濺射離子泵的結(jié)構(gòu)及其抽氣機(jī)理
濺射離子泵又稱潘寧泵,它是靠潘寧放電維持抽氣的一種無油清潔超高真空泵。是目前抽惰性氣體較好的真空獲得設(shè)備。
一、濺射離子泵的結(jié)構(gòu)
濺射離子泵主要由陽極、陰極、磁場和電源四大部分組成。根據(jù)陰極、陽極和電位的不同,可以有好幾種不同結(jié)構(gòu),這里僅介紹最簡單的二極型濺射離子泵。
圖4:濺射離子泵示意圖
如圖4所示,陽極由多個(gè)不銹鋼圓筒(或四方格、六方格)組成,放于兩塊由鈦板組成的陰極之間,磁場方向與陰極板垂直,當(dāng)陽極加上適當(dāng)高壓(對陰極為正電位)時(shí),在陽極小室內(nèi)產(chǎn)生放電,這種放電在壓強(qiáng)低于1Pa時(shí)發(fā)生,放電可維持到很低的壓強(qiáng)。
二、濺射離子泵的抽氣機(jī)理
如圖5所示,在每個(gè)陽極筒內(nèi)發(fā)生的物理過程,可分解成六個(gè)步驟展開說明。
圖5:濺射離子泵抽氣機(jī)理示意圖
1、圖中A表示在低壓下,當(dāng)陰極和陽極間加上高壓時(shí),引起場致發(fā)射。
2、圖中B表示在電、磁場作用下電子作螺旋運(yùn)動。
3、圖中C表示電子與氣體分子碰撞產(chǎn)生正離子和二次電子,引起雪崩效應(yīng)。
4、圖中D表示正離子轟擊鈦陰極,濺散出鈦原子落在陽極筒上,形成新鮮鈦膜,也有的落在陰板外圍區(qū)(β區(qū))。
5、圖中E表示活性氣體與新鮮鈦膜反應(yīng)形成化合物,化學(xué)吸附在陽極筒內(nèi)壁。隋性氣體被電離,離子在電場作用下轟擊陰極過程中被排出。其排除方式為:(1)離子直接打入陰極表面內(nèi)或β區(qū)(如圖中a);斜射的離子切入陰極表面,離子和鈦一起被掀掉,埋葬在β區(qū)(圖中b);(2)離子沒打入陰極內(nèi),從陰極得一電子恢復(fù)為中性原子或分子,反射到陽極內(nèi)表面被埋掉(圖中c),這叫“荷能中性粒子反射”。
6、圖中F表示對于氫,由于其質(zhì)量小,氫離子轟擊鈦板的濺射產(chǎn)額甚低,氫離子 H2+ 或 H+ 打到鈦板上與電子復(fù)合變成H原子,然后擴(kuò)散入鈦的晶格內(nèi),形成TiH固溶體而被排出。
常溫下這種固溶體中H2的濃度為0.05%,當(dāng)溫度高于250oC以上時(shí),便又開始分解放出氫。鈦大量吸氫后。由于放熱反應(yīng)鈦板溫度上升,達(dá)到250oC以后,除重新釋放氫之外并導(dǎo)致鈦板晶格膨脹造成龜裂。
通常需加大鈦板的散熱能力來改善濺射離子泵對氫的排除能力。要提高對氫的抽速,需保持鈦板表面清潔,選用晶格常數(shù)較大的β-Ti或鈦合金作為陰極板,或引入與氫可比擬的氬含量。因氬的濺散產(chǎn)額高,可提高對氫的抽速。