Page 73 - 《真空与低温》2025年第3期

344 真空与低温 第 31 卷 第 3 期

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超高真空环境下才能正常运行。此外，一些小型真 膜与活性气体发生化学反应，从而达到抽气效果 。
空电子器件的正常工作也要求较低的压力和较长 但对于小型化的冷原子真空系统来说，溅射离子泵
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时间的真空维持 。在这些小型真空系统内想要 中永磁体产生的磁场会影响真空系统中磁光阱的
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获得 10 Pa 以下的压力及维持，传统的解决方法 磁场，对冷原子系统测量精度的影响较大 。除冷
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主要有：第一种是目前应用较为广泛的吸气剂技术， 原子真空系统外，有磁离子泵同样不适用带有电子
虽然吸气剂可以有效地吸附活性气体，体积小易于 源或电压源的系统，如半导体测量设备及电子光学
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封装 ，但吸气剂的激活较麻烦并且很可能在高温 设备。
激活时由于加热不均或其他原因使真空系统产生 因此，本文基于热释电晶体在温度变化时产生
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泄漏，影响真空维持 ，而且吸气剂对惰性气体的 的热释电效应设计了一种低电压无磁小型溅射离
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吸气效果不明显，不能有效地泵送碱蒸气 ，局限 子泵，并通过实验研究其性能。

性较大；第二种是真空封装，即在一定真空环境下 1 热释电基本原理
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完成对真空电子器件的封装 ，但该方法无法达到
具有自发极化的热释电晶体被加热或冷却时，
较低压力，且具有一定的寿命问题，无法达到长时
温度的变化会引起晶格中金属原子相对于构成晶
间的真空维持要求 ；第三种是外接真空泵组，而
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格主体的氧原子移动，导致晶体极化，从而表现出
传统的真空泵组不仅笨重，而且能耗高，增大了真 热释电效应 。在大气环境中有丰富的自由电荷，
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空电子元件或其他小型真空系统的整体体积 。 能及时中和因温度改变在晶体表面形成的净电
溅射离子泵因为结构较为简单紧凑，没有机械 荷 ，然而真空环境中自由电荷的供应有限，晶体
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运动部件，工作时无噪声震动，并且能够获得并维 表面未被中和的净电荷能够产生 10 ~10 V/cm 的
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持较低压力，所以能够很好地集成在小型真空系统 电场 ，这个电场足以从晶体表面的介电层发射出
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中。传统溅射离子泵主要由阴极、阳极和永磁体 电子 。当晶体上的温度梯度反转时，引起电子发
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构成的磁极三部分组成，在阴极 Ti 板上施加 1 500 V 射的电场也将发生反转，即+Z 晶体表面在加热时
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左右的高电压产生冷阴极发射效应 从而实现电 释放电子，在冷却时吸引电子。−Z 晶体表面加热
子发射。电子与气体分子发生碰撞后产生的气体 时吸引电子，冷却时发射电子 。
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离子在复合场作用下向阴极 Ti 板运动，轰击在 Ti 温差引起的热释电材料表面电势变化及电子
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板上并发生溅射掩埋现象，同时溅射出的新鲜 Ti 发射原理如图 1 所示。

ΔT>0, ρ<0
−
I vac
空间电荷, σ SC e E gap
σ SC
e
极化电荷, P S − +Z 面
P S I bulk
σ SC
+Z 面
P S
P S
（b）温度升高，ΔT>0 时空间电荷与晶体
内部极化电荷分布情况
P S
ΔT<0, ρ>0
−Z 面
e − E gap
I vac
+Z 面
（a）平衡状态时空间电荷与晶体 I bulk e −
内部极化电荷分布情况 P S
（c）温度降低，ΔT<0 时空间电荷与晶体
内部极化电荷分布情况
图 1 热释电效应原理图
Fig. 1 Schematic diagram of pyroelectric effect

图 1（a）表示了热释电材料处于平衡状态时空 间电荷与极化电荷完全中和，+Z 面和−Z 面均不带