[发明专利]一种大抽速结构紧凑的组合泵

说明书

本发明是一种大抽速结构紧凑的组合泵，由溅射离子泵和吸气剂泵组合而成，它包括一个或多个阳极室并联组成的用以连接高压的阳极筒，以及至少一个装在阳极室内、具有加热结构并且含有多孔吸气材料的吸气剂泵，工作时，放置在真空腔体中，将阳极筒连接至高压直流电源的阳极，将多孔吸气材料连接到高压直流电源的接地端，抽真空后通过加热元件将吸气剂泵通电激活，再在阳极筒周围加上磁场。优点：大大缩小了组合泵的体积，使得结构更为紧凑；在阳极室内的阴极溅射得更为强烈，因此具有更大的抽速；再者，多种成分的多孔吸气材料溅射出的吸气薄膜比传统的钛膜具有更大的吸气速度。

技术领域

本发明涉及的是一种大抽速结构紧凑的组合泵，获得超高真空的泵，由吸气剂泵和溅射离子泵组合而成。属于超高真空泵技术领域。

背景技术

现在许多如电子显微镜的科研仪器或系统，需要在超高真空条件下才能正常工作。为达到超高真空，需要2-4个泵串联、并联使用。常用的方式是使用旋片泵或涡旋干式泵作为前级泵以获得10Pa到10^-1Pa的前级真空，然后串联从涡轮分子泵、吸气剂泵、溅射离子泵、钛升华泵、低温冷凝泵中选择一种或几种串联或并联后作为二级泵使用。具体选用什么方案，取决于系统的洁净度、气体种类、气体负载、抽真空的时间、最终的极限压强等要求。常用的二级泵性能各有优缺点。溅射离子泵、钛升华泵和涡轮分子泵能够抽除几乎所有气体。涡轮分子泵对真空腔室的油污染较轻，但是极限压强比较高，并且对于氢气等小分子气体的压缩比较小。吸气剂泵激活后可以在没有动力的情况下持续工作，并且对氢气的抽速很高，但是其不吸收惰性气体。溅射离子泵没有运动部件和油污染，并且可以通过离子流的大小大致判断系统内部的压强，但是其正常运转需要高压电源和磁场。钛升华泵则需要大量的能源来升华金属钛并冷却泵体。低温冷凝泵抽速大、极限压强低，但是价格贵，运行维护费用高昂。

本发明与溅射离子泵和吸气剂泵的组合使用有关。溅射离子泵运行时，实际的物理过程比较复杂，基本包括磁约束气体放电、阴极溅射、次级电子发射、气体分子在薄膜表面上的吸附，脱附与扩散，离子和中性粒子在固体表面的透入和再释出等。

其工作的基本原理是在阳极室加上高压和磁场后，由于场致发射或宇宙射线产生的自由电子在电场的作用下，在阳极室内作轮滚线运动。由于电子在阳极筒内运动的轨迹很长，因此在运动过程中与气体分子碰撞的几率大大增加。每个气体分子被电离的同时，都至少放出一个电子，这些电子也都受电磁场的约束而进入旋转电子运动过程中，于是经过一个短时间的积聚后形成雪崩效应，便在阳极筒内建立起一个强大的旋转电子云。这个过程一般称为潘宁放电。由于磁场的有效约束，这个旋转电子云可以维持到很低的压强，因而气体放电可以自持到很低的压强。潘宁放电产生的离子则奔向低电位的阴极，轰击阴极板，溅射阴极物质，同时产生二次电子，这些二次电子又加入到空间的旋转的电子流中。溅射出来的阴极物质，淀积在阳极内壁和阴极板上，形成新鲜吸气膜维持泵的抽气能力。在超高真空状态下，气体分子十分稀少，其被电离的可能性大大降低，这就导致阴极溅射出的吸气材料大幅减少，因此溅射离子泵在超高真空下抽速会迅速减小。根据离子流的大小和真空度大小相关的这一特性，也可根据离子流的大小来判断系统内部的真空度。溅射出阴极材料的数量除了与离子流的大小也就是轰击阴极材料的离子的多少有关外，还与离子的动能有关。在阳极电压固定的情况下，质量小的气体分子电离后其所具备的动能也小，轰击阴极也不容易引起阴极溅射，因此溅射离子泵抽除小分子量的气体能力也有限。但是小分子量的氢气恰恰是超高真空系统内的主要气体。溅射离子泵所能达到的极限压强主要与其阳极室的尺寸有关，大直径的阳极室才能让自由电子在阳极室内作长时间的滚轮运动。溅射离子泵的抽速与阳极室尺寸相关性不大，因此在实际应用时，溅射离子泵通常需要将许多阳极室并联使用以获得大的抽速，这也意味着其需要更多重量的磁铁。因此溅射离子泵的体积和重量一般都比较大，它的尺寸和重量一般和泵的抽速有线性关系。因此大抽速的溅射离子泵由于其较大的尺寸和重量而难以在小型或便携式系统中应用。