防金属气体中毒的离子泵

技术领域

本发明涉及真空技术，具体为一种防金属气体中毒的新型离子泵。

背景技术

伴随着科学实验向着原子领域更加精密的方向发展，超高度真空在工业和科学研究上的应用也越来越多，它作为精密测量的实验平台，常常应用于需要高度真空的科学实验系统，尤其在原子分子物理学实验领域，这些实验平台所用的原子物质大多为碱金属，如：铷、钾、铯等碱金属，所需真空度一般为10

溅射离子泵，主要是基于高压电离气体分子的原理。离子泵主要由阳极、阴极、永磁铁和泵体四大部分组成，被抽气体分子或原子在高电压下电离，形成带电离子，在电场作用下促使气体离子向阴极运动，被输送到泵的阴极吸附表面，阴极板材料为金属钛，金属钛被撞击而溅射后，在腔体的内壁连续形成活性钛膜，继续和气体分子反应，从而不断进行排气。溅射离子泵无运动机构，是真正的无油、无震动、无噪音的超洁净真空泵，获得的极限压强可以达到10

通常，离子泵的阳极是由多个不锈钢圆筒排列组成的蜂窝状结构，阴极为两块平行的钛合金板，将阳极夹在中间，三者相互间保持一定距离并通过高压绝缘陶瓷连接。

离子泵的每个蜂窝状结构中离子电流与气体压力成正比，离子泵在阴阳极阵列之间存在间隙，离子泵在工作时，系统内的金属杂质微粒粒子可以通过这个间隙穿过蜂窝状结构，撞击离子泵内部，如果在真空系统中不施加离子泵保护措施，离子泵高压绝缘陶瓷可能会被系统内的碱金属气体污染，随着进入离子泵内的碱金属气体增多，金属气体沉积到绝缘陶瓷上，可能会造成离子泵阴极阳极导通，这将会降低离子泵的抽气性能，增加离子泵的离子流本底，同时离子泵受到污染也会使得离子泵的使用寿命降低。

通常，为了对离子泵进行保护，有两种措施，一是对离子泵进行加热，以减少金属气体在离子泵里的沉积；二是在离子泵内安装气体阻隔装置减少金属气体进入离子泵内。而如果采取对离子泵进行加热的保护措施，离子泵的升温会使得钛阴极吸附的金属气体解吸，导致真空度无法得到有效降低，同时加热可能导致极间辉光放电和系统的压力升高，严重时还会影响泵的正常工作。一般在离子泵内安装的阻隔装置会阻碍离子泵和系统之间的光线，所以它们又被称为光学屏蔽，这种屏蔽虽然可以降低系统和离子泵之间的气体离子流，但是也会导致离子泵抽气速率降低，影响真空效果。因此需要仔细评估隔断装置的形状和位置设计，以达到最好的抽真空效果。

发明内容

为了克服上述预防离子泵中毒措施的缺陷，本发明提供一种防金属气体中毒的离子泵，有效地对进入离子泵的碱金属气体流进行隔离，该装置较上述的方案相比，不仅可以大大减少进入泵体的金属气体流，并且对泵的抽气速度没有显著影响，从而延长了离子泵的使用寿命，降低离子泵离子流本底，达到了对离子泵的隔离保护作用。该装置结构简洁，易于焊接安装，对于科学实验平台来说不会产生额外负担。

本发明的技术解决方案如下：

一种防金属气体中毒的离子泵，其特点是在所述的溅射离子泵的输出连接管道内增设一个防止离子泵污染的结构，该结构是在所述的连接管道内通过真空法兰、金属底座和金属圆环固定放置两组或以上的多孔结构挡片，所述的多孔结构挡片是由圆形多孔结构在半径方向挖去几个弧形梯状孔或其他形状孔而成，两组以上多孔结构在固定时，保持多孔结构的小孔位置不直接对准，进行错位放置，使得碱金属气体或其他工作物质不能直接通过小孔进入离子泵内部。

所述的两组多孔结构金属片之间的距离由所述的金属圆环的长度确定。

所述的两组多孔结构的孔隙大小由真空系统工作物质决定，如对于碱金属，孔隙大小一般在1-100um之间。

所述的防金属气体中毒的离子泵使用时所述的连接管道的输出口通过管道连接法兰与多通通道连接。

该发明中设计的多孔结构装配在新型离子泵与真空系统的连接通道中。

所述的溅射离子泵的主要结构包括吸气剂阴极板、阳极筒、外壳、电引入、绝缘陶瓷、强永磁体、连接管等配件。离子泵的基本原理是利用阴极放电产生气体分子的正离子，离子撞击阴极而被阴极捕捉，同时也产生溅射效果。在使用时，首先在阴阳极之间施加高压，在高压的作用下造成气体分子的电离，同时在电磁场作用下促使气体离子向阴极运动，对离子泵阴极板进行轰击。阴极板材料为金属钛，金属钛被撞击而溅射后，在腔体的内壁连续形成活性钛膜，继续和气体分子反应，从而不断进行排气，抽除活性气体。由于磁场的存在，阴极放电可维持在极低的压强下。

本发明不对阳极筒的形状及长度进行保护，本发明的防金属气体中毒的离子泵的泵体为通用离子泵即可。

本发明的防金属气体中毒的离子泵采用的阻隔装置为多孔结构孔片，它安装在泵体与真空系统连接的管道中，并用金属圆环和金属底座对多孔结构错位孔片加以固定。所述的多孔结构片内外管壁平整、孔隙均匀，具有形状稳定、强度高、耐高温、抗腐蚀性、耐冲击等优良性能，同时，它的透气性好，可以很好地适用于真空管道内。

在本发明中，为固定安置好多孔结构错位片，需要在真空管道内焊接好固定底座，安置好第一片孔片之后，用金属圆环隔开一段设计好的距离，焊接第二片孔片的底座，注意两片多孔结构孔片的小孔要进行错位，之后进行焊接固定。

与现有技术相比，本发明的技术效果在于：

(1)本发明的离子泵，在离子泵与系统连通管道内固定错位安置多孔结构孔片，由于其表面积大，可以吸附金属气体，而且带有小孔，与之前的管道阻隔装置相比，它可以不明显影响离子泵抽气速率，极限压力可以达到10

(2)同时由于小孔错位的多孔结构孔片的阻隔作用，与不安装孔片相比，安装多孔结构孔片后，进入离子泵的金属气体大大减少，离子流可以达到pA量级，被抽的金属气体对离子泵的污染显著降低，说明本发明装置的屏蔽效果可以非常有效地减少离子泵的粒子流强度，可以提升实验系统的真空效果，延长离子泵的使用寿命。

本发明的离子泵体积小，使用寿命长，可以提升实验系统的真空度，具有结构简单，易于焊接安装，性能稳定的特点，满足需要高真空度的空间原子物理实验任务的要求。

附图说明

图1是发明防金属气体中毒的离子泵的剖面图，

其中序号1、2为多孔金属孔片；序号3为固定金属圆环；序号4、5、6为固定的金属底座；序号7为阳极筒；序号8为阴极板；序号9为绝缘陶瓷。

图2是两组多孔金属孔片的截面图以及错位放置图

图3是本发明防金属气体中毒的离子泵实施例安装完成后的结构图

具体实施方式

下面结合实施事例和附图对本发明做进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

实施例：具有两组多孔结构错位金属片的防金属气体中毒离子泵

真空管道内径为Φ15.2mm，选用的多孔结构片为不锈钢材质，是由圆形多孔结构在半径方向挖去几个弧形梯状孔或其他形状孔而成，多孔结构的孔隙为30um。两组多孔结构金属片的直径为Φ15mm，厚度为1.0mm，两组多孔结构金属片的距离为4mm，开孔错位角度为60°。所选择的被抽气体的金属铷蒸气，离子泵为本发明所述的防金属气体中毒离子泵。

参阅图1。图1是本发明防金属气体中毒离子泵的剖面图，在实施例中，为固定安置好两组多孔结构金属片，需要在真空管道内焊接好固定金属圆环3和固定金属底座6，安置好第一个多孔结构金属片2之后，再焊接固定金属底座5，将多孔结构金属孔片固定牢固，之后安置第二个多孔结构金属孔片1，注意1和2的小孔要进行错位，最后焊接固定底座4，将多孔结构金属孔片1固定牢固。在本次具体实施例中，两片多孔金属片距离为4mm，开孔的错位角度为60°，参见图2。

将本发明防金属气体中毒离子泵的连接管道口通过法兰与多通通道连接参阅图3，安装好铷源、加热带、温度计和离子泵，参阅图3，其中序号10为本发明的离子泵，序号11为铷源，序号12为加热带。对系统和粗抽的管道进行烘烤及预抽，逐步待管道降温后，分子泵抽到该分子泵极限10

在系统烘烤过程中观测离子泵的示数。之后在不改变除多孔金属错位片的其他装置的条件下，将多孔金属错位片更换为同样尺寸的多孔金属长通孔片和陶瓷长通孔片，在相同温度下分别进行系统烘烤，三组测试中观测离子泵示数。在较长时间观测中，陶瓷长通孔片连接离子泵测试时最快开启保护状态，即此时离子泵已经开始中毒，再经过一段时间烘烤后，多孔金属长通孔片随之开启了保护，开始中毒。

通过以上结果可以知道，本发明中的带有多孔金属错位孔片的新型离子泵设计取得了最好的结果，表明本发明的防金属气体中毒的离子泵，由于增设的多孔金属错位片的作用，会对进入离子泵的金属导电气体进行一定的阻隔作用，不仅可以大大减少进入到泵体的金属气体，而且对离子泵的抽速没有显著影响，降低了离子泵离子流本底，有利于提升实验系统的真空效果，延长离子泵的使用寿命。