濺射離子泵基本結(jié)構(gòu)和工作原理

基本結(jié)構(gòu)和工作原理

(1)二極濺射離子泵的結(jié)構(gòu)

z*簡單的二極濺射離子泵是由一個厚為0.1mm～0.3mm、直徑為12mm～40mm的不銹鋼薄壁圓筒陽極（也有用六方格子、四方格子的）和在陽極兩端的兩個相對的鈦陰極(厚度為1mm～3mm)組成（如圖5-17所示）。陽極與鈦陰極之間加3kV～7kV電壓。陽極筒的軸向方向上加6.4×10-4A/m～2.4×105A/m的磁場。由于磁場強度的限制，兩塊陰極之間的距離不超過60mm(一般為30mm～60mm)。為了保證一定的流導(dǎo)，陽極與陰極間的氣隙一般為4mm～8mm。這種濺射離子泵的抽速范圍為0.2L/s～3L/s(它與陽極的結(jié)構(gòu)、電壓、磁場等有關(guān))。很多陽極筒并聯(lián)在一起，可組成抽速為10L/s～3000L/s的各種濺射鈦泵。圖5-18是由8個和28個排氣部件組成的濺射離子泵，泵的抽速為3000L/S。

 

(2)二極濺射離子泵中的潘寧放電

二極濺射離子泵中的潘寧放電示意圖如圖5-19所示。空間中的自由電子在電場的作用下，有一軸向速度分量Vz和橫向速度分量Vx。由于Vx與磁場垂直，因而有作用力eVx×B使電子在橫截面上作輪滾線運動。輪滾線的大小是電子速度和磁場強度的函數(shù)。電子速度愈大（即電壓愈高），輪滾線的圈也愈大，大到一定程度時電子就落到陽極上。磁場愈強，輪滾線的圈愈小。所以，陽極電壓高時需加一個較強的磁場，以免電子直接“滾”到陽極上。軸向電場使電子沿軸向運動。當(dāng)電子向陽極中心線運動時，速度越來越大，跨過陽極的中心水平線后又受斥力作用而減速運動?？拷帢O時Vz為零而反轉(zhuǎn)重新受軸向電場的作用而反向加速，過中心水平線后又開始減速，快到陰極板前Vz又變?yōu)榱愣崔D(zhuǎn)，如此不停地重復(fù)上述運動。這樣電子經(jīng)過很長的路程后才落到陽極上(10-8Pa時約為1Mm)。很多電子受磁場約束，以輪滾線的形式貼近陽極筒旋轉(zhuǎn)，形成一層旋轉(zhuǎn)電子云。旋轉(zhuǎn)電子云的旋轉(zhuǎn)頻率約為100MHz數(shù)量級，貯存的電荷密度可達1010個/cm3量級。

氣體分子和旋轉(zhuǎn)的電子碰撞而被電離。離子在電場的作用下，飛向并轟擊陰極鈦板產(chǎn)生兩種作用，濺射鈦和打出二次電子。

濺射幽來的鈦原子，淀積在陽極內(nèi)壁和陰極板上，形成新鮮鈦膜維持泵的抽氣能力。離子的濺射系數(shù)（一個離子轟擊鈦板所能濺射出來的鈦原子數(shù)）隨入射離子的能量、質(zhì)量和入射角而異。能量大、質(zhì)量大的離子濺射率也大；斜射比正面轟擊其效果要好。為了保證陽極筒上的鈦膜的吸氣能力，必須保證足夠的濺射率，即要求有足夠的電壓，以保證離子得到足夠的轟擊能量。

離子轟擊鈦板，可打出二次電子。二次電子受電磁場作用進入旋轉(zhuǎn)電子云里，以補充失去的電子。每個氣體分子被電離的同時，都至少放出一個電子。這些電子也都受電磁場的約束而進入旋轉(zhuǎn)電子云，當(dāng)它電離氣體分子時又產(chǎn)生新的電子，這種電子叫繁流二次電子。繁流二次電子和離子轟擊陰極產(chǎn)生的二次電子兩者補償了因跑到陽極上而損失的旋轉(zhuǎn)電子，從而能不斷地維持潘寧放電。

(3)二極濺射離子泵對各種氣體的抽氣機理

濺射離子泵對N2、02、CO和C02等氣體的排除主要靠由于離子濺射而淀積于陽極筒內(nèi)壁上的鈦膜的化學(xué)吸附。對CO的吸附z*快；對于N2，因旋轉(zhuǎn)電子云的存在使部分N2電離或激發(fā)為亞穩(wěn)態(tài)，因而增大了對它的抽速，N2+轟擊鈦板可生成穩(wěn)定的TiN附在陰極面上或濺射到陽極內(nèi)表面上。

對H2的抽除有化學(xué)吸附，也有獷散、吸收、溶解作用。當(dāng)抽除純H2時，有時抽速會迅速衰減，這主要是由于H2的質(zhì)量小，轟擊鈦板后，鈦的濺射率太低，陽極內(nèi)表面的鈦膜很快被H2所飽和而又得不到足夠的鈦沉積來補充，因而抽速下降。此時可放入少量氬氣，利用氬質(zhì)量大、濺射率高的特點，來維持抽H2時需要的新鮮鈦膜。此外，陽極板在20℃～400℃內(nèi)能溶解H2，少量的Hz可以擴散溶解于鈦板內(nèi)形成固溶體而被除掉。氫離子轟擊鈦板時，復(fù)合過程中往往被解離為氫原子，更容易擴散溶解于鈦板內(nèi)。由于這是一種放熱反應(yīng)，加之TiH的體積較大，容易引起鈦板的龜裂和翹變（專為抽氫而設(shè)計的濺射泵，陰極板散熱是一個重要問題）。這種TiH固溶體是不穩(wěn)定的，它會因溫度升高、受離子轟擊等原因放出氫來，這是影響泵的極限真空的一個主要因素。

對He、Ar、Ne、Kr、Xe等惰性氣體的排除，主要靠離子“掩埋”。被電離的惰性氣體的離子轟擊陰極時，有三種情況：

①離子直接打入陰極內(nèi)，或打人陰極邊緣對面的陰極板上的鈦淀積層內(nèi)，如圖5-20中a點；

②斜射的離子切人陰極表層，離子和鈦一起被掀掉而沉積在陰極板的周圍或其它地方，如圖5-20中b點；

③離子沒打入板內(nèi)，但是從陰極得到電子而復(fù)合為中性原子，然后又反射到陽極內(nèi)表面的鈦膜中，這叫做“能量原子反射”，如圖5-20中c點。

用示跡原子做的實驗證明，在二極濺射離子泵中，大部分（達70%以上）的惰性氣體被埋在靠陰極邊緣的環(huán)形部分。

    二極型濺射離子泵的結(jié)構(gòu)、加工工藝和電源都比較簡單，制造容易。但啟動壓力低，性能不夠穩(wěn)定（氬的不穩(wěn)定性），特別是對惰性氣體的抽速小，對Ar的抽速只有對N2的1%左右。不宜用于大量排除惰性氣體的真空系統(tǒng)中。