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離子泵

離子泵是真空泵的一種。離子泵的原理是將氣體分子電離後，利用強電場將離子加速至電極板處並捕獲，以此移除容器內的氣體。 理想條件下，離子泵可以產生壓強低至10-9帕的真空。[1]

離子泵

歷史

1858年，尤利烏斯·普呂克在真空管中進行了一些氣體電離實驗，這些實驗首次展現了將氣體電離現象運用到真空泵技術中的可能。[2][3]1937年，弗蘭斯·米歇爾·彭寧在測試他的冷陰極真空計時也觀察到了這一現象。[4]這些早期觀測到的現象中，氣體被抽運出容器的速率很低，因此並沒有被開發為商業產品。直到1957年，瓦里安聯合公司在嘗試提高真空管性能時，研發出離子真空泵，並申請了專利。[5]

原理

一般而言，離子泵的基礎組件是一個彭寧離子阱。[6]彭寧離子阱的基本原理是使用軸向的強勻磁場來限制帶電粒子的徑向軌跡，再用四極電場來限制軸向軌跡，以此達到束縛帶電粒子的作用。[7]在離子泵中，使用彭寧離子阱來儲存一定量的電子，然後利用這些電子將氣體分子電離。電離產生的離子被電場加速，撞擊具有化學活性的陰極材料（通常是鈦）。[8]撞擊之後，氣體離子會被包裹進陰極材料中，或是將陰極材料濺射到離子泵的容器壁上。被濺射的陰極材料可以作為吸氣劑（英語：Getter）繼續吸收氣體，也同樣實現移除氣體分子的真空泵作用。惰性氣體和分子質量較小的氣體（例如氫氣和氦氣）不易將陰極材料濺射出去，而主要通過物理吸附的方式被吸收。另有一些動能較大的氣體離子（包括與陰極物質不易反應的離子）在撞擊過程中可以從陰極表面獲得電子並恢復到電中性，然後附着到離子泵的容器壁中。[9]

離子泵的抽氣速率與最大可抽氣量與需要吸收的氣體種類及陰極材料有關。一些氣體與陰極材料以化學反應的方式發生結合，例如一氧化碳；一些氣體可擴散到陰極材料的晶格中，例如氫氣。對於以化學方式結合的氣體，陰極材料會因表面層逐漸發生反應，導致吸收速率下降；對於以擴散方式吸收的氣體，吸收速率與氣體在晶格內擴散的速率相等。[10]

類型

離子泵主要有三種類型——普通雙陰極離子泵、貴金屬雙陰極離子泵和三陰極離子泵。[10]

普通雙陰極離子泵與貴金屬雙陰極離子泵的區別即為其使用的陰極材料。貴金屬離子泵的兩個陰極一般分別使用鈦和鉭，鉭往往作為大質量晶格反射或吸收與電子複合的離子。普通離子泵的兩個陰極均使用鈦。[10]

雙陰極離子泵的陰極接地，陽極電勢高於大地電勢。所謂的三陰極離子泵，是指陽極接地而陰極工作在低於大地電勢的離子泵。高能中性粒子能幾乎全部穿過三陰極離子泵的陰極而不被吸收，因此這種離子泵不易發生陰極材料濺射，可避免原先被吸附的氣體粒子因濺射而再次釋放。[10]

應用

離子泵一般用於超高真空系統中。與渦輪分子泵和擴散泵不同的是，離子泵沒有移動部件，也不使用油作為工作介質。因此一般而言離子泵在使用中更易維護，且不產生振動。這些特點令離子泵廣泛用於掃描探針顯微鏡及其他精密儀器中。[11]

參見

參考文獻

引用

  1. ^ Ion Pumps (PDF). Agilent. [2019-07-17]. （原始內容 (PDF)存檔於2016-03-04）. 
  2. ^ Plücker, Julius. III. Fortgesetzte Beobachtungen über die elektrische Entladung. Annalen der Physik und Chemie. 1858, 181 (9): 67. doi:10.1002/andp.18581810904 （德語）. 
  3. ^ Hall, L. D. Ionic Vacuum Pumps: Instead of removing the particles of gas, some new pumps simply transfer them to the solid phase.. Science (American Association for the Advancement of Science (AAAS)). 8 August 1958, 128 (3319): 279–285. ISSN 0036-8075. doi:10.1126/science.128.3319.279. 
  4. ^ Penning, F.M. Ein neues manometer für niedrige gasdrucke, insbesondere zwischen l0−3 und 10−5 mm. Physica (Elsevier BV). 1937, 4 (2): 71–75. ISSN 0031-8914. doi:10.1016/s0031-8914(37)80123-8 （德語）. 
  5. ^ US 2993638,發行於25 Jul 1961 
  6. ^ Cambers, A., "Modern Vacuum Physics", CRC Press (2005)
  7. ^ Brown, L.S.; Gabrielse, G. Geonium theory: Physics of a single electron or ion in a Penning trap (PDF). Reviews of Modern Physics. 1986, 58: 233 [2019-07-17]. Bibcode:1986RvMP...58..233B. doi:10.1103/RevModPhys.58.233. （原始內容 (PDF)存檔於2017-03-13）. 
  8. ^ Weissler, G.L. and Carlson, R.W., editors, Methods of Experimental Physics; Vacuum Physics and Technology, Vol. 14, Academic Press Inc., London (1979)
  9. ^ Moore, J.H.; Davis, C. C.; Coplan, M.A.; Greer, S. Building Scientific Apparatus. Westview Press. 2003. ISBN 0-8133-4006-3. 
  10. ^ 10.0 10.1 10.2 10.3 Moore, J.H.; Davis, C. C.; Coplan, M.A.; Greer, S. Building Scientific Apparatus. Westview Press. 2003. ISBN 0-8133-4006-3. 
  11. ^ William Paul, Yoichi Miyahara, and Peter Grütter. Implementation of atomically defined Field Ion Microscopy tips in Scanning Probe Microscopy (PDF). Nanotechnology. 2012, 23 [2019-07-17]. doi:10.1088/0957-4484/23/33/335702. （原始內容 (PDF)存檔於2020-10-01）. 

來源

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