离子泵的气体选择性——对不同气体的抽速

对活性气体的抽速

有些气体的化学活性比较高，比如氢气、氧气、氮气、一氧化碳、二氧化碳等，他们可以轻松的与大多数金属形成稳定的化合物。在离子泵中，这些活性气体分子会与由离子轰击阴极所溅射出来的新鲜的钛（或者钽）发生反应，形成氮化钛、氧化钛等固体化合物，从而被“抽走”（其实是被反应消耗掉了）。

除了与被溅射出的新鲜的阴极材料发生反应，活性气体还会注入并扩散到阴极材料内部并滞留在那里，从而达到类似被“抽走”的效果；然而除氢气外，大部分的活性气体不会注入到阴极材料很深处，这些注入到阴极的部分气体在达到一定的量后，会在后续的离子轰击下被释放出来，这叫做饱和效应（参考文章：离子泵的饱和抽速、不饱和抽速和名义抽速）。

在低压下，同样名义抽速的 Diode 离子泵对活性气体的抽速最高，其次是 Noble Diode，而在较高的压力下（5E-6 mbar 以上），StarCell 离子泵的抽速较高。

图1 - 不同离子泵对氮气的饱和抽速

对氢气的抽速

离子泵对氢气的抽气速度非常高，主要是因为氢气可以更深地扩散到阴极中，并很难再被后续的离子轰击释放出来。而且，氢在钛材料中的扩散度很高，因此可以认为，在抽氢气时，离子泵总是在不饱和状态下工作。同一个离子泵对氢气的抽气速度可以达到在相同压力下其对氮气抽速的两倍以上。

图2 - Diode 和 StarCell 离子泵对氢气的抽速

氢气的分子量很小，溅射率（溅射产额）很低，因此当离子泵在非常低的压力下工作时，如果气源主要是氢气，溅射出的新鲜阴极材料就会很少，氢气与其发生反应被消耗掉的概率也比较低。然而，如果被抽气体中含有其它较重的气体，则溅射率就会相应的增加，并产生更高的对氢抽速。

对惰性气体的抽速

惰性气体的主要特性是它们很难与其他元素发生反应。因此，阴极材料溅射产生的薄膜也不会与惰性气体发生反应。此外，由于惰性气体在阴极材料内的扩散效应也不强，所以通过注入并扩散到阴极材料中而产生的抽气速度也很有限。所以，普通的二极离子泵对惰性气体抽速很小。仅有的一点抽速，是因为部分惰性气体的分子被溅射出的阴极材料掩埋掉了。惰性气体离子在碰撞阴极后，被中和成分子并在不损失能量的情况下从阴极散射，这些惰性气体分子保持足够的能量植入/粘附在阳极或泵壁上，并在那里它们将被溅射产生的阴极材料掩埋。

Noble Diode 和 StarCell 离子泵通过改变阴极材料的种类或者离子入射的角度，增加了惰性气体散射到阳极筒或泵壁并被掩埋的概率，从而具有更高的对惰性气体抽速。StarCell 离子泵对惰性气体的抽速可以达到名义抽速的 20% 左右，优于 Noble Diode；并且，特殊的阴极形状，使其阴极材料的使用效率更高，因此寿命更长（比其它形式的离子泵高 50% 左右）。

图3 - StarCell 和 Noble Diode 离子泵对氦气/氩气的抽速

对甲烷的抽速

甲烷是加速器束流衰减的主要原因之一。作为氢和金属材料中的碳反应的产物，甲烷是超高真空系统一种常见的气源。

虽然甲烷不是惰性气体，但它不与任何吸气剂发生反应，也不会与离子泵中溅射出的阴极材料发生反应，因此，普通的二极离子泵对甲烷几乎没有抽速，与处理惰性气体类似，想要抽除甲烷，只能靠掩埋效率更高的 StarCell 和 Noble Diode 离子泵。

由于离子泵中的潘宁放电，甲烷分子(以及其他碳氢化合物分子)被裂解并转化为更小的粒子(C, CH3，…H)，从而有更高的概率被"抽走"，StarCell 离子泵对甲烷和轻烃的抽速甚至还会高于其对氮气的抽速。

图4 - StarCell 和 Noble Diode 离子泵对甲烷的抽速

安捷伦科技真空产品免费服务热线：

800 820 6778 （座机拨打）

400 820 6778 （手机拨打）