CN109360780B - 一种新型阳极筒阵列的溅射离子泵 - Google Patents

一种新型阳极筒阵列的溅射离子泵 Download PDF

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Abstract

一种新型阳极筒阵列的溅射离子泵，其特征在于，包括壳体，壳体顶部设置有进气口，壳体的左右两侧分别安装有磁铁，阳极筒阵列绝缘地安装于壳体内部，且阳极筒阵列两侧分别设置有阴极板，高压电极与进气口固定装配，其正电位与阳极筒阵列相连，零电位分别与两个阴极板相连，阴极板与阳极筒阵列之间构成用于抽除气体的腔室，阳极筒阵列由多组阳极筒组成，距离进气口越近的阳极筒，半径越大，高度越低，阳极筒上下表面与阴极板之间的间隙越大，距离进气口越远的阳极筒，半径越小，高度越高，阳极筒上下表面与阴极板之间的间隙越小；本发明可以大幅度提高溅射离子泵中单位体积内的抽气速率，且在超高真空环境下也能保持较高抽速工作。

Description

一种新型阳极筒阵列的溅射离子泵
技术领域
本发明属于真空获得技术领域，具体涉及一种新型阳极筒阵列的溅射离子泵。
背景技术
溅射离子泵于20世纪五十年代被命名并提出了相应理论，通过潘宁放电原理维持抽气，进而获得超高真空环境。其特点为工作时零噪声、无振动、泵腔内不会产生油污染，结构简单牢固，使用寿命长，无需冷剂，工作压力范围宽，可以在1～10-10Pa范围内工作，是一种清洁型真空泵。其工作过程分为两部分，首先为潘宁放电过程，泵腔内电子在电磁场作用下与气体分子碰撞，使气体分子电离。其次为气体捕集过程，产生的阳离子在电磁场作用下轰击阴极板，在阴极板处发生溅射现象，溅射出来的阴极材料原子与气体分子在阳极筒壁处发生反应，实现对气体的抽除。因此溅射离子泵也属于气体捕集式真空泵，主要应用于各类尖端科学领域，例如医疗器械，高能粒子加速器，微机电系统等。
现有的溅射离子泵在超高真空环境下工作时，都存在抽速较低的缺陷，而如今各类尖端领域需要溅射离子泵在超高真空环境下也能保持较高的抽速。因此亟需开发一种能在超高真空环境下保持高抽速的溅射离子泵。
发明内容
本发明针对现有的溅射离子泵在超高真空环境下的抽速较低的缺陷，提供了一种新型阳极筒阵列的溅射离子泵。通过改变距离进气口不同位置处的阳极筒的高度与半径，优化了离子泵内部结构的流导，提高了每个筒的抽气效率，实现了提高在超高真空环境下溅射离子泵的抽气速率的目的，技术方案如下：
一种新型阳极筒阵列的溅射离子泵，包括壳体、高压电极、阴极板和阳极筒阵列，所述壳体顶部设置有进气口，壳体的左右两侧分别安装有磁铁，所述阳极筒阵列绝缘地安装于壳体内部，且阳极筒阵列两侧分别设置有阴极板，所述高压电极与进气口固定装配，其正电位与阳极筒阵列相连，零电位分别与两个阴极板相连，阴极板与阳极筒阵列之间构成用于抽除气体的腔室，所述阳极筒阵列由多组阳极筒组成，距离进气口越近的阳极筒，半径越大，高度越低，阳极筒上下表面与阴极板之间的间隙越大，距离进气口越远的阳极筒，半径越小，高度越高，阳极筒上下表面与阴极板之间的间隙越小。
所述高压电极与外部直流电源相连，为离子泵提供3000V到7000V的高压，且电压可以调节。
优选的，所述阴极板为矩形平面板状结构，其材质主要为钛。
优选的，所述阴极板靠近阳极筒阵列一侧的表面镀有钽膜，所述钽膜的厚度为1微米到10微米。
优选的，所述壳体为矩形柱体结构，其材质主要为316不锈钢。
优选的，所述进气口为筒状管道结构，其材质主要为316不锈钢。
优选的，所述磁铁采用矩形柱体结构，其材质主要为铁氧体。
优选的，所述阳极筒的截面呈圆形或多边形。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
与传统溅射离子泵相比，本发明采用阴极板与不同半径、不同高度的阳极筒阵列构成气体抽除的主要腔室，即在距离进气口较近的位置，阳极筒半径较大，高度较低，阳极筒上下表面距离阴极板的间隙较大；在距离进气口较远的位置，阳极筒半径较小，高度较高，阳极筒上下表面距离阴极板的间隙较小；本发明可以大幅度提高溅射离子泵中单位体积内的抽气速率，在超高真空环境下也能保持较高抽速，保持较高抽速的工作压力范围宽，且本发明结构简单，泵腔内无油，工作时无噪声，寿命较长，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明的主视结构示意图；
图2为本发明的侧视结构示意图；
图3为本发明的俯视结构示意图；
图4为本发明阳极筒阵列与阴极板安装结构的俯视示意图；
图5为本发明阳极筒阵列与阴极板安装结构的侧视示意图；
图6为本发明阳极筒阵列主视结构示意图；
其中：壳体1；高压电极2；进气口3；磁铁4；阴极板5；阳极筒阵列6；阳极筒61。
具体实施方式
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
如图1至图6所示，本发明提供了一种新型阳极筒阵列的溅射离子泵，包括壳体1、高压电极2、阴极板5和阳极筒阵列6。
壳体1为矩形柱体结构，其材质主要为316不锈钢，壳体1顶部设置有进气口3，进气口3采用冲压的成形的方法加工，为筒状管道结构，其材质主要为316不锈钢，气体从进气口3流入壳体1内部。
壳体1的左右两侧分别安装有磁铁4，磁铁4采用矩形柱体结构，其材质主要为铁氧体，磁铁4与壳体1内部的阴极板5平行设置，为离子泵提供稳定的磁场。
阳极筒阵列6通过绝缘陶瓷绝缘的安装于壳体1内部，且阳极筒阵列6两侧分别设置有阴极板5，阴极板5为矩形平面板状结构，其材质主要为钛，且阴极板5靠近阳极筒阵列6一侧的表面镀有钽膜，钽膜的厚度为1微米到10微米。
不同材料的阴极板5其原子质量各不相同，当阴极板5的材料为钛时，阴极板5表面的溅射产额小于阴极板5材料为钽时的溅射产额；但是由于钽的成本过高，因此本发明根据不同抽气需求，在钛板表面镀一层钽膜，这样既节省了成本，又可以有效地提高阴极板5表面的溅射产额。
高压电极2采用绝缘材料，具有耐高温，耐高压，防碎裂的特点，其与进气口3固定装配，高压电极2通过导线与外部直流电源相连，为离子泵提供3000V到7000V的高压，且电压可以调节，其正电位与阳极筒阵列6相连，零电位分别与两个阴极板5相连，高压电极2为离子泵提供稳定的电场。
阴极板5与阳极筒阵列6之间构成用于抽除气体的腔室，一个阳极筒6与其两侧对应的部分阴极板5构成一个抽气单元，气体在阴极板5处发生溅射过程，在阳极筒61内进行潘宁放电的抽气过程；阳极筒阵列6由多组阳极筒组成，阳极筒61采用冷拔的加工方法制成，其截面呈圆形或多边形，距离进气口3越近的阳极筒61，半径越大，高度越低，阳极筒61上下表面与阴极板5之间的间隙越大，距离进气口3越远的阳极筒61，半径越小，高度越高，阳极筒61上下表面与阴极板5之间的间隙越小。
本发明的工作原理如下：
1.溅射离子泵在抽气过程中，不同真空度下，不同半径的阳极筒61的抽气效率各不相同。当真空度较低时，半径大的阳极筒61抽气效率高，抽速快，起主要作用。当真空度较高时，半径小的阳极筒61抽气效率高，抽速快，起主要作用。通过不同半径阳极筒61的阵列组合，实现离子泵在宽的压力范围内具有大的抽速的目的。
2.溅射离子泵在抽气过程中，当阳极筒61与阴极板5的间隙不同时，不同半径的阳极筒61的抽气效率各不相同。当阳极筒61半径较大时，最优间隙较大，当阳极筒61半径较小时，最优间隙较小，此时阴极板5处有较高的溅射产额，而溅射产额直接影响着溅射离子泵的抽气能力，即溅射产额越大，抽气速率越大。当阴极板5间距相等时，通过设置不同高度的阳极筒61阵列6组合，使阳极筒61达到最优间隙，实现离子泵每个阳极筒61抽速最大化的目的。
3.溅射离子泵在抽气过程中，抽气单元入口进气流导由阳极筒61与阴极板5间隙决定。大流导是保证抽气单元高效工作的前提。通过对不同高度阳极筒61的升序排列，使距离进气口3较近位置处的阳极筒61高度较小，间隙较大，距离进气口3较远位置处的阳极筒61高度较大，间隙较小。这样可以保持泵腔内被抽气体顺利进入每个抽气单元，实现进气通道流导的最大化。
综上所述，本发明的阳极筒阵列6距离进气口3越近，阳极筒61半径越大，高度越小，间隙越大；距离进气口3越远，阳极筒61半径越小，高度越大，间隙越小，可大大提高溅射离子泵单位体积内的抽气速率，使高抽速的工作压力范围更宽。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种新型阳极筒阵列的溅射离子泵，其特征在于，包括壳体、高压电极、阴极板和阳极筒阵列，所述壳体顶部设置有进气口，壳体的左右两侧分别安装有磁铁，所述阳极筒阵列绝缘地安装于壳体内部，且阳极筒阵列两侧分别设置有阴极板，所述高压电极与进气口固定装配，其正电位与阳极筒阵列相连，零电位分别与两个阴极板相连，阴极板与阳极筒阵列之间构成用于抽除气体的腔室，所述阳极筒阵列由多组阳极筒组成，距离进气口越近的阳极筒，半径越大，高度越低，阳极筒上下表面与阴极板之间的间隙越大，距离进气口越远的阳极筒，半径越小，高度越高，阳极筒上下表面与阴极板之间的间隙越小。
2.根据权利要求1所述的一种新型阳极筒阵列的溅射离子泵，其特征在于，所述高压电极与外部直流电源相连，为离子泵提供3000V到7000V的高压，且电压可以调节。
3.根据权利要求1所述的一种新型阳极筒阵列的溅射离子泵，其特征在于，所述阴极板为矩形平面板状结构，其材质主要为钛。
4.根据权利要求1所述的一种新型阳极筒阵列的溅射离子泵，其特征在于，所述阴极板靠近阳极筒阵列一侧的表面镀有钽膜，所述钽膜的厚度为1微米到10微米。
5.根据权利要求1所述的一种新型阳极筒阵列的溅射离子泵，其特征在于，所述壳体为矩形柱体结构，其材质主要为316不锈钢。
6.根据权利要求1所述的一种新型阳极筒阵列的溅射离子泵，其特征在于，所述进气口为筒状管道结构，其材质主要为316不锈钢。
7.根据权利要求1所述的一种新型阳极筒阵列的溅射离子泵，其特征在于，所述磁铁采用矩形柱体结构，其材质主要为铁氧体。
8.根据权利要求1所述的一种新型阳极筒阵列的溅射离子泵，其特征在于，所述阳极筒的截面呈圆形或多边形。
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