一种吸气/离子复合一体泵

技术领域

本发明涉及用于超高真空获得的一种吸气/离子复合一体泵。

背景技术

超高真空是离子加速器、电子显微镜等许多工业和科学仪器及相关系统运行的必要条件，为达到此真空条件通常会用到前级泵（机械泵、干泵）和高真空泵（分子泵、吸气剂泵、离子泵或者低温泵）组成的抽气系统。前级泵是获得高真空泵启动的真空条件（10

离子泵是现有的常规获得高真空的设备，设备启动后使得真空室中存在的气体电离而生成离子和电子。电离后的气体轰击阴极板产生原子（或者原子簇）在阳极筒沉积而产生钛层。钛材料本身也具有吸气能力，可容易的与气体发生化学或物理作用来固化气体分子。但是钛膜对氢气的吸收十分有限。根据离子泵的工作原理，其吸气速率与泵的尺寸和重量呈线性关系，这样会使得离子泵无法避免其重量和尺寸的放大，较大的尺寸和重量以及小的氢气吸收速率使它们在小型或者便携式系统中较难应用。

吸气泵的工作机理是通过非蒸散型吸气剂材料制成的吸气剂片对活性气体进行吸附，活性气体包括氧气、氢气、水、碳化物和氧化物等。吸气材料由锆基合金、钛基合金或者稀土合金构成。此类泵质量比的吸气速率明显高于离子泵，比离子泵更能有效地去除氢气，但是无法对惰性气体吸附。

在重大科研装置比如离子加速器、电子显微镜以及表面处理系统中，通常会用到高真空尤其是特高真空，其系统会使用离子泵和吸气泵来维持真空。双泵组需要来自外部的两个（甚至多个）不同入口点以及供给离子泵和吸气泵的电源，从真空系统设计方面考虑，多口设计并非最优，此外，离子泵的大重量和高能耗也一直是此类系统面临的很大的问题。

中国专利201080012078和中国专利200980109641分别公开了一种包括吸气剂泵和离子泵的组合泵系统。该吸气剂泵和离子泵被串联安装于同一法兰上，设计的安装位置有所不同，尽管吸气效果有所提高，但是该设计结构并不是十分紧凑，所占用的体积也近似是溅射离子泵与吸气剂泵的体积和，此外还增加了吸气剂激活装置。

如美国US4334829专利为了解决灯丝碳元素供应问题，在溅射离子泵中的阴极换成了碳和吸气剂材料的复合板材。虽解决了碳原子的供应问题，但是其吸气剂的效能大大降低，并且在工作状态下碳元素的产生会加速吸气剂的表面钝化，致使其失去吸气能力，此结构不适用于超高真空的获得。

中国专利201711386950.2公开了一种在离子泵中安置吸气剂单元的结构，吸气剂单元内部嵌入加热丝，外接电源对其激活。该发明虽然减少了吸气剂泵的外壳，但是增大了离子泵的体积，此外，还需增加吸气剂片的激活装置。

还有一种吸气剂泵和离子泵复合抽气系统，但是这种系统只是将两个泵进行叠加，并没有从根本上减少整个系统的重量和尺寸。本发明的目的是提供一种吸气—离子复合一体泵，从根本上解决以上所述的尺寸、重量、吸气速率等问题，此外还能解决吸气剂热激活问题。

发明内容

本发明要解决的技术难点在于克服由吸气泵和离子泵组成的复合泵面临的尺寸、重量、吸气速率以及附加的吸气材料外置激活模块问题。将吸气剂材料材融入电磁场中，与产生的气体离子发生反应，形成材料吸气和气体离子撞击共同作用的复合一体泵。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种吸气/离子复合一体泵。包括：

吸气剂阴极板；

阳极筒，与所述吸气剂阴极板轴向垂直；

真空腔外壳，将所述的吸气剂阴极板和阳极筒封闭，内部形成真空腔，与外部气氛隔离；

强磁铁，与所述的吸气剂阴极板隔真空腔外壳相对安置。

电引入、真空连接管以及其他零配件等，将阳极筒与高压电源相连接，将吸气剂阴极板与真空腔外壳相连接，当腔体内真空度达到工作要求时，启动高压电源，待电流稳定后，构成阴极板的吸气剂被激活，一体泵正常工作。

本发明技术方案，具有如下优点：

将吸气剂作为不可分割的核心部件引入一体泵，与阳极筒、电引入等其他必须部件复合，可以大大减小一体泵的体积，使得一体泵不会因无繁余结构件而产生体积浪费，在一体泵启动及正常工作时，电离后气体分子的轰击会直接激活吸气剂材料，节省了外置的吸气剂激活模块，与传统的离子溅射泵相比，极大推高了氢气吸收速率，此外，吸气剂材料被溅射到阳极筒内，可掩埋惰性气体，与传统吸气剂泵相比，克服了不能吸收惰性气体的问题。

附图说明

图1 吸气/离子复合一体泵的示意性剖视图

图2 泵吸气/离子复合一体泵简化立体图

如图3 一种吸气/离子复合一体泵示例图

图中的1为强磁铁、2为真空腔体外壳、3为阳极筒、4为吸气剂阴极板、电引入5、电引入导线6、真空腔连接管7、真空腔体外壳由非磁性材料构成，如不锈钢和铜等。

具体实施方式

一种吸气/离子复合一体泵，结构包括吸气剂阴极板、阳极筒、真空腔室外壳、电引入、绝缘件、强磁铁以及其他配件。真空腔体内部气压达到要求时，启动连接阳极筒的高压电源，在高压和磁场作用下产生高速运动的离子，对吸气剂阴极板进行轰击。表面氧化层被轰击后直接激活吸气剂材料，一体泵进入正常工作状态。

所述的阴极板是由吸气剂材料烧结而成，吸气剂所烧结而成的合金为多孔，孔隙度达30~50%；并且合金结合强度较高，可以根据阳极筒的尺寸要求制备任意形状，因为阴极板上溅射部位的强弱决定于电场场强度的不同，阴极板外形可优选矩形或者圆形。

所述的真空室外壳是非磁性导体材料，优选316L、316不锈钢或铜。

所述的阳极筒，选择316/316L不锈钢或者镍基合金材料构成。

所述的吸气剂板，是由非蒸散型吸气剂材料通过粉末烧结而成，吸气剂材料通常选择钛、锆、钒、铁、钼、铝、钴以及稀土元素的一种或几种。

实例1

如图3所示，一种吸气/离子复合一体泵示例图，其结构包括强磁铁1，真空腔外壳2，阳极筒3，吸气剂阴极板4，电引入5，电引入导线6，真空腔连接管7。

所述的强磁铁1, 与吸气剂阴极板背对安置，其中间由真空腔外壳隔离，与阳极筒轴向垂直。

所述的真空腔室外壳2，材质为316L，厚度为1.5mm。

所述的阳极筒3，材质为316L，壁厚为0.4mm，外径为20mm，长度13mm，阳极筒之间通过焊接方式形成蜂窝状的阳极筒组件，并且通过导线6与高压电源相连接。

所述的吸气剂阴极板4，材质为吸气剂合金多孔合金，孔隙率为38%，厚度1.5mm，长度150mm，宽度95mm，并且与真空腔体外壳相连接。

当吸气/离子复合一体泵的真空腔体内气压达到要求时，启动连接阳极筒的高压电源，在高压和磁场作用下使得气体分子电离并且使得气体离子高速运动，带正电荷的离子对吸气剂阴极板进行轰击。吸气剂表面氧化层被轰击后直接激活吸气剂材料，一体泵进入正常工作状态。

实例2

如图3所示，一种吸气/离子复合一体泵，其结构包括强磁铁1，真空腔外壳2，阳极筒3，吸气剂阴极板4，电引入5，电引入导线6，真空腔连接管7。

所述的强磁铁1, 材质为钕铁硼，长度180mm，宽度110mm，紧贴在真空腔壳外侧，与阳极筒轴向垂直，两个磁铁相对安置。

所述的真空腔室外壳2，材质为镍基合金，厚度为1.7mm。

所述的阳极筒3，材质为镍基合金，壁厚为0.3mm，外径为18mm，长度11mm，阳极筒之间通过焊接方式形成蜂窝状的阳极筒组件，并且通过导线6与高压电源相连接。

所述的吸气剂阴极板4，材质为吸气剂多孔合金，孔隙率为38%，厚度1.7mm，长度132mm，宽度93mm，并且与真空腔体外壳相连接。

实例2与实例1相比，主要的变化真空腔外壳和阳极筒材料更换成了抗腐蚀的镍基合金。在可适用于腐蚀性较强的工艺中。

对实施例1、实施例2采用动态法进行了测试，测试标准为ASTMF798-97，测试气体为高纯氢气和高纯氩气，所有测试均在同测试系统中进行。将整个真空系统（包括一体泵）进行3h的250℃的烘烤去气，冷却后，高压加至3KV，待20分钟后，通入高纯氢气，实施例1最大抽速约为209 L/s，其在1×10

通过以上测试结果可以得出：本发明除了结构紧凑以外，在抽速方面的优势明显，解决了现有技术离子泵吸氢速率低、吸气泵无法吸收惰性气体以及吸气泵加热激活问题，并且在高压强下和低压强下都表现出高于现有技术的吸气能力。