離子幫浦如何運作？

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濺鍍離子幫浦的抽氣動作以潘寧排放 (冷陰極排放) 中的離子化氣體微粒所啟動的吸附製程為基礎。透過「平行許多個別潘寧芯」，濺鍍離子幫浦可針對個別氣體達到足夠高的抽氣速度。

濺鍍離子幫浦的操作原理

離子會碰撞冷陰極排放電極系統的陰極並濺鍍陰極材料 (鈦)。在其他位置沉積的鈦會成為吸附膜並吸附反應氣體微粒 (例如氮、氧、氫)。離子化氣體微粒的能量不僅高到足以濺鍍陰極材料，還能讓碰撞離子深深穿透進陰極材料中 (離子佈植)。此吸附製程會「抽吸」所有類型的離子，包括不會與濺鍍鈦薄膜 (即主要為惰性氣體) 產生化學反應的氣體離子。

濺鍍離子幫浦結構

以下安排方式用於產生離子：不鏽鋼、圓柱形陽極在期間緊密安排，其軸垂直於兩個平行陰極 (見圖 2.61)。陰極為與陽極相反的負電位 (小千伏數)。完整電極系統會保持在由連接到幫浦外殼外部的永久磁鐵所產生的通量密度 B = 0.1 T，(T = Tesla = 10⁴ Gauss) 的強大、均勻磁場中。由高張力產生的氣體排放包含電子與離子。在磁場的影響下，電子會沿長螺旋軌跡行進 (見圖 2.61)，直到其碰撞到對應芯的陽極圓柱形為止。長軌跡會增加離子產率，如此即使是在低氣體密度 (壓力) 之下，也足以維持自給自足的氣體排放。從熱陰極供應電子並不需要。由於其大質量，離子的運動不會受到指定度量順序的磁場影響；它們會沿著最短路徑流出並衝擊陰極。

圖 2.61 濺鍍離子幫浦的操作原理。

← ⊕ 離子化氣體分子的運動方向
• → 濺鍍鈦的運動方向
- – – - 電子的螺旋軌跡
PZ 潘寧芯

排放電流 i 與中性微粒的數字密度 n0、電子密度 n- 及總排放路徑的長度 l 成比例：(2.25)

(2.25)

離子化碰撞的有效橫截面取決於氣體類型。根據 (2.25)，排放電流 i 是數字微粒密度 n0 的函數，如在潘寧真空計中，且其可作為從 10-⁴ 到 10^-8 mbar 範圍中的壓力測量使用。在較低的壓力下，測量會因來自場發射效應的干擾而無法重新產生。

二極管類型濺鍍離子幫浦

在具有電極系統配置的二極管類型濺鍍離子幫浦中，如圖 2.62 所示，會在陽極表面上及反向陰極的濺鍍區域之間形成吸附膜。離子會埋到陰極表面中。隨著陰極濺鍍的繼續，埋入的氣體微粒會再度被釋出。因此，只能因離子埋入而抽排的惰性氣體抽排動作將在一段時間之後消失，並將發生「記憶效應」。

圖 2.62 二極管濺鍍離子幫浦中的電極配置。

三極管濺鍍離子幫浦

與二極管類型幫浦不同，三極管濺鍍離子幫浦在其針對惰性氣體的抽氣速度上展現出了極佳的穩定性，因為濺鍍與薄膜形成表面是分開的。圖 2.63 顯示了三極管濺鍍離子幫浦的電極配置。其抽排惰性氣體的較佳效率說明如下：系統的幾何更偏好陰極柵鈦條上離子的低伸入射，以使濺鍍率明顯高於具有垂直入射的情況。濺鍍鈦的移入方向與入射離子大致相同。吸附膜會優先在第三電極上形成，即目標板，其為幫浦外殼的實際壁。逐漸增加的離子化微粒產率會在陰極柵上低伸入射，並在此中性化及反射，然後會從該處以仍明顯高於氣體微粒之熱能量 1/ 2 · k · T 的能量前往目標板。能量中性微粒可以穿透目標表面層，但其濺鍍效應可以忽略不計。這些埋入或植入的微粒最後會被新鮮的鈦層覆蓋。當目標處於正電位時，任何抵達該處的陽離子都會被排斥，且無法濺鍍目標層。因此埋入的惰性氣體原子不會被再次釋出。惰性氣體的三極管濺鍍離子幫浦的抽氣速度在幫浦操作期間不會降低。

圖 2.63 三極管濺鍍離子幫浦中的電極配置。

離子幫浦的抽氣速度

濺鍍離子幫浦的抽氣速度取決於氣體的壓力與類型。它會依據 DIN 28 429 與 PNEUROP 5615 中的陳述方法測量。抽氣速度曲線 S(p) 有上限。額定抽氣速度 S_n 由空氣的抽氣速度曲線上限指定，此處必須提出對應壓力。

針對空氣，氮、二氧化碳與水蒸氣的抽氣速度實際上是相同的。相較於空氣的抽氣速度，其他氣體的濺鍍離子幫浦抽氣速度約為：

氫 150 至 200%
甲烷 100%
其他輕烴 80 至 120%
氧 80%
氬 30%
氦 28%

在高惰性氣體穩定性方面，三極管類型的濺鍍離子幫浦勝過二極管類型幫浦。對於氬而言，即使是在 1 · 10^-5 mbar 的進口壓力之下，也能穩定抽氣。在高於 1 · 10^-2 mbar 的壓力下，幫浦可以毫無困難地啟動，並可在產生 5 · 10^-5 mbar 恆定氣壓的進氣口持續操作。一種新型的電極設計可將陰極的使用壽命延長 50%。

濺鍍離子幫浦中雜散磁場與雜散離子的影響

抽排動作所需的高磁場強度不可避免地會在磁鐵附近產生雜散磁場。因此，真空腔室中的製程可能會在某些情況下受到干擾，因此應為相關濺鍍離子幫浦提供篩檢安排。如果在任何情況下，除了地球磁場以外，在真空腔室中發生的製程沒有受到其他干擾，則可將此類篩檢安排的形式與種類視為最佳方法。

圖 2.64 顯示了在濺鍍離子幫浦 IZ 270 的進氣法蘭平面上，以及在 150mm 之上的平行平面上的雜散磁場。若要防止來自排放區域的雜散離子進入真空腔室，可以在濺鍍離子幫浦入口的反電位處設置適當金屬篩網 (離子屏障)。但是，這樣會根據所選金屬篩網的網孔大小而降低濺鍍離子幫浦的抽氣速度。

圖 2.64 在兩個與進氣口法蘭 (插入件) 曲線平行的位置中，濺鍍離子幫浦的雜散磁場顯示了 Gauss.1 Gauss = 1 ·10–4 Tesla 的恆定磁性感應 B 的線條

非蒸散型吸附幫浦 (NEG 幫浦)

非蒸散型吸附幫浦使用非蒸散型輕巧吸附材料操作，其結構在原子階為多孔，這樣它就能夠佔用大量氣體。吸附在吸附材料表面上的氣體分子會在材料內快速擴散，藉以為在表面上碰撞的更多氣體分子空出空間。非蒸散型吸附幫浦中包含加熱原，其可用於根據要抽排的偏好氣體類型將吸附材料加熱至最佳溫度。在較高溫度之下，會再生 (啟動) 已飽和充滿氣體的吸附材料。作為吸附材料，大多數鋯鋁合金會以薄膜條的形式使用。NEG 幫浦的特殊屬性為：

HV 與 UHV 範圍中的恆定抽氣速度
無最高到約 12 mbar 的壓力限制
氫及其同位素特別高的抽氣速度
啟動之後，幫浦可以經常在室溫操作，且將不需要電力
無磁場干擾
無碳氫化合物真空
無振動
低重量

與其他幫浦類型的組合

NEG 幫浦最常用於與其他 UHV 幫浦 (渦輪分子和冷凍幫浦) 的組合。想要進一步降低 UHV 系統的極限真空壓力時，此類組合特別有用，因為氫是 UHV 系統中極限真空壓力的最大組成成分，且 NEG 幫浦具有特別高的抽氣速度，而其他幫浦的 H₂ 抽氣效果較低。使用 NEG 幫浦時，某些應用的典型範例為粒子加速器及類似研究系統、表面分析儀器、SEM 柱與濺鍍系統。NEG 幫浦的製造提供了數 `/s 至約 1000 l/s 的抽氣速度。自訂幫浦能夠達到的氫抽氣速度為高於數個數量級。

部落格與 Wiki 幫浦類型真空產生真空基礎說明