二极泵、三极泵还有 StarCell， 离子泵原理一次搞懂

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。这台离子泵是一台二极离子泵。

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。

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，才会注入的足够深从而形成永久的抽气；速度比较慢的其它离子，由于注入的比较浅，注入后又会被别的离子溅射出来，无法形成稳定的抽气。

惰性气体即无法被化学吸附（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。

一种被验证可行的方法是把离子泵的其中一块阴极钛板被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它活性气体的抽速。

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。

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。

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，此处的阴极会很快的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。

1983 年，瓦里安（Varian）完全重新设计了三极泵，开发出一种新的阴极结构，称为 StarCell®（见下图）。StarCell® 阴极板显示带有放射状排列的鳍片结构，这种鳍片结构排列比较紧凑，在几乎不损失溅射率的情况下显著提高了反弹概率，这使得 StarCell® 在拥有媲美二极泵的氢气抽速和容量的同时，可提供非常理想的对惰性气体的抽速，远高于惰性气体二极泵。同时，其放射状的结构使阴极电池从中心到周边受控的消耗，不会因形成空洞而断裂，大大延长了元件寿命，而且，高压下运行时也比标准三极泵更稳定。

不同离子泵的选择

不同的离子泵对各种常见气体的抽气能力见下面表格，可以看出，当被抽气体主要是氢气时，比如很少破空的超高真空和极高真空腔体，采用二极泵是最优的。如果被抽气体中含有氦气、氩气等惰性气体，采用三极泵是最优的。

复合离子泵

在实际的应用中，对追求超高真空并且很少破空的应用，一般建议选择二极离子泵；其它应用建议选择 StarCell® 离子泵。由于高真空时主要的气载是氢气，好多时候也总是会有一定的比例的惰性气体，为了兼顾对氢气和对惰性气体的抽速，还经常会把 StarCell® 离子泵与对氢气抽速比较大的钛升华泵或者 NEG 吸气剂泵放在一起使用，或者使用同时具有 StarCell® 离子泵抽气单元和钛升华泵或者 NEG 吸气剂泵抽气单元的复合型离子泵。

安捷伦离子泵为包括美国 LIGO “引力波”探测、意大利 CNAO 粒子加速器、瑞士 CERN 强子对撞机、中科院 40T 外超导磁体杜瓦系统提供超高真空环境。还为同步辐射光源、医用加速器、电子显微镜、质谱等仪器的应用保驾护航。经过 60 年多的发展，作为关键的核心技术，安捷伦离子泵已经并将继续推动了尖端科技的发展。