温度，长时间烘烤泵体以达到较好的激活效果。微型复合溅射离子泵主要应用于密闭的小型真空器件中，它可以在不启动微型溅射离子泵的情况下长期维持真空器件内部的真空度，所以吸气剂不仅要有一定的抽速，还需要有足够大的吸气量以吸附器件在长时间存放时所释放的气体。

3、吸气剂掉粉问题的处理

非蒸散型吸气剂一般是通过金属合金球磨制粉后压制烧结而成的，所以在使用过程中吸气剂可能出现掉粉情况。微型溅射离子泵内部空间狭小，吸气剂散落颗粒可能会导致导管堵塞或绝缘性能下降，从而影响器件的正常工作。为减小吸气剂掉粉可能带来的影响，除从吸气剂配方和制造工艺上进行改进外，可利用高目数的不锈钢网筛将吸气剂包住，再焊接到阳极筒外侧，这样就可以保证不掉粉或者所掉颗粒极小，不影响器件正常工作。

研制的新型微型复合溅射离子泵，综合了溅射离子泵和非蒸散型吸气剂的各自优点，具有体积小、结构紧凑、漏磁少等特点。

操作方法

为了获得对惰性气体，特别是对氩的稳定抽速，可采取以下措施：①在二极型泵内加进第三个元件──溅射阴极；②把二极型泵的阴极开槽。前者是在阳极与阴极之间加一个栅极形式的电极──真正的溅射阴极，二极泵中的阴极则变为离子收集极。前者是三极型溅射离子泵。离子斜射到溅射阴极上产生很强烈的溅射。溅射的钛原子除部分沉积于阳极的内表面外，大部分沉积于收集极上，牢固地覆盖住粘附在它上面的像氩之类的惰性气体分子。后者是将二极型泵的阴极开槽。离子斜射槽的壁上也产生强烈的溅射，而槽底所受的离子轰击微弱，因槽壁的强烈溅射而沉积，将粘附在其上的气体分子永久埋葬。

溅射离子泵必须在10-2帕左右压力下启动，否则因离子流过大而使泵发热，导致吸附气体的解吸，甚至导致极间辉光放电和系统的压力升高，严重时还会影响泵的正常工作。另外，溅射离子泵对油蒸气的污染很敏感，因此对于不太清洁的系统，泵的起动压力应低于10-2帕。

产品特点

溅射离子泵的特点是：在工作过程中偶然暴露于大气也不会损坏，结构简单，操作维护容易，无油污染，高真空时耗电量少，能安装在容器的任何位置上。

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