基本結構和工作原理

(1)二極濺射離子泵的結構

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，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(它與陽極的結構、電壓、磁場等有關)。很多陽極筒并聯在一起，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。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。靠近陰極時Vz為零而反轉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又變為零而反轉，如此不停地重復上述運動。這樣電子經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，形成一層旋轉電子云。旋轉電子云的旋轉頻率約為100MHz數量級，貯存的電荷密度可達1010個/cm3量級。

氣體分子和旋轉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（一個離子轟擊鈦板所能濺射出來的鈦原子數）隨入射離子的能量、質量和入射角而異。能量大、質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電子云，當它電離氣體分子時又產生新的電子，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生的二次電子兩者補償了因跑到陽極上而損失的旋轉電子，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壁上的鈦膜的化學吸附。對CO的吸附z*快；對于N2，因旋轉電子云的存在使部分N2電離或激發為亞穩態，因而增大了對它的抽速，N2+轟擊鈦板可生成穩定的TiN附在陰極面上或濺射到陽極內表面上。

對H2的抽除有化學吸附，也有獷散、吸收、溶解作用。當抽除純H2時，有時抽速會迅速衰減，這主要是由于H2的質量小，轟擊鈦板后，鈦的濺射率太低，陽極內表面的鈦膜很快被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℃內能溶解H2，少量的Hz可以擴散溶解于鈦板內形成固溶體而被除掉。氫離子轟擊鈦板時，復合過程中往往被解離為氫原子，更容易擴散溶解于鈦板內。由于這是一種放熱反應，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，或打人陰極邊緣對面的陰極板上的鈦淀積層內，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，但是從陰極得到電子而復合為中性原子，然后又反射到陽極內表面的鈦膜中，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形部分。

    二極型濺射離子泵的結構、加工工藝和電源都比較簡單，制造容易。但啟動壓力低，性能不夠穩定（氬的不穩定性），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中。