吸氣劑離子泵工作原理

由電離抽氣作用與蒸發(fā)（或升華）活潑金屬的吸附作用相結(jié)合的真空泵。蒸發(fā)離子泵因?qū)顫娊饘伲ㄍǔＪ氢仯┑募訜嵴舭l(fā)形式不同，有各種不同的結(jié)構(gòu)形式。大型蒸發(fā)離子泵，在外部控制的輸送機構(gòu)帶動下，鈦絲筒把鈦絲送到加熱柱上。加熱柱受環(huán)形燈絲產(chǎn)生的電子束的轟擊而加熱到2000℃左右，鈦絲便連續(xù)不斷地蒸發(fā)、沉積在冷卻的泵體內(nèi)壁上，形成新鮮的鈦膜而吸附抽氣。同時，柵極也吸引由燈絲發(fā)射的部分電子，使其在電場中高速運動而同氣體分子碰撞，電離氣體分子。離子在靜電場的作用下飛向低電位的泵體內(nèi)壁，被新沉積的鈦膜所“掩埋”，能量較大的離子還可直接打入沉積在泵壁上的鈦膜內(nèi)。這種蒸發(fā)離子泵對活性氣體有較大的抽速，而對惰性氣體的抽速則較小。為了提高對惰性氣體的抽氣速率，必須提高電離幾率，因而電離機構(gòu)就有多種形式。

濺射離子泵（SIP）具有工作范圍寬、極限壓強低、易于控制、無油、噪聲低等優(yōu)點，已經(jīng)成為一種廣泛應(yīng)用的清潔超高真空獲得設(shè)備。由于使用條件限制，有些真空器件僅靠濺射離子泵作為抽氣設(shè)備難以達(dá)到要求，作者研制了一種微型復(fù)合濺射離子泵。復(fù)合濺射離子泵的概念早在1959年就有過報道。但最初的復(fù)合泵結(jié)構(gòu)是在濺射離子泵的基礎(chǔ)上加入了金屬鈦的熱蒸發(fā)。隨著非蒸散型吸氣劑（NEG）的出現(xiàn)和發(fā)展，一些SIP生產(chǎn)廠家出現(xiàn)了將NEG組件添加到濺射離子泵體內(nèi)構(gòu)成的復(fù)合濺射離子泵產(chǎn)品，多為大抽速的濺射離子泵改裝而成。

微型濺射離子泵通常應(yīng)用在小型密閉真空器件中，器件內(nèi)部一直處于真空狀態(tài)，加入吸氣劑構(gòu)成的復(fù)合泵可以在不給系統(tǒng)帶來負(fù)面影響的情況下提高微型濺射離子泵的抽氣性能。由于非蒸散型吸氣劑在暴露大氣后需要重新激活才能使用，其性能隨暴露大氣次數(shù)增多急劇下降，所以對于那些可能經(jīng)常暴露大氣的系統(tǒng)不宜使用加入NEG的復(fù)合濺射離子泵。

吸氣劑離子泵微型濺射離子泵

泵體材料的選擇：微型濺射離子泵結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，一般只采用單個陽極筒或幾個陽極筒并列的結(jié)構(gòu)。由于微型泵的抽速相對比較小，泵體材料自身的出氣將影響泵的抽速和極限壓強的大小。泵體材料除了滿足一般超高真空應(yīng)用要求以外，還有硬度高、強度大、無磁等要求。應(yīng)用最多的泵殼材料是304L不銹鋼。304L不銹鋼出氣速率很小，經(jīng)過去脂燒氫烘烤等各種真空預(yù)處理后的出氣速率只有6.7×10^-10 Pa·L/s·cm²。但由于陰極鈦板不能直接焊接到不銹鋼上，采用不銹鋼作為泵殼材料需要在不銹鋼表面鍍鎳。鎳膜磁導(dǎo)率大，鍍鎳后會較明顯地影響陽極筒內(nèi)的磁場分布。對某磁鋼結(jié)構(gòu)，如果在泵殼側(cè)壁上鍍一層30μm厚的鎳膜，所得磁場的中心磁場強度下降超過2×10^-2T。而無磁蒙奈爾則可以直接和鈦板焊在一起，不需要鍍鎳。基于以上考慮，可選擇真空熔煉的無磁蒙奈爾作為微型濺射離子泵的泵殼材料。真空熔煉的無磁蒙奈爾出氣速率和不銹鋼相當(dāng)，甚至優(yōu)于不銹鋼。缺點是無磁蒙奈爾的價格相對不銹鋼來說要高很多。

吸氣劑離子泵非蒸散型吸氣劑

1、NEG的固定及激活方式

對于大型復(fù)合濺射離子泵可直接在泵腔內(nèi)固定大吸氣量的吸氣劑組件，以大幅度提高復(fù)合泵的抽速。微型濺射離子泵內(nèi)部空間非常狹小，泵內(nèi)可以利用的空間只有陽極筒和泵殼之間的縫隙。采用SAES公司生產(chǎn)的ST系列的吸氣劑顆粒，將其固定在陽極筒側(cè)壁上。這種固定方式不影響陽極筒和泵殼之間的絕緣。

文獻(xiàn)中在濺射離子泵連接管上再開一個法蘭孔引出電極，通電給吸氣劑組件進(jìn)行激活。而本文所述微型濺射離子泵上再引出電極引線將增大泵的體積，是不現(xiàn)實的。只能通過直接加熱的方式來激活吸氣劑。由于永磁體在高溫下會發(fā)生不可逆退磁，所以烘烤泵殼時應(yīng)將磁鋼卸下。商用的大型濺射離子泵磁鋼笨重且磁能很大，拆裝既不安全也很不方便。本文所研制的微型泵的磁鋼和泵體相互獨立，拆裝簡單，這給吸氣劑直接烘烤激活帶來了方便。

2、ST172性能測試

SAES公司推薦的ST172的激活條件是400℃ ，30min激活，實驗中依次進(jìn)行了200、250、300和350℃30min的激活。從實驗結(jié)果可以看出，200℃激活時吸氣劑已有明顯的吸氣性能，而且性能隨著激活溫度的升高不斷升高。在350 ℃激活時其性能比200 ℃、250℃、300℃要好很多，接近SAES公司推薦的激活條件達(dá)到的性能。在實際應(yīng)用中，可以選擇350℃或稍低的溫度，長時間烘烤泵體以達(dá)到較好的激活效果。微型復(fù)合濺射離子泵主要應(yīng)用于密閉的小型真空器件中，它可以在不啟動微型濺射離子泵的情況下長期維持真空器件內(nèi)部的真空度，所以吸氣劑不僅要有一定的抽速，還需要有足夠大的吸氣量以吸附器件在長時間存放時所釋放的氣體。

3、吸氣劑掉粉問題的處理

非蒸散型吸氣劑一般是通過金屬合金球磨制粉后壓制燒結(jié)而成的，所以在使用過程中吸氣劑可能出現(xiàn)掉粉情況。微型濺射離子泵內(nèi)部空間狹小，吸氣劑散落顆?？赡軙?dǎo)致導(dǎo)管堵塞或絕緣性能下降，從而影響器件的正常工作。為減小吸氣劑掉粉可能帶來的影響，除從吸氣劑配方和制造工藝上進(jìn)行改進(jìn)外，可利用高目數(shù)的不銹鋼網(wǎng)篩將吸氣劑包住，再焊接到陽極筒外側(cè)，這樣就可以保證不掉粉或者所掉顆粒極小，不影響器件正常工作。

研制的新型微型復(fù)合濺射離子泵，綜合了濺射離子泵和非蒸散型吸氣劑的各自優(yōu)點，具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、漏磁少等特點。

為了獲得對惰性氣體，特別是對氬的穩(wěn)定抽速，可采取以下措施：①在二極型泵內(nèi)加進(jìn)第三個元件──濺射陰極；②把二極型泵的陰極開槽。前者是在陽極與陰極之間加一個柵極形式的電極──真正的濺射陰極，二極泵中的陰極則變?yōu)殡x子收集極。前者是三極型濺射離子泵。離子斜射到濺射陰極上產(chǎn)生很強烈的濺射。濺射的鈦原子除部分沉積于陽極的內(nèi)表面外，大部分沉積于收集極上，牢固地覆蓋住粘附在它上面的像氬之類的惰性氣體分子。后者是將二極型泵的陰極開槽。離子斜射槽的壁上也產(chǎn)生強烈的濺射，而槽底所受的離子轟擊微弱，因槽壁的強烈濺射而沉積，將粘附在其上的氣體分子永久埋葬。

濺射離子泵必須在10^-2帕左右壓力下啟動，否則因離子流過大而使泵發(fā)熱，導(dǎo)致吸附氣體的解吸，甚至導(dǎo)致極間輝光放電和系統(tǒng)的壓力升高，嚴(yán)重時還會影響泵的正常工作。另外，濺射離子泵對油蒸氣的污染很敏感，因此對于不太清潔的系統(tǒng)，泵的起動壓力應(yīng)低于10^-2帕。

濺射離子泵的特點是：在工作過程中偶然暴露于大氣也不會損壞，結(jié)構(gòu)簡單，操作維護(hù)容易，無油污染，高真空時耗電量少，能安裝在容器的任何位置上。 2100433B

離子泵是膜運輸?shù)鞍字弧Ｒ部醋饕活愄厥獾妮d體蛋白，能驅(qū)使特定的離子逆電化學(xué)梯度穿過質(zhì)膜，同時消耗ATP形成的能源，屬于主動運輸。離子泵本質(zhì)是受外能驅(qū)動的可逆性ATP酶。外能可以是電化學(xué)梯度能、光能等。被活化的離子泵水解ATP，與水解產(chǎn)物磷酸根結(jié)合后自身發(fā)生變構(gòu)，從而將離子由低濃度轉(zhuǎn)運到高濃度處，這樣ATP的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成離子的電化學(xué)梯度能。目前已知的離子泵有多種，每種離子泵只轉(zhuǎn)運專一的離子。細(xì)胞內(nèi)離子泵主要有鈉鉀泵、鈣泵和質(zhì)子泵。

離子泵蛋白 - 離子泵（ion pump）假說

離子泵假說是解釋質(zhì)膜上主動運輸機制的例子之一.它認(rèn)為,某些離子的運輸之所以能逆濃度梯度的方向進(jìn)行,是由于依靠了鑲嵌在質(zhì)膜脂質(zhì)雙分子層上的一種內(nèi)在蛋白的分子構(gòu)象變化來實現(xiàn)的.即可看作一類特殊的載體蛋白,能驅(qū)使特定的離子逆電化學(xué)梯度穿過質(zhì)膜的過程,同時消耗ATP形成的能源,屬于主動運輸.

是膜運輸?shù)鞍字弧Ｒ部醋饕活愄厥獾妮d體蛋白，能驅(qū)使特定的離子逆電化學(xué)梯度穿過質(zhì)膜，同時消耗ATP形成的能源，屬于主動運輸。離子泵本質(zhì)是受外能驅(qū)動的可逆性ATP酶。外能可以是電化學(xué)梯度能、光能等。被活化的離子泵水解ATP，與水解產(chǎn)物磷酸根結(jié)合后自身發(fā)生變構(gòu)，從而將離子由低濃度轉(zhuǎn)運到高濃度處，這樣ATP的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成離子的電化學(xué)梯度能。目前已知的離子泵有多種，每種離子泵只轉(zhuǎn)運專一的離子。細(xì)胞內(nèi)離子泵主要有鈉鉀泵、鈣泵和質(zhì)子泵。 2100433B

質(zhì)子泵即H 泵包括H -ATP泵和H 焦磷酸泵。

1、H -ATP泵

在植物細(xì)胞原生質(zhì)膜和液泡膜上都存在著由ATP酶驅(qū)動的H 泵，它們的主要功能是調(diào)節(jié)原生質(zhì)體的pH從而驅(qū)動對陰陽離子的吸收。由線粒體生成的ATP供質(zhì)膜質(zhì)子泵需要，ATP釋放的能量建立跨膜的質(zhì)子梯度和電位差，質(zhì)子梯度活化離子通道或反向運輸器或同向運輸器，調(diào)節(jié)離子或不帶電溶質(zhì)的進(jìn)出。液泡膜上的質(zhì)子泵將H 泵入液泡，質(zhì)外體、胞質(zhì)溶膠和液泡的pH就有差異，分別是5.5、7.3~7.6、4.5~5.9。

2、H -焦磷酸泵

H -焦磷酸泵是位于液泡膜上的H 泵，它利用焦磷酸（PPi）中的自由能量（而不是利用ATP），主動把H 泵入液泡內(nèi)，造成膜內(nèi)外電化學(xué)勢梯度，從而導(dǎo)致養(yǎng)分的主動跨膜運輸。