钛泵和溅射离子泵的工作原理

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)东北电子技术研究所 作者:王维明

钛泵的工作原理

       真空的实质就是具有较低气体分子浓度的空间。因此, 只要降低空间的气体分子浓度就能获得真空, 而不必有实际上的排气过程。钛泵正是基于此原理制造的。通过加热、电离等方法使钛原子与空间气体分子发生一系列复杂的物理和化学反应, 使气体分子伴随钛原子一起沉积下来, 从而达到降低空间气体分子浓度的目的。这就是钛泵的基本工作原理。这与压缩泵的原理( 即将气体从一方压缩到另一方来获得真空) 有所不同。

溅射离子泵

溅射离子泵的原理

         早在本世纪初, 就有人在抽真空的电子管中蒸发一些化学活动性强的金属, 使其与管内未能抽净的气体发生反应, 从而降低空间的气体分子浓度。这种金属以及起着相同作用的材料就叫做吸气剂, 这种方法叫做化学清除。实验证明, 用钛持续蒸发到一个冷却的壁上, 可以形成具有相当抽气速率的泵, 形成简单的升华泵

         俘获气体分子还可以使用电离吸附的方法。利用高速电子轰击气体分子可以得到正离子, 正离子在电场作用下被驱逐到负电极上, 中和后由于分子间的范德瓦尔斯力被金属吸附而不再离开电极。这样降低了空间气体分子浓度, 达到了获得真空的目的。这种现象称为电清除, 利用电清除达到除气目的的泵称为离子泵。离子泵对吸附的气体没有选择性。

        离子泵和升华泵都能获得很高的真空度, 但是单独使用它们来获得更高的真空就有很大的困难。这与它们的工作机理有很大的关系。依靠物理吸附的离子泵俘获气体分子的能力有限; 升华泵产生的化学键能虽然大, 但很容易在其表面形成饱和, 影响其进一步吸收气体, 而且升华泵对惰性气体吸附效果不好。因此将两种泵合二为一, 就能得到吸气效果更好的溅射离子泵。

溅射离子泵的组成

      溅射离子泵主要由阳极、阴极、永磁铁和泵体四大部分组成。

       阳极是由多个不锈钢圆筒排列组成的蜂窝状结构, 阴极是两块平行的钛合金板, 将阳极夹在中间, 三者相互间保持一定距离并通过高压绝缘陶瓷连接。阳极施加3~7 kV 直流高压, 阴极接地。阴阳极板被泵体密封在内部, 在泵体外部吸附相对放置的两块永磁铁, 磁场方向与极板垂直, 磁感应强度1000~2000 Gs。泵体结构如图1。

溅射离子泵的结构示意图

溅射离子泵的工作过程

       溅射离子泵又称潘宁泵, 顾名思义, 它是利用潘宁放电进行除气的。溅射离子泵是目前比较好的抽真空设备。

      溅射离子泵的工作过程比较复杂, 可简单的概括如下:

       首先, 电源启动, 在阴阳极板间产生高压。由于级间距离很近, 根据E=U/d 可知, 电场强度E数值非常大, 尤其在阳极筒壁边缘处。在强大的电场和与之平行的磁场作用下, 电子以螺旋线方式高速运动, 由于电子运动行程的增加, 大大提高了与气体分子碰撞的几率。电子在空间与气体分子碰撞产生正离子和二次电子, 产生的电子继续与气体分子碰撞产生新的正离子和电子。此种放电称为潘宁放电, 潘宁放电能在很低的压强下进行。

        气体分子被电离后形成的正离子加速向阴极板运动, 由于能量很大, 冲击阴极时产生强烈的溅射, 大量的钛原子被轰击出来, 沉积在阳极筒壁上和阴极板上遭受离子轰击较弱的区域, 形成新鲜的钛膜吸附活性气体, 而惰性气体在阴极溅射不强烈的区域被掩埋。

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