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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)二極濺射離子的結(jié)構(gòu)

濺射離子泵基本結(jié)構(gòu)和工作原理

  

z*簡單的二極濺射離子泵是由一個厚為0.1mm0.3mm、直徑為12mm40mm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1mm3mm)組成(如圖5-17所示)。陽極與鈦陰極之間加3kV7kV電壓。陽極筒的軸向方向上加6.4×10-4A/m2.4×105A/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30mm60mm)。為了保證一定的流導(dǎo),陽極與陰極間的氣隙一般為4mm8mm。這種濺射離子泵的抽速范圍為0.2L/s3L/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/s3000L/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

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(2)二極濺射離子泵中的潘寧放電


濺射離子泵基本結(jié)構(gòu)和工作原理

  

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/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、02COC02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。

  

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。

  

He、Ar、Ne、KrXe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5-20a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5-20b點;
濺射離子泵基本結(jié)構(gòu)和工作原理

  

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5-20c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N
21%左右。不宜用于大量排除惰性氣體的真空系統(tǒng)中。

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