气体|从二极泵到三极泵再到StarCell，离子泵这70多年进步在哪？
安捷伦真空部门的前身、创建于1948年的瓦里安（Varian）在 1957 年发明了第一台溅射离子泵（SIP） 。离子泵的发明大大拓展了当时的技术所能达到的真空度 ， 使超高真空成为可能 。下图的离子泵是一台二极离子泵 。
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二极离子泵
二极离子泵的泵壳内装有作为阴极的钛板 ， 和筒状的阳极 ， 两极间的直流高压（一般为几千伏）会使之间的气体分子电离 ， 带正电的离子高速飞向阴极 ， 阴极材料被溅射起来并覆盖到阳极筒上 。泵体外部还装有磁铁 ， 磁场和电场的相互作用可以使电子做旋转运动 ， 以增加其高真空下与气体分子碰撞的概率 。
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离子泵的抽气机理比较复杂 ， 对二极泵而言 ， 主要机理有两个：一是活性气体的离子与溅射起来的钛发生反应（生成 TiN、TiO 等）被化学吸附 。二是气体离子被注入到阴极材料内部 ， 被物理捕获 ， 只有速度比较快的氢离子 ， 才会注入得足够深 ， 从而形成永久的抽气；速度比较慢的其他离子 ， 由于注入得比较浅 ， 注入后又会被别的离子溅射出来 ， 无法形成稳定的抽气 。
惰性气体既无法被化学吸附（不与钛发生反应） ， 也不会注入到阴极内部太深以形成稳定的抽气 ， 所以二极离子泵对惰性气体基本没有稳定的抽速 。
惰性气体二极离子泵
为了增加离子泵对惰性气体的稳定抽速 ， 人们进行了多种尝试 ， 以开发专门用于泵送稀有气体的离子泵 。
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一种被验证可行的方法是把离子泵的其中一块阴极钛板替换成另一种材料钽 。钽制的阴极具有更高的密度 ， 可以增加惰性气体的离子（当然也有别的离子）与阴极材料发生弹性碰撞的概率 ， 离子碰撞的瞬间得到电子变成中性分子 ， 然后高速反弹到阳极筒的表面（甚至注入到材料内部） ， 并被溅射起来的钛膜覆盖 ， 这样就使得离子泵对惰性气体也有了稳定的抽速 。
不过 ， 用钽做为阴极材料大大减少了材料的溅射率和对氢气的饱和容量 ， 损失了很多离子泵对氢气和其他活性气体的抽速 。
三极离子泵
另一种方法也是通过增加离子的反弹概率来实现离子泵对惰性气体的稳定抽速的 。除了跟材料有关外 ， 反弹概率还跟入射角度相关：入射角度（垂直时为0度）越大 ， 反弹概率越高 。
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如上图所示 ， 把阴极从平放的两块 ， 变成竖直排列的两列 ， 除了阴极和阳极筒之外 ， 泵壁也作为一极参与了抽气 ， 所以把这种泵叫做三极离子泵 。三极泵能够稳定地抽除稀有气体 ， 与二极泵相比 ， 普通三极泵的氢气容量也会低很多 。
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StarCell三极离子泵
离子泵内部正对阳极筒中心的位置电场强度最大 ， 此处的阴极会很快地被溅射消耗掉而形成空洞 ， 下图是一个中心被打穿的二极泵的照片 ， 可以想象 ， 如果是普通三极泵 ， 阴极板就会在被打穿的地方断掉 ， 这意味着普通的三极泵寿命有限 。
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