CN111344489B - 紧凑型静电离子泵 - Google Patents

Abstract

本公开包括外电极和内电极。外电极限定内容积并且被配置为通过至少一个孔接收注入的电子。内电极定位在内容积中。外电极和内电极被配置为响应于外电极与内电极之间的电势将所接收的电子限制在围绕内电极的轨道中。该设备不包括被配置为生成电子约束磁场的部件。

Description

紧凑型静电离子泵

政府权力

本发明是在由美国陆军合同司令部授予的第W31P4Q-15-C-0093号合同的政府支持下进行的。政府在本发明中有一定权利。

技术领域

本公开涉及离子泵系统，并且更具体地，涉及用于产生真空的离子泵系统。

背景技术

溅射离子泵是被设计为使用溅射从气体介质中去除离子的真空泵。作为一个示例，溅射离子泵可以流体耦接到真空腔室。溅射离子泵利用阳极与阴极之间的强电势从离子泵的阴极发射电子。发射的电子引起背景气体物质(其被电势场加速)的碰撞电离，将这些离子驱入阴极并从气体介质中去除离子以产生真空。溅射离子泵通常使用磁场将电子限制在离子泵内。

发明内容

一般而言，本公开描述了能够产生具有减少的磁干扰的高真空的紧凑型离子泵。描述了利用静电场将电子限制在离子泵内而不使用磁体或磁场的示例离子泵。在一个示例中，离子泵包括与外电极保持在正静电势的内电极。引入到外电极的内容积中的电子被内电极与外电极之间的正静电势限制在内容积内。当电子绕内电极轨道运行时，电子碰撞并电离内容积内的气体分子。正静电势还引起气体离子朝向外电极的内表面加速并吸附到外电极的内表面中。

本文讨论的离子泵可以包括针对改进的离子泵性能的其他设计和操作特征。在一些示例中，外电极的内表面包括被配置为诸如通过从加速的气体离子中屏蔽吸附的气体分子来减少吸附的气体分子的再发射或内表面的原子或分子向离子泵的大气中的喷射的特征。在一些示例中，离子泵可以包括外电极中的孔和电子源，该孔和电子源被配置为以电子轨迹和电子能量将电子引入到内容积中，这可以增加电子的有效行进时间并改进电子对气体分子的碰撞电离。

以这种方式，本文讨论的离子泵可以提供用于在各种用途和应用中产生高真空的技术优势。例如，与使用磁场限制电子的离子泵相比，离子泵可以发射非常低水平的磁干扰，使得可以在靠近离子泵的地方使用敏感的电子器件或其他传感器。作为另一示例，离子泵可以限制具有高行进时间的电子，从而针对特定的泵速使用较少的功率。作为另一示例，离子泵可以减少吸附的气体分子的再发射或内表面的原子或分子向离子泵的大气中的喷射，从而针对特定的泵速使用较少的功率。

在一些示例中，如本文描述的设备包括外电极和内电极。外电极限定内容积并且被配置为通过至少一个孔接收注入的电子。内电极定位在内容积中。外电极和内电极被配置为响应于外电极与内电极之间的电势将接收到的电子限制在围绕内电极的轨道中。该设备不包括被配置为生成电子约束磁场的部件。

在另一示例中，如本文描述的系统包括电子源和电极组件(electrodeassembly)。电子源被配置为注入电子。电极组件耦接到电子源。电极组件包括外电极和内电极。外电极限定内容积并且被配置为通过至少一个孔接收注入的电子。内电极定位在内容积中。电极组件被配置为将电子静电地限制在由电极组件限定的内部容积内。外电极和内电极被配置为响应于外电极与内电极之间的电势将接收到的电子静电地限制在围绕内电极的轨道中。该系统不包括被配置为生成电子约束磁场的部件。

在另一示例中，一种方法包括通过离子泵并从电子源通过至少一个孔接收电子。离子泵包括外电极和内电极。外电极限定内容积并且被配置为通过至少一个孔接收注入的电子。内电极定位在内容积中。该方法还包括通过离子泵在外电极与内电极之间产生电势。该电势被配置为将电子限制在围绕内电极的轨道中。离子泵不包括被配置为生成电子约束磁场的部件。

在下面的附图和描述中阐述一个或一个以上示例的细节。根据说明书和附图以及根据权利要求书，本公开的其他特征、目的以及优点将是显而易见的。

附图说明

图1是示出根据本文讨论的示例的示例离子泵系统的概念性和示意性框图。

图2是示出根据本文讨论的示例的示例离子泵的侧视图。

图3是示出根据本公开的示例的使用吸气剂材料的示例离子泵的泵浦操作的俯视图。

图4是示出根据本公开的示例的示例离子泵内具有各种能量的电子的示例循环轨道的俯视图。

图5是示出根据本文描述的示例的用于离子泵的电子注入角的俯视图。

图6是示出根据本文描述的示例的包括分段的外电极和泵外壳的示例离子泵的俯视图。

图7是示出根据本文描述的示例的使用静电离子泵的示例冷原子传感器的概念性和示意性框图。

图8是根据本文描述的示例的用于使用静电离子泵从流体介质中去除气体分子的示例技术的流程图。

图9和图10是概念验证离子泵的概念图。

图11是具有3.3VDC输入的示例定制电源的电路图。

图12A是示出针对理想化模拟的初始

结果的示图，其中，电子的起始能量和角动量与示例离子泵中的轨道所需的起始能量和角动量相匹配。

图12B是示出针对基于在电子能量和角动量条件下从外部电子束源注入电子以产生10eV至150eV的电子动能摆动的理想化模拟的初始

结果的示图。

图13是示出附加

模拟的结果的示图，其中，基于从外部电子束源注入电子，改变不同的参数以获得长路径长度的轨道。

图14是示出针对Ar离子，根据入射角的钛的溅射产额的曲线图。

图15是示出针对⁴He⁺离子，根据氦离子能量的钛的溅射产额的曲线图。

图16示出了在无磁体离子泵中从内电极到外电极的计算出的对数电势，其参数与表1中的

微型泵模型中所示的参数相似。

图17是包括在内电极与外电极之间的圆柱形栅格的示例离子泵的渲染图。

图18是包括翅片状配置的离子泵的外电极的渲染图的透视图。

图19是图19的外电极的渲染图的剖视图。

图20是具有三维椭圆或椭圆形的一部分的形状的示例外电极的概念性截面图。

图21是包括具有三维椭圆或椭圆形的一部分的形状的外电极和翅片的示例离子泵的概念性剖视图。

图22是示出基于图20所示的无磁体离子泵几何形状的

的飞行时间分布结果的曲线图。

图23A是示出针对图20的离子泵设计的示例单3D电子轨迹的三维曲线图。

图23B是示出针对图20的离子泵设计的在r-θ平面中的示例单电子轨迹的曲线图。

图23C是示出针对图20的离子泵设计的在z轴方向上的示例单电子轨迹的曲线图。

图24是示出针对图20所示的离子泵设计，根据半径的电子分布概率的示图。

图25A和图25B是针对图20的离子泵几何形状，分别针对氦气和氮气的不同注入电子束电流的泵速对有效电子飞行时间的曲线图。

图26是示出相对于外电极、内电极以及电子注入点的电极注入的条件的概念图。

图27示出针对法线为零度的方位角α的注入稳定性图，以及针对不同仰角的电子位置曲线图。

图28A至图28C示出了在不同电子注入能量下针对法线为60°的方位角α的注入稳定性图。

图29是包括大致圆柱形外电极的离子示例泵的渲染图。

图30A和图30B是分别示出了针对图30的示例离子泵的输入电子上的空间分布和1000个电子的初始轨迹的模拟结果的概念图。

图31A和图31B是分别示出针对两种不同的外电极几何形状的计算出的电子轨道的示图：如图29所示的圆柱形外电极和如图20所示的具有圆形顶部和底部的圆柱形外电极。

图32示出了包括含多个翅片的大致圆柱形外电极的示例离子泵。

图33示出了针对包括翅片几何形状的外电极的计算出的电势轮廓。

图34和图35是分别示出了针对两种电子注入能量：10eV和20eV(0.5eV半高全宽(FWHM)分布)并且针对外电极直径分别为16mm和6mm没有电子束发散度以及图21所示的几何形状的有效TOF的曲线图。

图36是示出针对具有图20所示的几何形状和外电极直径分别为16mm和6mm的示例离子泵的内电极电压为1800V且电子注入能量为10eV，计算出的根据电子束发散度(半角)的有效电子TOF的曲线图。

图37是针对具有图20所示几何形状和外电极直径分别为16mm和6mm的示例离子泵的内电极电压为1800V且没有电子束发散度，计算出的根据电子束注入能量的有效电子TOF的曲线图。

图38至图41是示出在装配过程的不同阶段的示例无磁体离子泵的示图。

图42示出了Spindt阴极电子束源的示图。

图43是示出Spindt阴极电子束源的I-V特性的曲线图。

图44是示出针对氮气背景气体的泵浦的第一观察的压力对时间的曲线图。

图45是示出从示例离子泵泵浦氦气的压力对时间的曲线图。

图46和图47是翅片状外电极的示例制造设计的示图。

图48和图49是包括翅片状外电极的示例制造的无磁体离子泵的示图。

图50是示出使用图58和图59的示例无磁体离子泵的泵浦的压力对时间的曲线图。

图51是脉冲泵配置的渲染图，该脉冲泵配置与连续电子束无磁体离子泵相同，但是具有位于形成电子快门的输入孔处的附加网格元件。

图52是示出针对在输入孔处包括网状快门的示例无磁体离子泵，根据电子束脉冲宽度的电子的τ_eff的曲线图。

图53是示出两个生成的电子之间的动能分配的曲线图。

图54是示出针对由入射能量在He电离以上从3eV至40eV的范围内的电子使He碰撞电离，以能量E在散射平面中的典型的角度分布的一系列曲线图。

图55示出了针对在从内电极半径到外电极的距离的2/3半径处的电子中性碰撞的稳定性图。

图56是示出针对不同的起始空间位置的计算出的电子的TOF的曲线图。

图57是针对其中在内电极与外电极之间施加RF电压的示例离子泵的根据径向位置的有效电压的曲线图。

图58是包括无磁体离子泵和冷原子物理腔室的示例集成系统的透视图。

具体实施方式

本文讨论的离子泵可以在紧凑的设计中提供具有非常低水平的电磁干扰的超高真空(UHV)泵浦。

图1是示出根据本文讨论的示例的示例离子泵系统10的概念性和示意性框图。离子泵系统10包括电子源12、离子泵14、控制器16、电子源电源22以及电极电源24；然而，在其他示例离子泵系统中，可以使用更多或更少数量的部件或部件的组合。例如，在一些离子泵系统中，电子源12可以与离子泵14集成连接，而在其他示例中，电子源电源22和电极电源24可以分别与电子源12和离子泵14集成。

离子泵14流体地耦接到电子源12，并且被配置为从电子源12接收电子。例如，离子泵14可以被配置为通过限定注入的电子的行进方向的一个或多个孔接收电子。离子泵14被配置为流体地耦接到诸如真空腔室(未示出)的环境，并且被配置为从环境接收气体分子。离子泵14电耦接到电极电源24。在一些示例中，离子泵14可以通过电极电源24通信地耦接到控制器16，使得诸如电子约束和碰撞电离的离子泵14的操作特性可以通过电极电源24来控制。

离子泵14包括内电极20和外电极18。内电极20和可选的外电极18可以电耦接到电极电源24，并且被配置为从电极电源24接收电压。从电极电源24接收的电压在离子泵14的内容积内的内电极20与外电极18之间产生电势(例如，静电势)。在一些示例中，外电极18接地，使得仅内电极20从电极电源24接收电压。

内电极20和外电极18可以大致同轴或同心。在一些示例中，外电极18限定从外电极18的顶部延伸到外电极18的底部的中心轴。内电极20可以围绕中心轴定位，并且可以平行于中心轴延伸。在一些示例中，外电极18的内表面可以总体上或大致为圆柱形、桶形、蛋形或球形。以这种方式，内电极18和外电极20可以被构造为类似于圆柱形电容器。

离子泵14被配置为将电子静电地限制在由离子泵14限定的内容积内，并使用限制的电子吸附所接收的气体分子。如将在下面的图3中描述的，内电极20与外电极18之间的正静电势将电子静电地限制在围绕内电极20的轨道中。当这些电子围绕内电极20运行时，它们可以碰撞气体分子并使其电离。由于内电极20与外电极18之间的正静电势差，所产生的带正电的气体离子加速朝向外电极18。在碰撞外电极18时，气体离子可以渗透并嵌入外电极18中，或者引起吸气剂材料在外电极18上的溅射。溅射的吸气剂材料可以与反应性气体发生化学反应和/或掩埋惰性气体。以这种方式，离子泵14可以使用静电势差来静电限制电子以引起碰撞电离，加速所产生的气体离子碰撞外电极18，并且通过由溅射的吸气剂材料产生的离子渗透或吸附来去除气体离子。

作为说明，针对惰性气体的离子泵14的泵速可以由以下等式表示：

S＝N_el_eσP_s/1000

在上述等式中，S表示泵速，N_e表示每秒注入的电子的数量，l_e表示电子的平均自由程(cm)，σ表示电离截面(cm²)，并且P_s表示撞击外电极18的气体离子的粘附概率。对于一阶近似，不考虑外部电子器件，离子泵系统10中消耗的功率(P_pump)由电子束电流(I_e)和离子电流(I_ion)确定，使得P_pump＝(I_e+I_ion)×V，其中，V是内电极20与外电极18之间的电势差。针对低压系统(压力<10^－9torr)，I_ion预期较小，为纳安量级，因此即使具有千伏电势，第二项也会最小地增加系统功耗(微瓦)。因此，功耗由离子泵系统10内所需的电子束电流支配。这样，针对给定的泵速，可以通过增加电子的路径长度和/或有效飞行时间、增加电离截面和/或增加气体离子的粘附概率中的任何一种来减少电子源12的功耗(对应于注入的电子的数量)。

电子源12被配置为发射电子。与传统的离子泵不同，离子泵系统10使用外部注入的电子，而不是从限定泵的轮廓的一部分的阴极生成电子。电子源12流体地耦接到电极组件14，使得从电子源12发射的电子的至少一部分被注入离子泵14中。可以使用多种电子源，包括但不限于冷阴极电子束源，诸如Spindt阴极、微尖端、碳纳米管和化学气相沉积(CVD)金刚石膜；热离子电子束源，光电电子束源等。电子源12电耦接到电子源电源22。在一些示例中，电子源12可以通过电子源电源22通信地耦接到控制器16，使得诸如电子能量的电子源12的特性可以通过电子源电源22来控制。

与离子泵系统10的其他部件相比，电子源12可以消耗大量的功率，因为电子可以以高能量发射。在一些示例中，电子源12是Spindt阴极电子束源。Spindt阴极电子束源可以是能够在很宽的温度范围下工作的节能电子源。Spindt阴极可以包括发射电子的MEM制造的冷阴极阵列。例如，Spindt阴极可以包括通过薄膜沉积过程在导电基底电极上形成的微制造金属场发射器尖端。每个发射器尖端可以在加速栅极电极或栅极中具有同心孔，该同心孔通过薄介电层与基电极绝缘。Spindt阴极电子束源可以使用诸如50至100伏特的适度的电压发射电子，并且可以在诸如5至750K的宽范围的温度下操作。在一些示例中，Spindt阴极电子束源可以包括聚焦栅格或电极组，该聚焦栅格或电极组被配置为使电子束的发散度变窄，诸如从25°半宽到小于2°半宽。针对离子泵，Spindt阴极可以大致没有有害影响，诸如从壁的热解吸或光解吸出气或与气体物质的逆反应。

在一些示例中，电子源12被配置为发射具有特定发散度或发散度范围的电子。例如，如将在图5中解释的，电子轨迹可以影响注入到离子泵14中的电子的路径长度和/或有效飞行时间。这样，表现出较低发散度的电子可能不太可能与外电极18和/或内电极20的壁碰撞或通过离子泵14的开口逸出，从而导致较高的有效飞行时间。在一些示例中，电子源12被配置为发射具有小于20°的发散度的电子。

在一些示例中，电子源12被配置为发射具有特定电子能量或电子能量范围的电子。如将在图3中解释的，气体的电离截面可以是电子能量的函数，使得为目标背景气体选择适当的电子能量可以增加电离截面，并且从而增加电子将电离背景气体的气体分子的可能性。电子能量还可以与电子耦接到电子轨道中的能力或倾向相关联。这样，电子源12可以被配置为例如从电子源电源22接收表示特定电子能量或电子能量范围的功率，并且发射具有特定电子能量或电子能量范围的电子。在一些示例中，电子源12被配置为发射具有在约10eV与约200eV之间，诸如在约70eV与约150eV之间的电子能量的电子。

在一些示例中，电子源12被配置为发射具有特定发射定时的电子，诸如脉冲、突发或其他门控发射。例如，如将在图2中解释的，离子泵14可以被配置为在第一状态期间接收电子并且在第二状态期间限制电子。这样，电子源12可以被配置为在第一状态期间周期性地接收功率，从而将电子发射到离子泵14中，并且在第二状态期间停止接收功率，从而停止将电子发射到离子泵14中。在一些示例中，电子源12被配置为发射具有在约10ns与约1μs之间的注入持续时间和在约1μs与约1ms之间的注入周期的电子。可以根据离子泵中的电子寿命时间来选择注入持续时间和/或注入周期，其中，电子寿命时间对应于电子针对其轨道下降并与泵电极碰撞之前的轨道的数量。

系统10包括控制器16。控制器16通信地耦接到电子源电源22和/或电极电源24。

控制器16被配置为诸如通过电极电源24控制外电极18与内电极20之间的静电势差。例如，控制器16可以被配置为将电极控制信号发送到电极电源24，该电极电源24对应于内电极20与外电极18之间的正静电势。

在一些示例中，控制器16可以基于由静电势差产生的特定离子能量或离子能量范围来控制静电势差。例如，如上所述，可以通过增加气体离子对外电极18的粘附概率来增加离子泵14的泵速。可以通过增加外电极18的溅射速率来增加气体离子在离子泵14中的粘附概率，因为溅射可以导致吸气剂材料与反应性气体键合或由吸气剂材料掩埋惰性气体。吸气剂材料的溅射速率可以是离子能量的函数，使得选择对应于与较高溅射速率相关联的离子能量的静电势差可以增加离子泵14的泵速。在一些示例中，静电势差被配置为在内容积中产生约500eV与约3keV之间的氦气的离子能量。在一些示例中，离子能量至少为1keV。在一些示例中，可以选择由静电势差产生的特定离子能量或离子能量范围用于吸气剂材料的溅射产额，其中，溅射产额是针对每个入射离子溅射的吸气剂材料原子的数量。

在一些示例中，控制器16被配置为基于注入到离子泵14中的特定电子能量或电子能量范围来控制静电势差。例如，针对特定电子能量，一定范围的静电势差可以导致具有该电子能量的电子的改进的飞行时间(例如，增加的平均路径长度)。

在一些示例中，控制器16被配置为诸如通过电子源电源22来控制电子源12的电子能量。例如，控制器16可以被配置为将电子源控制信号发送到电子源12，该电子源控制信号表示电子源12的电子能量、注入持续时间或其他电子发射特性。在一些示例中，控制器16还被配置为控制电子源发射具有在约70eV与约150eV之间的电子能量的电子。

围绕内电极20旋转的最大电荷可以小于内电极20上的最大束缚正电荷(以减少或基本上防止空间电荷问题使俘获电势失真)。圆柱形电容器上的束缚电荷由Q_e＝2πε₀V₀L/ln(R₀/R_a)给出，其中，V₀是内电极20与外电极18之间的电势差，单位为伏特，L是外电极18的高度，单位为米，以及R₀/R_a是外电极18和内电极20的半径之比。将循环电子电荷限制在小于束缚电荷的二分之一(以减少或基本上防止俘获电势的空间电荷失真)，可以获得泵速的上限。利用Ne_max＝Q_e/2e重铸泵速等式，泵速可以表示为S＝(Q_e/2e)v_eσP_s/1000，其中，e为电荷，并且v_e为电子速度，单位为cm/s，并且泵速可以由泵的几何因子确定。

表1示出了针对外容积约为30cm³的示例离子泵以及针对外容积约为1cm³的示例离子泵的泵几何形状和泵速，最后一列是为初始

建模选择的下面将讨论的几何形状(

是一种场和粒子轨迹模拟器软件，可以从Scientific InstrumentServices，Inc.，Ringos，New Jersey获得)。所有泵都保证泵速大于0.01l/s。注意，外泵容积假设为1毫米厚的壁；更大的泵容积和更高的泵速是由于增加了内电极表面积和泵高度。还要注意，假设电子轨迹约为100米，则在没有电子器件的情况下，计算出的1cm³离子泵的功耗小于5mW。

表1

这示出本文描述的离子泵结构在期望的容积和泵速方面提供了很大的希望，所有这些都没有冷原子失真磁场。从给定的泵速，通过观察电子束电流与电子平均自由程N_el_e之间的交易(trade)，可以获得泵浦功耗的界限。针对约100米的电子轨道(1cm³的外容积泵浦为104个轨道)，可以示出需要约4μA的电子束电流来维持泵速，给定小于5mW的泵浦功耗，不包括外部电子器件。这与短路径长度线性配置相反，其中，使用10毫安的束电流和10瓦特的功率。

控制器16的进一步操作将在图8中描述。

本文所述的离子泵可以具有各种配置和特性以改进离子泵的泵浦操作，诸如改进泵速，减小泵浦功率或减小泵尺寸。图2是示出根据本文描述的示例的示例离子泵110的侧视图。离子泵110包括外电极112和内电极114。离子泵110、外电极112以及内电极114可以操作地类似于图1的离子泵系统10的离子泵14、外电极18以及内电极20。

外电极112和内电极114被配置为响应于外电极112与内电极114之间的静电势将所接收的电子限制在围绕内电极114的轨道中。外电极112限定内容积116。外电极112被配置为通过至少一个孔118接收注入的电子。例如，至少一个孔118可以包括用于诸如从图1的电子源12接收电子的入口和用于将所接收的电子排放到内容积116中的出口。示例离子泵110包括单个孔118；然而，可以使用多于一个的孔，诸如在外电极112的顶部处或附近的孔以及在外电极112的底部处或附近的孔。外电极112包括限定内表面124的壁122和延伸穿过壁122的至少一个孔118。外电极112还限定从外电极112的顶部延伸到外电极112的底部的中心轴120。孔118限定电子围绕中心轴120的行进方向。内电极114定位在内容积116中，使得限制在内容积116内的电子可以围绕内电极114轨道运行。在一些示例中，内电极围绕中心轴120定位。

在一些示例中，孔118可以被配置为减少由孔118到内容积116的出口引起的静电势的失真。例如，孔118的出口与内表面124相交，并且在内表面124上形成没有外电极112材料的区域。该区域可以局部地使静电势失真，并导致用于孔118的出口附近通过的电子的轨道改变。在一些情况下，在孔118的出口附近通过的电子的轨道可以被转道到这样的程度，使得电子撞击外电极112或内电极114，并且有效飞行时间减少。

在一些示例中，孔118可以被定位为靠近外电极112的顶部和底部中的至少一个。例如，在外电极112的顶部或底部附近，电子密度可以较低，使得孔118的出口可以使较少的电子轨道失真。可以降低外电极112的顶部或底部处的电子密度的离子泵110的特征包括但不限于带负电的端盖126、凹形内表面124、以及引导电子远离外电极112的顶部或底部的其他特征。

在一些示例中，孔118的尺寸可以被设计为减少由孔118的出口引起的失真。例如，孔118的出口的减小的尺寸可以导致孔118的出口附近的电子轨道的较小失真，并且因此导致较长的有效飞行时间。在一些示例中，孔118的出口的直径可以小于1mm。在一些示例中，孔118的出口的直径可以小于内表面124的最大直径的10％。

在一些示例中，孔118可以在孔118的出口上方配置有网格。如先前在图1中提到的，诸如电子源12的电子源可以被配置为以脉冲或门控方式发射电子。网格可以与外电极112电绝缘并且耦接到诸如图1的电极电源22的电源。在电子源的电子脉冲期间，网格可以处于具有正电荷的第一电状态，使得从电子源发射的电子可以被加速朝向网格。一旦电子进入内容积116并且电子脉冲停止，则网格可以处于第二电状态，该第二电状态具有与外电极112相同或相似的电荷(例如，接地)，使得电子轨道在网格附近较少失真。这样，针对电子源的相应功耗，电子的飞行时间可以增加。

在图2的示例中，离子泵110包括靠近外电极112的顶部的顶端盖126A和靠近外电极112的底部的底端盖126B(统称为“端盖126”)。端盖126可以被配置为诸如通过将背景气体引导到外电极112的顶部或底部限定离子泵110的内容积116。在一些示例中，端盖126可以被配置为有助于将电子限制在内容积116内。例如，如上所述，电子可以逸出外电极112的顶部或底部。这样，端盖126可以被配置为接收排斥电子并将外电极112的顶部或底部附近的电子引导回内容积116中的负电荷。

通过施加静电势限制电子并加速电离气体可以使得离子泵110相对于利用磁场的离子泵具有紧凑的尺寸。在一些示例中，离子泵110具有小于约30立方厘米的外容积。在一些示例中，离子泵110具有小于约1立方厘米的外容积。在一些示例中，离子泵110不包括被配置为生成电子约束磁场的部件。例如，由离子泵110生成的可测量磁场可以限于由循环电子产生的磁场。在一些示例中，离子泵110被配置为产生小于1G，诸如小于10μG的磁场强度。

外电极112包括面向内容积116的内表面124。外电极112的内表面124可以具有多种形状。在一些示例中，内表面124可以具有总体上圆柱形形状，该圆柱形形状具有对应于内容积116中电子的一般轨道平面的径向分量。例如，电子可以在中心轴120处围绕内电极114轨道运行，使得内表面124可以具有径向分量以适应电子的轨道。在一些示例中，内表面124可以是圆柱形、桶形、蛋形、球形或具有围绕轴的径向分量的其他形状。

在一些示例中，内表面124可以具有被配置为减少电子泄漏出离子泵110的形状。例如，端盖126A和126B与外电极112间隔开，使得来自离子泵110外部的背景气体可以进入内容积116。然而，这些空间也可以允许电子从内容积116逸出。为了减少该泄漏，内容积124可以具有在外电极112的轴向中间处的内表面124的直径，该直径大于在外电极112的顶部处的内表面124的直径和在外电极112的底部处的内表面124的直径。外电极112的较小直径的顶部和底部可以为电子逸出提供较小的面积。在一些示例中，内表面124可以在外电极124的顶部和底部附近弯曲，如图2所示。该曲率可以影响静电场的形状，引导轨道电子远离外电极112的相应顶部或底部，从而减少逸出的电子。

内表面124包括被配置为从内容积116吸附气体离子的吸气剂材料。在一些示例中，壁122具有多层，并且吸气剂材料在内表面124处的壁122的层中；在其他示例中，吸气剂材料在整个壁122中是相同的材料。用于选择吸气剂材料的因素包括但不限于溅射产额、反应性等。可以使用多种吸气剂材料，包括但不限于铝、钛、铪、锆、银、铜、钽或金。

在一些示例中，吸气剂材料可以被配置为通过化学吸附来吸附气体分子。在化学吸附中，反应性气体分子与吸气剂材料形成化学键。吸气剂材料可以是具有高反应性的金属，诸如钛、铪或锆。吸气剂材料的反应性可以表示吸气剂材料的高电正性。在一些示例中，吸气剂材料是诸如钛的金属，当其作为纯金属薄膜沉积在表面上时，该金属与大多数气体发生化学反应。可以由吸气剂材料泵浦各种反应性气体，包括但不限于二氧化碳、一氧化碳、氮气、水蒸气、氢气、氧气等。

在一些示例中，吸气剂材料可以被配置为通过物理吸附来吸附气体分子。在物理吸附中，惰性气体分子可以被吸气剂材料捕获，诸如通过将气体分子掩埋在吸气剂材料中，将气体分子俘获在吸气剂材料中(例如，通过溅射和随后由吸气剂材料涂覆)，和/或气体分子通过吸气剂材料中的缺陷扩散(例如，进入空隙)。吸气剂材料可以是具有高溅射产额的材料，例如钛、银、铜或金。吸气剂材料的溅射产额可以表示在特定离子能量下以垂直入射撞击吸气剂材料的每个气体离子的吸气剂材料的喷射粒子的数量。在一些示例中，吸气剂材料具有大于约0.01的溅射产额，其中，溅射产额表示在0.5keV的离子能量下以垂直入射撞击吸气剂材料的每氦离子从吸气剂材料喷射的粒子的数量。可以由吸气剂材料泵浦各种惰性气体，包括但不限于氦气、氩气、氖气、氙气等。

在一些示例中，离子泵110包括多于一种类型的吸气剂材料。例如，诸如由于气体离子的离子能量、气体离子的入射角、对气体离子的屏蔽等，离子泵110的某些表面可以更有利于吸附反应性气体，而离子泵110的其他表面可以更有利于吸附惰性气体。在一些示例中，内表面124包括第一吸气剂材料和第二吸气剂材料。第一吸气剂材料可以更多地暴露于更高能量的离子，并且因此可以具有比第二吸气剂材料更高的反应性。第二吸气剂材料可以较少地暴露于较高能量的离子，或者可以暴露于具有更适合于溅射的离子能量的离子，并且因此可以具有比第一吸气剂材料更高的溅射产额。

图3是示出根据本公开的示例的使用吸气剂材料的示例离子泵210的泵浦操作的俯视图。离子泵210的类似部件可以操作地类似于图2的离子泵110的类似部件，使得外电极212、内电极214、外电极212的内容积216、穿过外电极212的孔218、外电极212的中心轴220、外电极212的壁222以及外电极212的内表面224可以对应于图2的外电极112、内电极114、内容积116、孔118、中心轴120、壁122以及内表面124。

来自电子源(未示出)的电子通过孔218注入到内容积216中，进入围绕内电极214的轨道中。这些电子在围绕内电极214的轨道中行进，直到电子与离子泵210的部件碰撞，或者遇到中性气体分子。这些中性气体分子可以包括反应性气体和/或惰性气体。在遇到中性气体分子时，电子在碰撞时电离气体分子，如碰撞电离事件226所示。电子可以具有被选择用于改进气体物质的碰撞电离截面的电子能量。例如，适用于氦气和氮气的电子能量可以在约70eV至约150eV的范围内。如上所述，可以选择诸如电子能量和/或电子轨迹的电子特性以增加电子的有效飞行时间，使得电子更有可能引起与中性气体分子的碰撞电离。

一旦被电离，这些气体离子携带正电荷，并且在内电极214与外电极212之间的静电势的影响下加速朝向外电极212的内表面224。例如，内电极214的正静电势可以使正气体离子加速远离内电极214。该静电势驱动气体离子进入内表面224。气体离子进入内表面224的吸气剂材料的碰撞可以导致发生一个或多个过程。

在一些情况下，诸如在气体离子具有足够的离子能量的情况下，气体离子可以以足够的能量碰撞吸气剂材料，以引起新鲜的、反应性吸气剂材料在内表面224上的溅射，如溅射事件228所示。该溅射吸气剂材料可以沉积在溅射事件228的位置的视线表面上，该视线表面包括内电极214、外电极212的表面以及形成离子泵210的主体的一部分的其他暴露表面。例如，溅射的吸气剂材料可以在溅射原子的近余弦分布的溅射事件228的位置的视线内的表面上形成薄膜涂层。用于由氦离子有效溅射钛的离子能量可以在约500eV至约3keV的范围内。

离子泵210通过化学吸附和物理吸附泵浦背景气体分子，如以上图2所述。在一些情况下，反应性气体可以主要通过与吸气剂材料形成化学键的气体分子的化学吸附来泵浦，如化学吸附事件230所示。例如，吸气剂材料可以提供用于键合到反应性气体物质的高反应性膜。在一些情况下，诸如氦气的惰性气体可以主要通过离子泵210的外电极312、内电极214以及其他内部暴露表面对气体分子的物理吸附来泵浦。电离的惰性气体原子可以诸如通过物理吸附掩埋事件232中和并被溅射的吸气剂材料掩埋。例如，惰性气体原子可以被新溅射的吸气剂材料掩埋。在一些示例中，电离的惰性气体分子可以诸如通过物理吸附嵌入事件234中和并嵌入吸气剂材料中。例如，惰性气体原子可以渗透到吸气剂材料的一个或多个原子层中并嵌入吸气剂材料的晶格中。

在一些示例中，离子泵210可以通过增加吸气剂材料的溅射来增加泵速。如上所述，溅射可以由电离的气体粒子轰击内表面224引起。溅射的材料沉积在离子泵210的位于溅射事件的位置的视线内的所有内表面中，遵循近余弦空间分布。这样，任何轰击角度、离子

在一些示例中，圆柱形栅格可以定位在外电极212与内电极214之间。外电极212与内电极214之间的正静电势可以产生基于离内电极214的离子形成距离而变化的离子能量，因为静电势可以随着从内电极214到外电极212的径向距离而对数地减小。例如，由内电极214附近的电离事件产生的气体离子可以具有明显高于由外电极212附近的电离事件产生的气体离子的离子能量。在内电极214与外电极212之间的这种对数电势分布可以足以允许具有各种能量和角动量的电子的稳定循环轨道，而无需使用用于电子俘获的磁场。例如，如图4所示，图4是示出根据本公开的示例的示例离子泵内具有各种能量的电子的示例循环轨道的俯视图。如图4所示，外电极212具有外电极半径R_o，内电极214限定内电极半径R_a，并且电子以注入半径R_i和注入角θ注入。较低能量的电子可以具有最小轨道132，而较高能量的电子可以具有最大轨道134。最小轨道132和最大轨道134分别通过与内电极214和外电极212的碰撞来限定，并且因此限定针对施加到内电极214的给定电压、注入半径R_i、注入角θ以及内电极214和外电极212的几何形状的有用的最小和最大电子能量。

因此，从内电极214进一步产生的气体离子可以导致内表面224的吸气剂材料中的溅射量减少。为了增加具有降低的对与内电极214的径向距离的依赖性的气体离子的离子能量，可以在外电极212与内电极214之间定位带正电的栅格，以使带正电的气体离子朝向外电极212加速。带正电的栅格可以将气体电离的区域(即，在栅格与内电极214之间)和气体离子加速的区域(即，在栅格与外电极212之间)隔开。这样，栅格可以增加远离内电极214的离子的离子能量和/或对内电极214附近的离子具有调节作用，诸如以优化/改进溅射产额。

在一些情况下，气体离子可以在与内表面214碰撞时引起次级电子发射。除了来自诸如图1的电子源12的电子源的注入的电子之外，这些次级电子发射可以作为电离电子而有助于电离过程。

如上所述，背景气体的化学吸附和/或物理吸附可以通过电子与背景气体分子的碰撞电离而发生。这样，本文讨论的离子泵可以通过气体分子的有效电子碰撞电离来增加泵速。可以通过增加注入离子泵的电子的有效飞行时间来增加电子碰撞电离。图5是示出根据本文描述的实施方式的用于离子泵310的电子注入角的俯视图。离子泵310的类似部件可以操作地类似于图2的离子泵110的类似部件，使得外电极312、内电极314、外电极312的内容积316、穿过外电极312的孔318、外电极312的中心轴320、外电极312的壁322以及外电极312的内表面324可以对应于图2的外电极112、内电极114、内容积116、孔118、中心轴120、壁122以及内表面124。

孔318限定延伸穿过孔318的孔轴326。孔轴326在径向平面中以方位角注入角330和在轴向平面中以仰角注入角(未示出)与内表面324的切线328相交，使得进入内容积316的电子通常以方位角注入角和仰角注入角进入。方位角注入角330和/或仰角注入角可以被选择为以高电子稳定性将电子注入到内容积316中。稳定轨道可以由诸如电子的电子能量和外电极312与内电极314之间的静电势的离子泵310的某些操作参数限定。某些方位角注入角和仰角注入角可以与稳定轨道中较高数量的电子相关联。在一些示例中，方位角注入角330小于约45度。在一些示例中，方位角注入角330在约15度与约30度之间。

在一些示例中，孔318可以注入具有椭圆形轨道的电子。例如，在内电极314附近电离的气体分子可以比在更远离内电极314处电离的气体分子具有更高的离子能量。这样，针对电子路径的至少一部分，椭圆形轨道中的电子可以引起更接近内电极314的电离。另外地或可选地，椭圆形轨道可以提供内容积316的更好填充，从而导致更高的离子能量分布。

如上所述，本文讨论的离子泵可以使气体离子朝向外电极加速，以嵌入气体离子和/或引起吸气剂材料的溅射。然而，在一些情况下，气体离子可以喷射先前掩埋的惰性气体原子，将惰性气体原子再发射到气相中。这样，本文讨论的离子泵可以包括分段的和/或闭塞的外电极，该外电极被配置为减少吸附的气体原子的再发射并增加泵速。图6是示出根据本文描述的实施方式的包括分段的外电极412和泵外壳426的示例离子泵410的俯视图。除非另有说明，否则离子泵310的类似部件可以操作地类似于图2的离子泵110的类似部件，使得外电极412、内电极414、外电极412的内容积416、穿过外电极412的孔418、外电极412的中心轴420、外电极412的壁422以及外电极412的内表面424可以对应于图2的外电极112、内电极114、内容积116、孔118、中心轴120、壁122以及内表面124。

除了提供用于吸附气体离子的吸气剂材料之外，外电极412还被配置为屏蔽被吸附的气体免受碰撞电离。外电极412包括围绕中心轴420轴向分布的多个翅片422。在图6的示例中，多个翅片422基本上平行于中心轴420定向；然而，在其他示例中，多个翅片可以具有弯曲的、螺旋的或其他形状。多个翅片中的每一个翅片包括翅片表面424。除了外电极412之外，离子泵410还包括外壳426。外壳426包括外壳表面428。

多个翅片422被配置为接收气体离子的碰撞并将吸气剂材料溅射到诸如外壳表面428的离子泵14的区域，该区域具有减少的来自气体离子的碰撞的可能性。如图6所示，电子使气体分子电离，如碰撞电离事件430所示。所产生的气体离子加速朝向多个翅片422中的一个，并且引起吸气剂材料在相应翅片的翅片表面处的溅射，如溅射事件432所示。溅射的吸气剂材料沉积在溅射事件432的视线内，但在碰撞电离事件430的视线外。溅射的吸气剂材料可以俘获惰性气体分子，如物理吸附事件434中所示，降低惰性气体分子可以被气体离子碰撞并再发射到内容积416中的可能性。多个翅片的溅射表面和/或背面可以包括新溅射的吸气剂材料，其可以键合到反应性气体分子，如化学吸附事件436所示。键合的反应性气体原子可以比惰性气体原子在等效点处具有更低的再发射可能性。

除了屏蔽吸附的气体分子免受再发射之外，多个翅片422可以被配置为增加外电极412的溅射产额。吸气剂材料的溅射产额可以是气体离子在翅片表面424上的入射角的函数，使得溅射产额通常可以随着气体离子相对于法线的入射角的增加而增加。例如，针对从翅片表面424的法线小于70°的入射角，溅射产额可以以大约

增加，其中，

是气体离子相对于法线的入射角。多个翅片422中的每一个翅片可以轴向旋转以增加内容积416中的气体离子的有效入射角。该增加的入射角可以增加吸气剂材料的溅射量和/或使吸气剂材料以将溅射的吸气剂材料放置在具有减少的来自气体离子的碰撞的可能性的位置处(诸如外壳426)的角度溅射。

在一些示例中，可以选择多个翅片422中的一些翅片以改进电子行进。例如，多个翅片422可以引起外电极412的静电势的失真，使得在多个翅片422附近行进的电子可以具有失真的轨道。较大数量的较小翅片可以诸如通过在翅片之间具有较小的槽在外电极412附近的轨道中产生减小的失真。

在这些示例中，翅片表面424可以包括电极吸气剂材料，并且外壳表面428可以包括不同于电极吸气剂材料的外壳吸气剂材料。在一些示例中，离子可以穿过翅片422或从翅片422反弹，撞击外壳表面428并产生外壳吸气剂材料的溅射。通过施加在翅片422与外壳426之间施加的静电势，这些离子可以被进一步加速，这可以增加它们的能量并增加外壳吸气剂材料的溅射。在一些示例中，电极吸气剂材料包括钛、铪以及锆中的至少一种，而外壳吸气剂材料包括银、铜或钽中的至少一种。

本文描述的离子泵可以用于各种应用中，诸如原子钟、陀螺仪、加速度计、导航单元或超低真空传感器。在一些示例中，本文描述的离子泵可以允许以便携式尺寸和重量实现原子钟、陀螺仪、加速度计、导航单元或超低真空传感器。在一些示例中，本文描述的离子泵可以用于冷原子传感器中。冷原子传感器可以用于紧凑型惯性导航系统中，在GPS受限的环境中具有全球定位系统(GPS)级别的精度。例如，冷原子传感器可以在超高真空(UHV)条件下(即P<10^-9torr)建立和维持冷原子传感器的物理封装，以实现所需的传感器性能。由于氦气和其他气体的渗透，冷原子系统利用从传感器容积主动泵浦气体。图7是示出根据本文描述的实施方式的使用静电离子泵的示例冷原子传感器510的概念性和示意性框图。冷原子传感器510包括容纳在密封壳体522中的离子泵512、电子源514、物理腔室516、碱源518以及吸气剂520。通过使用如本文描述的静电离子泵，传感器510可以具有减小的容积，例如小于约25立方厘米。

密封壳体522限定传感器510，并且被配置为在密封环境中容纳传感器510的部件。例如，密封壳体522可以是具有由玻璃板覆盖以形成腔室的微加工或蚀刻空腔的平面的整体衬底。该腔室通过微通道和孔彼此流体耦接，以形成互连腔室的布置，用于差动泵浦一定范围的压力，例如10-7至10-10torr。例如，衬底可以是硅衬底，并且玻璃板可以是阳极键合到硅衬底上的Pyrex玻璃板，以形成被配置为用于非常低的真空压力的密封。这样的密封壳体522可以允许稳健的超高真空兼容阳极键合、材料处理以及烘烤过程，其允许密封壳体522与其他玻璃/硅冷原子真空电池和系统直接集成，而无需使用不透氦气的玻璃或陶瓷。在一些实施方式中，可以使用玻璃和陶瓷，诸如铝硅酸盐玻璃、蓝宝石等。

腔室可以容纳传感器510的各种部件，诸如离子泵512、冷原子物理腔室516以及与冷原子物理腔室516相关联的各种光学器件。冷原子物理腔室516流体地耦接到离子泵512，使得冷原子物理腔室516可以处于非常高的真空。在这样的真空中，激光限制的“冷原子”允许具有高分辨率、灵敏度以及长寿命操作的精密传感，因为感测元件碱原子的量子态没有与周围环境的有害相互作用，包括与缓冲气体、细胞壁或磁场的相互作用，所有这些相互作用都使感测原子的状态失真。在一些示例中，冷原子物理腔室516可以限定数十立方厘米数量级的容积，诸如约25cm³。

传感器510包括各种腔室，该腔室包括被选择来吸附特定气体的吸气剂材料。碱金属源518被配置为在物理腔室中分配用作感测元件的原子或元素。源518可以分配诸如铷、铯、钠的碱金属；诸如钙、锶的碱土金属；以及诸如镱的镧系元素。气体吸气剂520被配置为吸附包括惰性气体和反应性气体的气体。吸气剂520还可以通过适当地选择材料从碱源518吸附过量的碱原子；这样的材料是黄金。这样，气体吸气剂520可以去除可能使传感器510的各个腔室的压力恶化的污染气体。

离子泵512可以与离子泵14、离子泵110、离子泵210、离子泵310或离子泵410类似或基本上相同。离子泵512可以是相对较低的尺寸、重量、功率和成本(SWAP－C)，并且能够将冷原子物理腔室516抽真空到超高真空(例如，小于10^-9torr的压力)。离子泵512可以例如通过形成为同一衬底或密封壳体522的一部分直接与冷原子物理腔室516集成，并且不会产生使在冷原子物理腔室516中执行的物理失真的磁场。以这种方式，离子泵512和传感器510可以实现紧凑的系统，诸如惯性导航系统等。

在一些示例中，离子泵512可以限定数十立方厘米(例如，约30cm³)数量级的内容积和每秒十分之一升(例如，约0.1l/s)数量级的氦原子的泵速。假设平均电子路径约100米，则这样的离子泵512可以具有相对低的功耗，诸如小于约100mW。在其他示例中，离子泵512可以限定小于立方厘米数量级的内容积和每秒百分之一升或十分之一升(例如，约0.01l/s)数量级的氦原子的泵速。假设平均电子路径约100米，则这样的离子泵512可以具有相对低的功耗，诸如小于约10mW。

图8是根据本文讨论的实施方式的用于使用静电离子泵从流体介质中去除气体分子的示例技术的流程图。将参考图1描述图8的方法；然而，可以使用其他系统来执行图8的方法。

该方法包括通过离子泵14在外电极18与内电极20之间产生静电势(600)。例如，控制器16可以将控制信号发送到电极电源24，以将电压发送到离子泵14，以在外电极18与内电极20之间产生静电势。控制器16可以选择静电势以产生用于溅射外电极18的吸气剂材料的诸如在0.5keV至3keV的范围内的离子能量。

该方法还包括通过离子泵14并从电子源12通过外电极18的至少一个孔接收电子(610)。例如，控制器16可以将控制信号发送到电子源电源22，以将电压发送到电子源12以发射电子。在一些示例中，控制器16可以选择电子能量以增加离子泵14中的电子的电离截面。

该方法还包括控制静电势和电子能量以将电子限制在围绕内电极20的轨道中(620)。例如，控制器16可以例如从外部计算装置接收表示期望的泵速的信号。响应于接收到信号，控制器16可以将控制信号发送到电子源电源22和/或电极电源24中的任何一个，以控制电子的电子能量、电子的电子发射的定时、外电极18与内电极20之间的静电势以产生期望的泵速和/或静电势的定时(例如，脉冲操作以减少占空比)。

图9和图10是概念验证离子泵概念图。图9示出了作为用于包括外电极702和内电极704的离子泵的电子源的Spindt冷阴极706的结合(安装在TO-5集管上以便于处理)。图10示出了用于包括外电极802和内电极804的离子泵的热灯丝电子源806的结合。概念验证泵的设计理念是：1)利用已知的制造方法用于实现高效的泵结构；2)在可能的情况下，使用包括Pyrex和硅的类似的材料和部件，这将在未来的小型化计划中实现，进一步降低在过渡到小型化阶段时的风险；以及3)将泵的容积与现有的真空表征站大致匹配，以便对泵速进行有意义的测量。概念验证泵在开发原型中没有使用不透氦气的玻璃，而是专注于易于形成高质量超高真空键的材料。

离子泵表征可以使用商业离子压力计将氦气和氮气作为用于泵浦的背景气体的源，通过典型的差动泵技术测量泵速和背景压力来进行。

从Scientific Instrument Services，Inc.，Ringos，New Jersey可获得的

场和粒子轨迹模拟器软件以及CPO带电粒子光学软件两者都可以用于调查设计交易空间和缩放问题，指导泵的详细几何形状，并验证泵浦结果。通过SolidWorks CAD图纸的输入，

和CPO可以用于基于电子注入和端盖几何形状的细节选择概念验证设计，并以有效的电子注入和俘获作为用于成功的指南。

和CPO也可以用于了解概念验证的设计容差，包括角度和能量分布的电子注入容差。

和CPO可以用于了解缩放至cm³以下的尺寸时的任何问题，包括电子注入角度的泵容差和俘获路径长度上的能量，以及了解外电极上的离子能量分布。CPO可以用于了解空间电荷问题的界限。

下面的表2总结了最终设想的无磁体离子泵的功耗。通过效率为40％的DC-DC电压转换器，包括高压电子器件的整个UHV泵系统的功耗低于12.5mW。

项	电流(μA)	电压(V)	功率(mW)
				泵内电子束电流循环	4	1200	4.8
<![CDATA[离子电流(泵内(P&lt;10<sup>-9</sup>torr)]]>	0.01	1200	0.012
				Spindt阴极到外电极注入孔	10	10	0.1
离子泵功耗			4.91
				包括电源的总功耗			12.5

表2

在计算功率预算的基础上，需要长路径长度的电子轨迹来维持泵速大于约0.01l/s。针对这种情况，假设电子轨迹约为100米，以满足尺寸、重量、功率以及性能指标。增加的路径长度轨迹被转化为更有效的泵浦和更低的功耗。这就是理解小型化的贸易空间是重要的原因，包括旨在维持大路径长度轨道以防止注入的电子能量和角度根据泵浦尺寸的变化的建模和分析。

泵的操作使用两个电源，一个用于阳极，并且一个用于Spindt阴极电子束源。阳极使用高压电源，针对微型泵，该高压电源可以约为1.2kV和电流约为4μA(针对功耗约为5mW)。Spindt阴极使用约60V至约100V范围内的电源和仅约0.1mW的输出功率。

商用高压电源(DC-DC转换器)的输出效率为40％。例如，针对Spindt阴极电源电压，可从XP EMCO，SutterCreek，California获得微型电源，该微型电源可以在0V至100V的范围内调节，并且在最大额定输出功率下具有40％的效率。这些都是具有最大输入电压为5VDC的比例DC-DC转换器，因此3.3VDC操作是合适的。原则上，该电源将能够在3.3VDC下操作，并提供66V输出以驱动Spindt阴极。

针对阳极电源电压，XP EMCO提供了一个示例COTS微型高压电源(DC-DC转换器)，该微型高压电源输入电压为5VDC，并且可变输出电压为0V至2kV，并且电流最高为2μA。图11是具有3.3VDC输入的示例定制电源的电路图。这种设计可以包括驱动MOSFET的低占空比脉冲振荡器，该MOSFET切换3.3VDC电源，耦接到高压变压器和整流器/乘法器矩阵。电压倍增器的一个示例是Cockcroft-Walton(CW)发生器，该发生器从低AC电压产生高DC电压。初步计算示出设计具有1.2kV和4μA输出的高压电源的电势，针对固定输出电压，该电源的效率大于40％。获得高效率的一个方面是以非常低的占空比切换MOSFET。与图11中类似的设计也可以用于Spindt阴极电子束电源。

如上所述，长路径长度的电子轨道有助于降低离子泵的功耗。

模拟用于研究在具有尺寸与本文描述的示例1cm³外部容积离子泵相当的几何形状中，电子在小尺度对数势阱中可以被俘获多长时间。第一个模型是理想化的模拟，其中，电子的起始能量和角动量与轨道所需的能量和角动量相匹配。该模拟的结果如图12A所示。这种理想化的模拟示出了非常长的圆形轨道传播长度(大于50km)。图12B是示出针对基于在电子能量和角动量条件下从外部电子束源注入电子以产生10eV至150eV的电子动能摆动但导致大于20米的路径长度的理想化模拟的初始

结果的示图。

图13是示出附加

模拟结果的示图，其中，基于从外部电子束源注入电子，改变不同参数以获得长路径长度的轨道。该模型示出，俘获轨道是椭圆形的，而不是圆形的，如图12A所示的第一理想化模型。椭圆形轨道可能是最终优选的，提供更好的容积填充并导致更高的离子能量分布。模拟还预测了适用于碰撞电离的电子能量在70eV至150eV的范围内。该结果示出电子俘获超过20米。如(以上)表2所示，约100米的电子轨迹提供杠杆臂，以实现低尺寸、低重量以及低功率的超高真空无磁体离子泵。在这些低压状态下，由于平均自由程为10’s km至100’s km，因此可以为甚至更长的轨迹设计泵容积。

泵速还可以取决于外电极吸气剂材料的溅射产额。表3示出了根据针对受关注的材料的垂直入射的离子能量的实验溅射产额，钛是最常见的材料。溅射产额被定义为平均喷射粒子的数量与入射粒子的数量之比。针对

小于70°，溅射产额也随着

增加，其中，

是离子相对于法线的入射角，并且

大于70°时，溅射产额非常迅速地下降至零。

表3

图14是示出针对Ar离子，根据入射角的钛的溅射产额的曲线图。图14示出了针对约70°的角度，溅射产额增加了约2倍。氦气根据入射角也示出了相同的行为。因此，以角入射溅射有利于提高泵性能。内电极与外电极之间的电势提供了用于加速离子的能量。在传统的具有磁体的溅射微型离子泵中，典型的加速电势约为3.3kV，并且电极吸气剂材料为钛。在1keV至3keV的离子能量范围内，钛针对氦离子(⁴He⁺)的溅射产额近似恒定，并且具有约为0.07的值，该溅射产额约为氮气在3keV时溅射产额的20％。注意，针对具有磁体的传统溅射离子泵，针对氦气的泵速约为针对氮气的泵速的20％至25％，与溅射速率差相关。针对本文描述的离子泵，不需要具有1.5keV以上的离子能量用于足够的氦气泵浦。此外，如图15所示，针对大于3keV的能量，钛针对氦离子的溅射产额开始下降。

图16示出了在无磁体离子泵中从内电极到外电极的计算出的对数电势，其参数与表1中

微型泵模型中所示的参数相似。注意，离子将被加速到的能量取决于径向上离子形成的位置。最接近内电极的形成允许更高的离子能量，有利于溅射。考虑到500eV作为用于有效溅射的最小能量，对应于氦离子(参见图16)对钛的峰值溅射产额的约50％，针对1200V，用于离子加速的半径约为0.5mm(深色阴影区)。这种对数电势为长电子路径长度轨迹提供了如此强大的优势，也为吸气剂提供了主要损害。即，平均而言，离子将具有小于全部能量的能量，并且因此当撞击外电极时，溅射速率较低。

这种损害可以以多种方式中的一种或多种方式来解决。例如，如图12B和图13所示，椭圆形电子轨道可以用于有利于接近内电极的气体分子的电离(提供离子在电场上增加的加速度)。

作为另一示例，如参考图3所述，网格可以包括在内电极与外电极之间。图17是包括在内电极1004与外电极1002之间的圆柱形栅格1006的示例离子泵1000的渲染图。栅格1006允许分离用于气体分子电离的区域(在从内电极1004到栅格1006的区域中)，而独立于对外电极1002的离子加速(在从栅格1006到外电极1002的区域中)。这样的结构可以允许完全的离子能量增益，而独立于离子形成的位置。

为了减少或基本上最小化掩埋的惰性气体的再发射，可以使用分段的或翅片状的外电极，其可以被称为闭塞配置。图18是包括翅片状配置的离子泵的外电极1100的渲染图的透视图。图19是图18的外电极1100的渲染图的剖视图。如图18和图19所示，外电极1100可以包括顶环1102、底环1104以及在顶环1102与底环1104之间延伸的多个翅片1106。如图19所示，多个翅片1106中的每一个翅片相对于顶环1102和底环1104的圆周(内圆周或外圆周)成角度，并且在多个翅片1106的相邻翅片之间存在空隙。然而，在一些示例中，从由外电极1100限定的圆的中心到围绕该中心的任何角度位置处的顶环1102的外圆周的半径将与多个翅片1106中的翅片相交。多个翅片1106导致高能量离子以一定角度撞击外电极1100(例如，外电极1100的翅片)，并且高能量离子撞击的表面被多个翅片1106的相邻翅片部分地遮挡。这可能导致溅射的吸气剂材料的至少一些沉积在相邻翅片的背面(外侧)上，脱离高能量离子的视线。由于离子以相对于翅片的法线的角度入射，因此该配置可以增加溅射产额。金属诸如钛的3D打印技术能够以相对较低的成本制造这些复杂的结构。

在一些示例中，外电极的内壁的总体上圆柱形形状可以包括桶形形状，诸如三维椭圆或椭圆形的一部分或者具有朝向圆柱体的中心轴逐渐变窄的顶端和底端的圆柱体。例如，图20是包括具有三维椭圆或椭圆形的一部分形状的外电极1202的示例离子泵1200的概念性截面图。外电极1202包括顶部1204和底部1206，其中，外电极1202的内壁朝向外电极1202的中心轴向内逐渐变窄。外电极1202还限定孔1208，电子通过孔1208被注入到由外电极1202限定的离子泵1200的内容积中。孔1208可以位于外电极1202的任何位置。在图19的示例中，孔1208位于外电极1202的顶部1204中。孔1208连接到由通道壁1210限定的通道。孔1208的位置和外电极1202的弯曲内壁的存在可以组合以延长注入的电子的飞行时间。该通道连接到电子源的输出端。

离子泵1200还包括顶端盖1212和底端盖1214，尽管在顶端盖1212与外电极1202之间、底端盖1214与外电极1202之间或两者之间可以存在空隙，但是顶端盖1212和底端盖1214可以基本上封闭离子泵1200的内容积。离子泵1200还包括内电极1216，其可以位于外电极1202的中心轴附近。

在一些示例中，包括限定桶形形状的内壁的外电极，诸如三维椭圆或椭圆形的一部分或者具有朝向圆柱体的中心轴逐渐变窄的顶端和底端的圆柱体，可以与翅片组合。图21是包括具有三维椭圆或椭圆形的一部分形状的外电极1302和翅片1304的示例离子泵1300的概念性剖视图。除了翅片1304之外，离子泵1300可以与图20的离子泵1200类似或大致相同。通过使形成翅片1304的金属(诸如钛)至少部分地溅射在相邻翅片后面，翅片1304可以减少或基本上最小化从外电极1302的吸气剂气体的再发射。

模型用于估计本文描述的离子泵在稳态下的电子密度。从

模拟，通过利用TOF对电子群体进行装箱并确定电子在第i个时间箱中的概率p_i，获得了用于示例离子泵的飞行时间(TOF)直方图。

其中，I_in是注入的电子电流，并且q是电子电荷。设n_i(t)＝n_e(t)p_i，其中，n_e(t)是时间t处泵中的电子的总数量，并且对i求和得到：

在稳态下，电子的数量n_e由下式给出：

其中，有效的TOFτ_eff，由下式给出：

因此，电子密度由下式给出：

其中，V为内部泵容积。

图22是示出基于图20所示的无磁体离子泵几何形状的

的TOF分布结果的曲线图。针对建模，电子源被指定为一组2000个准直电子，这些准直电子从直径为0.5毫米的区域发出，初始能量分布为10eV+/-3eV。注入的电子在纵向上也有初始的空间分布，在起始点处具有+/-0.25mm的变化。通过在0.5μs宽的箱中心使用τ获得TOF分布。尽管数据示出分辨率不影响模拟的TOF，但是低分辨率(LR)和高分辨率(HR)模拟分别对应于具有50μm和20μm两种不同网格尺寸的模拟。给定有效TOFτ_eff为0.723μs，针对0.25μs与9.75μs之间的τ，TOF分布符合幂律y＝Aτ^-1.31。

模拟还提供了径向电子分布，这对于确定要泵浦的气体物质的电离速率很重要。

假设遍历性(一个事件序列的时间平均值与整体平均值相同)，可以通过使用单个电子轨迹获得电子的径向空间分布。图23A是示出针对模拟中的前1000个点(1402)和模拟中的后1000个点(1404)的图20离子泵设计的示例单3D电子轨迹的三维曲线图。图23B是示出针对图20的离子泵设计的r-θ平面中的示例单电子轨迹的曲线图。图23C是示出针对图20的离子泵设计的在z轴方向上的示例单电子轨迹的曲线图。如图23B所示，r-θ平面中的电子轨道在形状上为“三叶草叶”，意味着电子动能根据径向距离而变化。图23C示出了电子轨道在端盖之间在离子泵的轴向上振动。

图23A至图23C中所示的轨迹可以用于计算根据半径r的空间电子分布概率p(r)，该半径r是通过以0.1mm半径增量将电子位置装箱而确定的。图24是示出了针对图20所示的离子泵设计的电子分布概率根据半径的示图。注意朝向外电极的大峰值：这是电子花费最多时间的径向位置，因为它正围绕图23B所示的三叶草叶轨道“转动”。结果示出，在半径约为5.7mm处的电子分布中有大峰值。外电极位于半径约为7.8mm处。

为了计算泵速，首先基于这些电子分布计算电离速率。针对物质s(t^-1的单位)的稳态电离速率Rs由以下等式确定：

其中，p(r)为空间电子分布概率；r_i为内电极的半径；r_o为外电极的半径；σ_s(E)为用于物质s在动能E下的电子诱导电离截面；m_e为电子的质量；ρ_s为气体密度ρ_s＝P_s/k_BT，其中P_s为物质s的分压，k_B为玻尔兹曼常数，并且T为温度；电子的动能仅取决于其位置，因此E＝E₀-V(r)，其中，E₀为注入的电子能量，并且V(r)为内电极与外电极之间的静电势；并且从p(r)和r_s(r)中的容积元素中吸附了2πr元素。

针对物质s的离子电流I_s为qr_s，或：

钛溅射速率T_s由下式确定：

其中，η(E)为溅射产额(从已公布的表中获得)，并且r_s(E)为根据能量的电离速率。E_a由施加在内电极与外电极之间的电势确定。

然后，泵速S由每单位时间溅射的钛原子的数量T_s除以气体密度ρ_s并乘以粘滞系数s₀的比率确定。

应用该模型，计算了针对氦气和氮气的泵速。影响泵浦性能，并且因此影响尺寸、重量以及功率的参数是电极结构内电子的有效TOF(τ_eff)。图25A和图25B分别是针对图20的离子泵几何形状，针对氦气和氮气的不同注入电子束电流的泵速对有效电子飞行时间的曲线图。τ_eff的电流估计值约为1μs。

从电子能量的守恒定律、x-y平面中的电子角动量以及z方向中的电子线性动量，电子轨道根据方位角和仰角注入角以及电子能量进行分类。图26是示出相对于外电极1502、内电极1504以及电子注入点1506的条件的概念图。

图27示出了相对于法线为零度的方位角α的注入稳定性图，以及针对不同仰角的电子位置图。图28A至图28C示出了在不同电子注入能量下相对于法线为60°方位角α的注入稳定性图。轨迹有以下类型：图28A-稳定(波动)，不限于内电极1504(交叉阴影线)，不限于外电极(对角线)，并且禁止(实心)；图28B-稳定(波动)，不限于内电极1504(交叉阴影线)，不限于外电极(水平、对角线、交叉)，并且禁止(实心)；以及图28C-稳定(点)，不限于内电极1504(交叉阴影线)，不限于外电极(水平、对角线、交叉)，并且禁止(波动)。根据这些计算，在稳定轨道上注入的电子的最大比例出现在相对于法线为约67°方位角α且电子能量在内电极偏置电压的约0.3％与约3％之间的电子。电子源在水平方向上可以具有小于约20°的发散半角，但是电子束源在垂直方向上可以具有较大发散的像散。

还针对具有图29所示的几何形状的离子泵执行飞行时间计算。图29是包括基本上圆柱形外电极1602的示例离子泵1600的渲染图。离子泵1600还包括基本上定位在大致圆柱形外电极1602的中心轴处的内电极1604、顶端盖1606、底端盖1608以及孔1610，电子通过该孔1610注入到离子泵1600的内容积中。大致圆柱形外电极1602具有约16mm的直径。

影响注入的电子的TOF的因素之一是由于外电极1602中的孔1610的存在而引起的俘获静电势的失真。这种失真使电子每次在孔1610的附近移动时稍微地改变其轨迹，直到轨道恶化，导致电子碰撞在内电极1604或外电极1602上。将孔1610定位在外电极1602的一端(例如，顶端或底端)附近并且与外电极1602的圆周相切可以减小这种失真。

对建模结果的更详细分析示出，大多数电子在外电极1602的边缘处碰撞或在由外电极1602和端盖1606和1608形成的空隙处逸出。减少在边缘处逸出或碰撞的电子的数量的一种方法是稍微负偏压端盖1606和1608，从而将电子推向外电极1602的中心。

减少电子从两者之间逸出的可选解决方案是通过使外电极1602的顶部和底部朝向外电极1602的中心轴变圆来修改由外电极1602与端盖1606和1608形成的空隙处的电势形状，如图20所示。结果示出，这种几何形状通过限制电子远离空隙和端盖，大大改进了电子的TOF。即使电子被外电极1602的顶部和底部的曲率更好地限制，仍包括端盖1606和1608以用于更好的电子TOF。

图30A和图30B是分别示出了针对两种不同的外电极几何形状的计算出的电子轨道的示图：如图29所示的圆柱形外电极和如图20所示的具有圆形顶部和底部的圆柱形外电极。使外电极的顶部和底部变圆改进了电子的限制，并使通过端盖与外电极之间的空隙逸出的电子的数量最小化。

入口孔的几何形状也影响电子的TOF。图31A和图31B是示出针对两种不同的入口孔尺寸由

建模的电势轮廓的示图。图31A示出了针对直径为1.6mm的入口孔的计算出的电势轮廓，并且图31B示出了针对直径为0.8mm的入口孔的计算出的电势轮廓，分别提供约0.1μs和约0.5μs的有效TOF(τ_eff)。如图31A和图31B中所观察到的，电势在入口孔处失真(失去其径向对称性)。对电子轨道的详细分析示出，当电子经过多次轨道运行后在孔径附近移动时，它们的轨迹发生了变化，达到电子将撞击外部或内电极的程度。与定位在外电极的垂直中心附近的入口孔相比，将入口孔朝向外电极的一端(更接近底端盖或顶端盖)移动改进了有效TOF。

如本文其他地方所述，为了减少或基本上最小化由于离子再溅射而从外电极的子表面再发射先前泵浦的惰性气体(例如氦气)，外电极可以具有翅片结构。使用图32所示的翅片几何形状执行第一模型。图32示出了包括包括多个翅片1704的大致圆柱形外电极1702的示例离子泵1700。建模结果示出，当电子行进到非常接近外电极1702时，电子轨迹受到翅片存在的影响。图33示出了针对包括翅片几何形状的外电极的计算出的电势轮廓。图33示出了这些电势轮廓在外电极附近从基本上完美的圆形改变形状到起伏的配置。通过改变翅片的数量，可以改变这些起伏的频率。包括翅片和圆形上部和下部的外电极在外电极的翅片附近示出类似的起伏电势计数器。

针对图20所示的泵配置，使用

针对无磁体离子泵执行参数分析，针对外电极1202的16mm和6mm直径，解决从cm到mm尺寸的泵缩放(泵容积从16cm³到0.4cm³)。结果示出，按比例缩放是可行的。这说明无磁体离子泵的泵速主要由外部注入的电流而不是泵电极容积驱动。

使用

计算内电极电压和不同电子注入能量对有效电子TOF的影响。图34和图35是分别示出针对两种电子注入能量：10eV和20eV(0.5eV半高全宽(FWHM)分布)的有效TOF并且针对16mm和6mm的外电极直径没有电子束发散度的曲线图，并且分别示出了图20所示的几何形状。结果示出，有用的内电极电压取决于注入的电子的能量，针对10eV的电子能量和1800V的阳极电压获得改进的结果(图34中的左侧曲线和图35中的曲线)。针对16mm的外电极直径(其结果如图34所示)，电子的有效TOF的10％的变化对应于阳极电压从1740V到1920V的变化，示出了针对阳极电源电压的变化的容差。

针对16mm和6mm的外电极直径的结果示出，在约1800V内电极电压下的峰值有效TOF分别为约0.57μs和约0.24μs，表明6mm的外电极直径的性能约为16mm的直径的42％。

图36是示出针对具有图210所示几何形状和外电极直径分别16mm和6mm的示例离子泵的内电极电压为1800V且电子注入能量为10eV，计算出的有效电子TOF根据电子束发散度(半角)的曲线图。图36示出了针对2.5度(半角)发散度，电子的有效TOF有10％的变化。一些Spindt阴极电子束源具有15度的半角发散度，表明某种水平的电子束聚焦可能有利于改进电子TOF性能。然而，针对具有不太严格的泵速要求的应用，为了简化使用没有聚焦电极的Spindt阴极，可以接受降低的性能。

针对固定的内电极电压，还计算了根据电子注入能量的电子的有效TOF。图37是针对具有图20所示的几何形状和外电极直径分别16mm和6mm的示例离子泵的内电极电压为1800V且没有电子束发散度，计算出的有效电子TOF根据电子束注入能量的曲线图。图37表明电子注入能量受益于更严格的控制(+/-0.5eV)，用于电流模型化结构的最佳操作。Spindt阴极电子束源具有小于1eV的能量扩展，因此实现了该控制。

如上所述，示例无磁体离子泵的设计通过使用

的建模来指导。示例离子泵的设计原理是：1)利用已知的制造方法用于有效的泵结构；和2)在可能的情况下，使用包括玻璃和硅的类似的材料和部件，这将在商业措施中实现。泵玻璃和硅部分使用高速金刚石切割机微机械加工并且通过阳极键合来装配。图38至图41示出了在装配过程的不同阶段的无磁体离子泵。

图38是示出内电极1802和钛端盖1804的部分装配的示图。硅衬底1806用于支撑内电极1802和外电极1808(图39)；然而，同时硅衬底1806具有电馈通的功能，以为电极1802和1808提供所需的电势。硅衬底1806可以是具有选择性金属化以形成欧姆接触的非常低电阻率(小于约0.003Ω-cm)的硅晶片。馈通之间的电气隔离通过玻璃层来实现。在图38至图41所示的示例中，硅衬底1806在一侧上测量约为25.4mm。

如图20所示，使用固体外电极制造示例离子泵。图39是示出通过钛的3D打印制造的外电极1808的示图。图39的下半部分示出了外电极1808在高度方向的一半发出。如图39所示，外电极1808的内壁在外电极1808的顶部和底部附近朝向外电极1808的中心轴弯曲。图40示出了包括内电极1802、外电极1808以及外电极馈通1810的离子泵1800在最终阳极键合密封之前的内工作。外电极馈通是侧硅馈通，该侧硅馈通被弹簧加载在电极上。针对该原型，外电极1808由钛圆料加工而成。离子泵1800使用具有CF 1.33inch法兰的玻璃金属过渡1812和1814连接到系统的其他部件，用于泵浦和Spindt阴极电子束源端口。图41示出了包括Spindt阴极电子束源1816和内电极高压馈通1818的完全装配的泵。

图42示出了使用常规过程制造的具有1mm直径的发射面积和约10A/cm²的发射密度的Spindt阴极电子束源的示图。Spindt阴极电子束源安装在TO-5集管上，用于提供机械支撑和电气连接。图43是示出Spindt阴极电子束源的I-V特性的曲线图。在一些示例中，Spindt阴极电子束源可以在60V与80V之间的电压下操作。

将示例离子泵安装到泵速测试设备中并进行真空处理。首先通过形成氦气等离子体来测试示例离子泵的操作，该氦气等离子体可以在大于约10^-5torr的压力下使用CCD照相机直接成像。通过直接测量测试腔室中的压力变化来执行泵特性和泵速测量。实现了一种更灵敏的检测器来测量非常低的压力(低至10^-9torr)下的等离子体强度。该检测器由微型光电倍增管(从Hamamatsu Photonics，K.K.，Hamamatsu City，Shizuoka，Japan可获得)组成，该微型光电倍增管直接定位在示例离子泵一侧上的孔附近。发现等离子体强度与压力之间的相关性被证明是不可靠的；因此，通过直接压力测量来执行表征。

图44是示出针对氮气背景气体的泵浦的第一观察的压力对时间的曲线图。在该实验中，当泵“打开”和“关闭”时，监测测试腔室的压力的变化(由离子压力计测量)。针对该实验，泵以24μA的注入的电流操作至少一小时。操作压力设定为约5×10^-7torr。在图44中由线1902指示的时间，泵被“关闭”，并且在测试腔室中存在压力上升。在这种情况下，泵的“关闭”状态是通过降低内电极电压来实现的，使电子束源仍然打开。一分多钟后，如1904线所示，泵“打开”，并且存在压降，给出了泵浦的明显指示。为了重现性，该实验重复多次。在这些实验中，注入的电流和电极电势没有被优化。

如图45所示，然后用氦气回填泵浦腔室并演示泵浦。图45是示出从示例离子泵泵浦氦气的压力对时间的曲线图。针对该特定实验，测量的压力是“氮气等效压力”。用于氦气的标称校正系数为0.18。通过分别在线2002和线2004表示的时间“打开”和“关闭”泵，使用与上述相同的步骤来测量泵速。各种实验结果示出，泵速性能比由具有非优化泵的模型预测的要好。在实验中，测试腔室的容积约为350cm³。考虑到注入到泵体内的电子，针对约为11μA的注入的电流和约为15mW的功耗，泵速被测量高达约0.3ml/s。用于示例泵的典型工作电压为2.4kV至3.3kV的内电极电压，60V至80V的Spindt阴极电压。为了与10μA的注入的电流的计算出的值相比，计算出的泵速约为0.005ml/s。较大的测量的泵速表明存在其他有益于泵速的物理机制，诸如次级电子，该机制没有包括在初始模型中。

(由GPI Prototype&Manufacturing Services，Lake Bluff，Illinois)使用钛的3D打印制造具有翅片状外电极配置的示例离子泵。图46和图47是翅片状外电极的设计之一的示图，其中，图46示出了3D打印的电极，而图47示出了横截面。如上所述，除了翅片之外，翅片状外电极的上部和下部被圆整以改进电子约束。

为了探索关于最小特征尺寸的3D打印的限制，设计了外电极几何形状的四个不同的变体。已经成功打印出小至75μm的特征。

可以通过3D打印制造各种尺寸的外电极。例如，翅片状外电极可以具有约16mm的外径和约16cm³的泵容积；约9mm的外径和约1cm³的泵容积；或约6mm的外径和约0.4cm³的泵容积。

制造并测试了具有翅片状外电极配置的示例无磁体离子泵。图48和图49是包括翅片状外电极2102的示例制造的无磁体离子泵2100的示图。无磁体离子泵2100还包括电子束注入端口2104、端盖2106、Spindt阴极电子束源2108以及内电极2110。翅片状外电极2102的外径为16mm。在一些示例中，施加到内电极2110的电压可以为约2.4kV，施加到翅片状外电极2102的电压可以为约16V，施加到孔2104的电压可以为约150V，并且施加到Spindt阴极电子束源2108的电压可以为约65V。无磁体离子泵2100安装在CF2.75”法兰上，并且它附接到泵测试站。图50是示出使用无磁体离子泵2100的泵浦的压力对时间的曲线图。

键合电子快门的电子束的脉冲注入可以在无磁体离子泵中轨道运行的电子的有效的电子飞行时间τ_eff方面提供数量级的改进。通过增加占空比，系统交易示出，在该配置下，可以提高性能并降低无磁体离子泵尺寸、重量以及功率。图51是脉冲泵配置的渲染图，该脉冲泵配置与连续电子束无磁体离子泵相同，但是具有位于形成电子快门的输入孔处的附加网格元件。网格连接到电压源。网格上的电压从外电极电势切换到更高的正电势(V_mesh)以提供电子屏蔽作用。该脉冲方案的操作如下。

首先，在电子注入过程期间，网格被偏置正电势，电子加速朝向网格并注入到泵的内部容积中。一旦电子已被注入到轨道，网格就被切换到与外电极相同的电势，使孔对于轨道上的电子基本上是不可见的。电子注入后，Spindt阴极电子束源也被关闭。

中的建模结果示出在0.15μs的注入持续时间和网格处75V电势下，电子的有效飞行时间τ_eff值高达750μs；这与针对连续电子束的约1μs的τ_eff值进行比较。

建模示出，针对连续注入操作的限制机制是由于电子注入孔引起的场扰动。在孔上方有网格的脉冲模式下操作，允许有效地去除这种扰动，允许更长的电子TOF。

通过改变电子注入持续时间并计算电子的有效TOF来执行该新配置的

建模。图52是示出电子的τ_eff根据电子束脉冲宽度的曲线图。结果示出，针对图51的泵浦结构，针对55V的网格电压和1000V的内电极电压，有效电子TOF在约100ns注入持续时间处达到峰值。在这些条件下，有效电子TOF约为370μs。

表4和表5分别示出了比较用于100ns脉冲的连续和脉冲电子注入的结果。孔网格电势为55V，并且内电极电压为1000V。从这些建模结果和分析来看，脉冲泵配置在进一步减小无磁离子泵的尺寸、重量以及功率方面是非常有希望的。结果还示出，与连续注入相比，脉冲注入泵可以在较低的内电极电压下操作，这是在本研究中选择1000V的原因。

有效飞行时间(μs)	电流(μA)	功率(mW)
			0.5	5	5

表4

表5

考虑了不是源自Spindt阴极的次级电子对无磁体泵的影响。这些次级电子产生于电子、中性分子或原子、离子以及泵表面的各种配对之间的碰撞。考虑了除了具有泵表面的中性分子或原子之外的每个配对的重要性，其中，中性分子或原子在泵的工作期间处于或接近热平衡，并且因此预期不会生成次级电子；以及在两个相同物质的情况下，由于该物质接近热平衡或相同极性的粒子之间的库仑斥力抑制了在泵的操作能量下的碰撞，因此预期不会生成次级电子。

最受关注的效果是增加注入的电子的有效寿命。例如，如果由初级电子电离气体分子引发的泵浦过程导致进入轨道的次级(S)电子的平均产生(其中，初级电子在电离碰撞之后进入新轨道时包括在计数中)，则总电子寿命τ_total为：

其中，τ₀为电子的生成或电子注入到泵与电子第一次碰撞之间的时间。显然，S越接近于1，τ_total变得越长，并且维持给定泵速所需注入的初级电子就越少。

更受关注的是其中S大于1的情况，其中，泵生成的轨道电子多于其损失的电子。一旦离子泵被初始注入的电子启动，如果存在确保大多数生成的电子可以具有超过气体分子的电离电势的动能的附加机制，则离子泵可以在Spindt阴极关闭之后继续泵浦。如下文所述，可以使S大于1的过程是中性气体原子或分子与轨道电子碰撞的碰撞电离。该过程产生两个电子：散射的初级电子和从气体原子或分子中喷出的电子。在该过程中，初级电子的动能在原子或分子的电离能量与两个生成电子的动能之间分裂。经过几代的碰撞后，没有一个电子会有足够的动能来进一步碰撞电离。

在离子泵中，在泵的高电场区域中，由碰撞电离生成的电子获取足够的动能，以通过E×B漂移电离其他气体原子或分子。该机制在本文所述的无磁体离子泵中是不存在的，因此如果无磁体泵要自我维持，次级电子必须通过一些其他方式获取动能。如果没有这种机制，针对给定的初级电子的注入电流，次级电子将通过将由其子代电离的气体原子或分子记入初级电子来增加泵速。

撞击表面的高能电子可以生成电子诱导次级电子(EISE)，并且EISE可以反向散射。EISE产额取决于入射电子的能量以及表面的组成。次级电子通常具有10eV或更低的能量，独立于20eV以上的初级电子能量。针对具有100eV的初级电子的Ti的EISE产额为0.45，但在2000eV时下降至0.25。由于电子被注入至多高于外电极电势几十eV，因此撞击除阳极之外的任何泵表面的初级电子的能量预期小于100eV。EISE发射为朗伯型，因此当外电极为圆柱形时，从最大的泵表面(外电极)发射的大多数电子都被导向内电极，而不会进入稳定轨道。然而，一些电子将在其进入稳定轨道的方向发射。

初级电子将以大约qV_anode的能量撞击内电极，其中，V_anode为阳极电压(千伏)。EISE具有小于10eV的能量，这大大低于内电极电势，因此它们将回落到内电极中。基于此，撞击泵表面的百分之几的初级电子将发射进入稳定轨道的EISE。

反向散射电子产额Ti在100eV的初始电子时为0.12，而在2000eV的初始电子时增加至0.29。针对垂直入射初级电子的反向散射电子产额角分布在距法线约55°的圆锥壳中达到峰值。由于来自例如表面声子和表面等离激元的表面上的各种损耗，大多数反向散射电子被弹性散射或者损失了几eV的能量。

针对除了内电极之外的泵表面，反向散射电子的行为与EISES的行为类似。反向散射产额几乎降低了四分之一，但是这被角度分布所抵消，该角度分布更有利于发射具有足够角动量的电子以处于稳定轨道。由于从阳极反向散射的电子的能量远高于EISE的能量，因此从内电极反向散射的电子中有很大一部分将进入稳定轨道。键合0.29的反向散射产额，粗略估计撞击内电极的5％的初级电子散射回稳定轨道。

在电子中性碰撞中，电子与中性分子或原子A碰撞并使其电离：

A+e^-→A⁺+2e^-

除了对离子泵和无磁体离子泵的操作至关重要之外，该过程还可以使S大于或等于1，这是自我维持的必要条件。处于中性状态，A不会与电场相互作用，因此它的初始能量为kT＝25meV。另一方面，初级电子动能是其注入的能量加上qV(r)，其中，V(r)为碰撞点的静电势。根据确切位置，在本文描述的无磁体离子泵中，初级电子动能可以从几eV至几百eV。以上等式中的入射能量以电子能量为主。该能量中的一些用于电离A。除稀有惰性气体(He 25eV，Ne 15eV)之外，电离能量范围在7eV至13eV之间。其余的能量在两个生成的电子的动能之间分配。图53是示出两个生成的电子之间的动能分配不接近均匀的曲线图。一个电子具有接近于初级电子能量减去电离能量的能量，而另一个电子几乎没有能量。图53改编自H.Ehrhardt等人的Z.Phys.D，Atoms，Molecules and Clusters，1，3(1986)。图54是示出针对由入射能量在He电离以上3eV至40eV的范围内的电子使He碰撞电离，在能量E处散射平面中的典型的角度分布的一系列曲线图。随着次级电子能量的增加，在90°附近的分布中出现最小值，使得大多数较高能量的次级电子在正向散射在一个圆锥内，而一些在反向散射在一个圆锥内。图54改编自K.L.Nixon和A.J.Murray的Phys.Rev.A，87,022712(2013)。

这些实验结果示出，次级电子具有接近于初级电子能量减去电离电势的能量并在正向附近散射的可能性很高。该电子的轨迹将接近于初级电子的轨迹，因此如果初级电子与中性分子或原子碰撞时处于稳定轨道，则它很可能处于稳定轨道。如果较高能量的次级电子被反向散射，其轨迹将接近于初级电子稳定轨道的时间反转版本，并且反向散射的较高能量的次级电子也很可能处于稳定轨道。据估计，大约有0.9的高能量的次级电子进入稳定轨道。

较低能量的次级电子不仅具有比初级电子能量低得多的能量，而且其角度分布与针对初级电子的入射方向的相关性较差。低能量的次级电子的发射角可以近似为均匀分布在整个4π球面度上。图55示出了针对在从内电极半径到外电极的距离的2/3半径处的电子中性碰撞的稳定性图。次级电子能量是初级电子能量的0.1减去10eV的电离电势。随着碰撞位置和其他参数的变化，点状稳定区仅在顶部和底部附近变化。从稳定区的面积，估计约有0.2的低能量的次级电子最终落在稳定轨道上。由于次级电子是在泵内部生成的，因此该分数明显高于用于将电子从外部直接注入轨道的分数。

尽管据估计，针对每次电离电子中性碰撞，约0.9+0.2＝1.1的电子进入稳定轨道，这会使电子脱离稳定轨道，但并非这些次级电子中的每一个电子最终与中性离子碰撞时都有足够的能量电离。从Spindt阴极注入的电子和几代后代将能够电离中性离子；然而，如果没有可以为这些电子添加能量的过程，电离级联的末端将是几代电子稳定地围绕势阱底部运行，直到它们最终都被与中性离子的弹性碰撞散射到不稳定的轨道中。

电子离子碰撞可以增加轨道上电子的动能，并且因此使由其他机制生成的低能量次级电子能够电离气体原子或分子。有两种类型的碰撞，非电离碰撞和电离碰撞。尽管电离碰撞会添加另一电子到泵中，同时还将能量传输给电子，但是由于第二次电离所需的高能量，因此发生的频率要低于非电离碰撞。仅考虑非电离碰撞。

非电离碰撞涉及单个电离的A+的碰撞，而单个电离的A+正加速向外电极。反应速率与电子密度和生成A+的速率成正比，生成A+的速率与气体密度和电子密度成正比，并且生成A+的速率与离子到外电极的传输时间τ_io_n成反比。因此，速率预期与[A][e]²/τ_ion成正比，其中，括号指示密度。为了使该过程重要，轨道电子的密度需要很高。

离子具有可以从0eV到几乎内电极电势的范围的动能E_ion。离子可以传输给电子的能量的最大分数为4m_elec/m_ion，其中，m_elec为电子质量，并且m_ion为离子质量。由于巨大的质量差异，针对He的分数为5×10^-4。约0.5eV被转移到具有1000eV的E_ion的电子上，因此需要约50次这样的碰撞才能将电子能量增加到与He电离电势相当的量。碰撞后，电子可能被散射到不稳定的轨道上并与泵壁碰撞，或者可能进入具有更高的能量的新的稳定轨道。针对50次碰撞后留在稳定轨道的概率为0.5要求每次碰撞后留在稳定轨道的概率为0.985。电子离子碰撞似乎不可能是一种用于能量转移的有效机制。

有两种从表面离子诱导次级电子的机制：(1)离子接近但未渗透表面时的电势发射和(2)离子进入表面时的动力学发射。针对电势发射，来自表面的电子通过隧穿到离子中较低能量的未占据状态来中和表面附近的离子。通过电子下降到较低能量状态所获得的能量被用于从表面激发俄歇电子。如果俄歇电子的能量超过功函数，它就会离开表面。该过程的产额约为0.1。由于离子不需要渗透表面，因此这可以在离子的低动能下发生，并且与离子动能相当恒定。

具有更多动能的离子可以进入固体目标，并通过与目标中的电子碰撞以及通过诸如离子与原子碰撞然后反冲并与电子碰撞的二次过程引起动能发射。由于该过程取决于与入射离子的碰撞，因此在固定的动能的情况下，其产额随着入射离子的原子数量的增加而增加。同样，针对固定的原子数量，产额随离子动能单调增加。

为了完整起见，电离碰撞：

A⁺+A→2A⁺+e^-

会被考虑。该碰撞产生了另一个可以进入轨道的电子和另一个将从外电极溅射Ti的离子，因此它可以对泵速产生很大的下游效应。由于该碰撞需要离子的初始生成，并且可以仅发生在离子生成的时间与离子撞击外电极的时间之间，因此该碰撞的速率与[A][e]²/τ_ion离子成正比。由于[A]²的依赖性，该过程在较高的压力下更为重要。

表6列出了最常发生或可以用于改进泵性能的过程。

表6

过程1至过程4是电子生成过程，其基本上是平行的路径。如果从Spindt阴极电子束源注入到泵的电子进入稳定轨道的概率为P_s，撞击内电极的概率为P_a并且撞击外电极的概率为P_oe，则用于总电子寿命τ_total的等式中的S为：

S₁＝P_oeY₁+P_aY₂+P_s(Y₃+Y₄)

其中，Y_m为表6中“进入稳定轨道的电子产额”列的第m行的条目。产额包括电子进入稳定轨道的概率，因此针对所有后续后代

S＝Y₃+Y₄

为了简单起见，Y₃和Y₄仅占稳定轨道中的电子。丢失的电子与外电极或内电极碰撞，并且生成进入稳定轨道的电子的可能性很小。因此，以上两个等式略有低估。

在简单模型中更难捕获的因素是稳定轨道中电子的能量。在过程3中，初级电子的动能在电离电势、两个次级电子的动能以及离子的动能之间分配。经过过程3的少量代之后，两个次级电子都不会有足够的能量电离它所碰撞的气体分子或原子。在该碰撞中，电子将有非零的概率散射到非稳定轨道并碰撞到内电极中。

电子能量的这种稀释可以通过在几项之后截断用于总电子寿命τ_total的等式中的级数来近似。显然，在这种条件下不可能实现电子的自我维持生成。次级电子生成的主要作用是增加注入的电子的τ_total。保留前三项，并考虑其中每个注入的电子进入稳定轨道的最佳情况，τ_total增加了3.5倍。如果仅10％的注入的电子处于稳定轨道，则增强幅度为20％。

表6的最下面一行(电子离子碰撞)是对可以显著增加电子能量的唯一过程的评估。由过程3产生的离子朝向外电极加速，并且可以具有与内电极电势一样高的动能，取决于电离碰撞发生的位置。不幸地，由于离子密度低于相应中性离子的密度，并且由于碰撞必须发生在离子产生与离子与外电极碰撞之间的短时间内，因此该过程的速率低。当确实发生碰撞时，能量转移只是离子能量的一小部分。针对传递足够的能量进行电离所需的约50次碰撞，电子似乎不可能保持在稳定轨道中。

使用

对过程3中由于电离电子中性碰撞而生成的电子进行进一步建模，该碰撞具有将电子注入稳定轨道的最高产额。从该建模，计算了针对不同的起始空间位置的电子的TOF。图56是示出针对不同的起始空间位置的计算出的电子的TOF的曲线图。电子方向由XY平面的方位角α和仰角β决定。XY平面(z＝0)横切外电极高度的中间。对情况1、2和3进行建模，其中，距外电极的距离分别为外电极与内电极之间的距离的1/4、1/2和3/4。针对该过程3，初级电子的动能在电离电势、两个次级电子的动能以及离子的动能之间分配。在两个次级电子中，第一个具有约90％的剩余能量，并且第二个具有约10％的剩余能量。为了描述建模结果，约90％的能量的电子被标记为高能量(HE)，并且约10％的能量的电子被标记为低能量(LE)。初级电子的动能由电离过程的空间位置确定。

情况1分别根据0°仰角下的方位角和根据10°方位角下的仰角指向高能量电子。针对这种情况1，LE电子不显示稳定轨道。情况2分别根据0°仰角下的方位角和根据20°方位角下的仰角指向高能量电子。情况2还分别根据0°仰角下的方位角和根据10°方位角下的仰角指向低能量电子。情况3分别根据0°仰角下的方位角和根据10°方位角下的仰角指向高能量电子。情况3还分别根据0°仰角下的方位角和根据10°方位角下的仰角指向低能量电子。

从对过程3的情况1、2和3(电离电子中性碰撞)进行建模的结果指示，电子的TOF可以比从对完全由于外部注入的电子建模获得的结果高出高达4个数量级。计算出的电子的TOF高达6ms。这很好地表明这些电子可以显著地有助于泵性能。该过程可以部分解释初始建模(仅考虑外部注入的电子)与实验结果之间的差异。即使具有非常大的TOF，这些电子也很可能不足以产生自我维持过程。

还对过程4中由于离子碰撞到外电极而生成的电子(来自外电极的离子诱导次级电子)执行进一步建模。用于钛的次级电子能量可以为9eV或24eV。情况4根据0°的方位角α和仰角β指向9eV次级电子，根据60°的仰角β和方位角α指向9eV次级电子，根据0°的方位角α和仰角β指向24eV次级电子，并且根据60°的仰角β和方位角α指向24eV次级电子。

从对过程4的电子(来自外电极的离子诱导的次级电子)的TOF进行建模的结果指示微秒量级的值。从这些结果我们得出结论，它们对泵性能的贡献很小。

可以经由本文所述的次级电子过程将能量添加到轨道电子以增加电子的有效TOF。例如，回旋加速器可以用于向轨道电子添加能量。离子泵的每个端盖可以分成两个D形件，D形件之间有空隙。两个端盖的空隙可以对齐。可以在D形件之间施加频率等于所需电子旋转频率的RF电压，以在空隙附近产生加速电子的时变方位角电场。

在另一示例中，可以在内电极与外电极之间施加RF电压，以允许时变径向电场。RF电压的频率可以等于期望的径向往返频率。图57是针对其中在内电极与外电极之间施加RF电压的示例离子泵的有效电压根据径向位置的曲线图。如图57所示，对内电极电压的调制对内电极电压的最小值附近的电势具有最大的影响。针对以低能量围绕轨道运行的电子(下虚线)，时变场在其整个轨道上与电子强烈相互作用。然而，针对以高能量围绕轨道运行的电子(上虚线)，时变场在其轨道的很小一部分中与电子强烈相互作用。随着电子能量的增加，向电子添加能量的效率降低，给出了阻止添加过多能量的机制。

在一些示例中，无磁体离子泵可以与冷原子物理腔室一起使用。例如，图58是包括无磁体离子泵2202和冷原子物理腔室2204的示例集成系统2200的透视图。集成系统2200还包括Spindt冷阴极电子束源2206、碱源/分配器2208，以及可选的吸气剂2210、侧光学窗口2212和内部光学器件2214，该内部光学器件2214可以包括反射镜、波片等。通过实现小尺寸、低重量以及低功率，无磁体离子泵2202可以使集成系统2200相对较小和低功率。在一些示例中，集成系统2200可以是便携式的。

真空中的击穿电压由Paschen定律确定，该Paschen定律是气体压力(真空)和内电极与外电极之间的间距的函数。针对建议的小于10^-9torr的操作压力，可以使用数十微米的空隙，而针对大于5kV的电压，真空内部没有电击穿的风险，因此预测无磁体离子泵毫米尺寸不会造成任何放电问题。

在一些示例中，高压玻璃/硅电馈通用于将电流传导到内电极和/或冷阴极。高压玻璃/硅电馈通的最大操作电压由玻璃(Pyrex玻璃)和空气的介电击穿以及物理尺寸确定。针对Pyrex玻璃的介电击穿发生在约13×10⁶V/m，并且针对空气的介电击穿发生在约3×10⁶V/m。针对平面玻璃/硅馈通，典型间距给出最大操作电压约为12kV，受空气的介电击穿限制。该最大电压约为可用于本文所述离子泵的电压的10倍。

在离子泵中运行的电子电流可能产生磁场。导线回路模型的基本分析示出，回路中心的磁场约为10μG。在该“导线回路”外部，在原子传感器将位于的位置上，磁场强度至少根据1/r显著下降。如此小的磁场强度可能会在n Hz水平或约10^－20的超精细跃迁上(这针对所设想的传感器而言可以忽略不计)影响场无关的碱原子超精细跃迁。另外，如果需要，可以在关键的原子传感器测量期间关闭离子泵。这应该与典型的溅射离子泵相比较来看待，在典型的溅射离子泵中，千赫兹磁场是利用永磁体，当然，永磁体总是存在的。

已经描述了各种示例。这些和其他示例在所附权利要求书的范围内。

Claims (31)

1. 一种离子泵设备，包括：

外电极，所述外电极限定内容积和从所述外电极的顶部延伸到所述外电极的底部的中心轴，其中，所述外电极被配置为通过至少一个孔接收注入的电子，其中，所述外电极包括限定在所述外电极的顶部和底部附近朝向所述中心轴弯曲的内表面的壁，并且其中，所述至少一个孔设置在朝向所述中心轴弯曲的所述内表面的弯曲部分上；以及

内电极，所述内电极定位在所述内容积中，

其中，所述外电极和所述内电极被配置为响应于所述外电极与所述内电极之间的电势将所接收的电子静电地限制在围绕所述内电极的轨道中，并且

其中，所述设备不包括被配置为生成电子约束磁场的部件，

其中，所述壁是分段的以减少所述外电极吸附的气体原子的再发射，并且还包括在所述外电极外部的外壳。

2.根据权利要求1所述的离子泵设备，其中，所述内电极围绕所述中心轴定位。

3.根据权利要求1所述的离子泵设备，其中，所述壁限定延伸穿过所述壁的所述至少一个孔，并且其中，所述至少一个孔限定所述电子围绕所述中心轴的行进方向。

4.根据权利要求3所述的离子泵设备，其中，所述至少一个孔定位在所述外电极的顶部和所述外电极的底部中的至少一个附近。

5.根据权利要求3所述的离子泵设备，其中，所述外电极的所述内表面包括吸气剂材料，所述吸气剂材料被配置为从所述内容积吸附气体，并且其中，所述内表面被配置为屏蔽所吸附的气体不受离子的影响。

6.根据权利要求1所述的离子泵设备，还包括定位在所述外电极与所述内电极之间的栅格。

7.根据权利要求3所述的离子泵设备，其中，所述壁包括基本上平行于所述中心轴定向的多个翅片，并且其中，所述多个翅片中的每个翅片在所述电子的行进方向上轴向旋转。

8.根据权利要求3所述的离子泵设备，其中，所述外电极的内表面的形状通常为桶形或蛋形，并且其中，所述外电极的内表面的形状被配置为改善泵的操作。

9. 根据权利要求1所述的离子泵设备，还包括：

顶端盖，所述顶端盖靠近所述外电极的顶部；以及

底端盖，所述底端盖靠近所述外电极的底部，

其中，所述顶端盖和所述底端盖被配置为接收负电势，以及

其中，所述顶端盖和所述底端盖中的每一个与所述外电极轴向地隔开以允许来自外部离子泵的背景气体进入所述内容积。

10.根据权利要求9所述的离子泵设备，其中，所述设备具有小于30立方厘米的外容积。

11. 根据权利要求10所述的离子泵设备，

其中，所述外电极的内表面包括第一吸气剂材料和与所述第一吸气剂材料不同的第二吸气剂材料，以及

其中，所述第一吸气剂材料比所述第二吸气剂材料具有更高的反应性和更低的溅射产额，以及

其中，所述第一吸气剂材料和所述第二吸气剂材料中的每一个具有在0.5keV的离子能量下针对氦离子测量的大于0.01的溅射产额。

12.一种离子泵系统，包括：

电子源，所述电子源被配置为注入电子；

电极组件，所述电极组件耦接到所述电子源，其中，所述电极组件包括：

外电极，所述外电极限定内容积和从所述外电极的顶部延伸到所述外电极的底部的中心轴，其中，所述外电极被配置为通过至少一个孔接收所注入的电子，其中，所述外电极包括限定在所述外电极的顶部和底部附近朝向所述中心轴弯曲的内表面的壁，并且其中，所述至少一个孔设置在朝向所述中心轴弯曲的所述内表面的弯曲部分上；以及

内电极，所述内电极定位在所述内容积中，

其中，所述电极组件被配置为响应于所述外电极与所述内电极之间的电势将所接收的电子静电地限制在围绕所述内电极的轨道中，

其中，所述系统不包括被配置为生成电子约束磁场的部件，

其中，所述壁是分段的以减少所述外电极吸附的气体原子的再发射，并且还包括在所述外电极外部的外壳。

13.根据权利要求12所述的离子泵系统，其中，所述电子源是Spindt阴极电子束源，以及

其中，所述Spindt阴极电子束源被配置为以水平方向上小于25°的发散半角注入电子。

14. 根据权利要求12所述的离子泵系统，还包括控制器，所述控制器被配置为：

控制所述外电极与所述内电极之间的电势；以及

控制所述电子源的电子能量。

15.根据权利要求12所述的离子泵系统，其中，所述电势被配置为在所述内容积中产生500eV与3keV之间的离子能量。

16.根据权利要求14所述的离子泵系统，其中，所述控制器被配置为控制耦接到所述内电极的第一电源，以在所述内电极与所述外电极之间产生所述电势。

17. 根据权利要求16所述的离子泵系统，其中，所述电势被配置为在所述内容积中产生500 eV与3 keV之间的离子能量。

18.根据权利要求14所述的离子泵系统，其中，所述控制器还被配置为控制第二电源以改变所述电子的注入能量。

19. 根据权利要求14所述的离子泵系统，其中，所述至少一个孔包括在所述至少一个孔的出口上的网格，并且其中，所述控制器还被配置为：

控制所述电子源通过脉动注入所述电子；以及

基于所述脉动向所述网格施加电压。

20. 根据权利要求12所述的离子泵系统，其中，所注入的电子具有大于0.1 µs的有效飞行时间。

21.根据权利要求12所述的离子泵系统，还包括密封壳体，所述密封壳体被配置为容纳所述外电极、所述内电极以及所述电子源，其中，所述密封壳体限定传感器，并且其中，所述传感器还包括一个或多个腔室，所述一个或多个腔室流体地耦接到外电极的所述内容积。

22.根据权利要求21所述的离子泵系统，

其中，所述传感器包括限定所述一个或多个腔室的硅基衬底和阳极键合到所述硅基衬底；

其中，所述一个或多个腔室中的至少一个是冷原子物理腔室。

23.根据权利要求21所述的离子泵系统，其中，所述传感器还包括碱源。

24.根据权利要求21所述的离子泵系统，其中，所述传感器还包括吸气剂。

25.根据权利要求21所述的离子泵系统，其中，所述传感器具有小于25立方厘米的容积。

26.根据权利要求21所述的离子泵系统，其中，所述传感器是原子钟、陀螺仪、加速度计、导航单元和超低真空传感器中的至少一个的一部分。

27.一种用于从流体介质中去除气体分子的方法，包括：

通过离子泵并从电子源通过至少一个孔接收电子，其中，所述离子泵包括：

外电极，所述外电极限定内容积并且被配置为通过所述至少一个孔接收所注入的电子，其中，所述外电极包括限定内表面的壁，其中，所述内表面的在所述外电极的沿着中心轴的中间处的直径大于所述内表面的在所述外电极的顶部处的直径和所述内表面的在所述外电极的底部处的直径中的每一个，并且其中，所述至少一个孔设置在朝向所述中心轴弯曲的所述内表面的弯曲部分上；以及

内电极，所述内电极定位在所述内容积中；以及

通过所述离子泵在所述外电极与所述内电极之间产生电势，

其中，所述电势被配置为将所述电子限制在围绕所述内电极的轨道中，并且

其中，所述离子泵不包括被配置为生成电子约束磁场的部件，

其中，所述壁是分段的以减少所述外电极吸附的气体原子的再发射，并且还包括在所述外电极外部的外壳。

28.根据权利要求27所述的方法，还包括控制所述电子源的电子能量。

29.根据权利要求27所述的方法，还包括控制耦接到所述内电极的电源，以在所述外电极与所述内电极之间产生所述电势。

30.根据权利要求27所述的方法，还包括控制耦接至所述电子源的第二电源以改变所述电子的注入能量。

31. 根据权利要求27所述的方法，其中，所述至少一个孔包括在所述至少一个孔的内开口上的网格，并且其中，所述方法还包括：

控制所述电子源通过脉动注入所述电子；以及

基于所述脉动向所述网格施加电压。

Images