Page 74 - 《真空与低温》2025年第3期

孙雷桔等：基于热释电原理的低电压无磁离子泵性能研究 345

电，且没有电荷移动。图 1（b）表示当材料温度升 放电特性，因此选择 LiTaO 3 晶体作为离子泵的电
高时，材料的自发极化程度减小，+Z 面上积蓄的空 子源与电压源。
间电荷难以被极化电荷完全中和，导致加热时+Z 温度变化时，由于热释电效应在热释电晶体表
[19]
面带负电，电子从+Z 面向外发射。图 1（c）表示热 面产生的电势可表示为 ：
释电材料处于冷却状态时材料的自发极化程度增 pd∆T
U = （2）
大，+Z 面所积蓄的极化电荷无法被空间电荷完全 ε r ε 0
中和，此时+Z 面带正电。−Z 面加热和冷却状态时 式 中： d为 热 释 电 晶 体 厚 度 ； ΔT 为 温 差 ； ε 0 =
−1
的放电原理与+Z 面相反。图中 E ga 为晶体表面积 8.85×10 −12 F·m ； ε r = 55。
p
累的间隙电场，I va 和 c I bul 分别为空间中和晶体内部 2 结构设计及电子轨迹仿真
k
的电子流。
2.1 结构设计
根据热释电效应原理，将热释电晶体作为电子
设计的离子泵结构如图 2 所示，主要由加热片、
源发射电子，电子与空气分子撞击并将其电离，电
电子源、栅极、Ti 筒、抑制极五个部分组成。加热
离产生的离子轰击 Ti 板溅射出新鲜 Ti 膜从而达到
片用于改变晶体温度，并通过控制加热片的加热功
抽气效果。同时热释电晶体作为电压源，用来改变
率与加热、冷却时间来实现对 LiTaO 3 晶体表面电
电子能量以及电子运动轨迹从而达到较好的电离
子的发射和电势积累的控制。所设计的离子泵整
效果。
体需要三块晶体共同工作：离子泵底部晶体（尺寸：
与热释电材料性能相关的参数有三个：热释电
20 mm×20 mm×1 mm）作为电子源提供电子；栅极
系数（ p）、介电常数（ ）、居里温度（ T c）。一般常
ε r
上的晶体（尺寸：10 mm×20 mm×1 mm）作为电压源
用电压响应值（ F v）来反映热释电材料的放电能力，
为栅极提供电压，通过栅极来改变电子的初始发射
该性能因素可表示为 ：
[18]
p 能量；离子泵顶部抑制极上的晶体（尺寸：直径为
F v = （1） 10 mm、厚为 2 mm）也作为电压源为抑制极提供抑
ε 0 ε r c V
式中： p为热释电材料系数，LiTaO 3 材料的热释电 制电压，顶部抑制极用来延长电子的运动轨迹，使
2
系数取 230 μC/（m ·K）； ε 0为真空介电常数； 为热 电离几率增大，提高电离效率。三块晶体均与加热
ε r
释电材料的介电常数； c V为热释电材料的比热容。 片直接贴合，减少了传热损失并且对晶体温度的控
LiTaO 3 材料有较高的居里温度（665 ℃）与较好的 制更准确。

抑制极 LiTaO 3 晶体

Ti 筒

加热片
栅极

（a）三维模型结构示意图 （b）实物图
图 2 离子泵三维模型结构及实物图
Fig. 2 Three-dimensional model structure and physical diagram of ion pump

离子泵中间电离区域放置一圆柱形 Ti 筒，电 泵各部分通过放气率较低的机械紧固件及石英玻
子电离空气分子形成的离子在晶体表面形成的复 璃来实现相互间的固定，陶瓷加热片的通电银丝从
合电场作用下轰击在 Ti 筒上，溅射出的新鲜 Ti 膜 两侧引出，通过电馈通与可编程直流稳压电源连接。

与活性气体发生化学反应，达到气体吸附效果。而 2.2 电子轨迹仿真
惰性气体在被电离成惰性气体离子轰击在 Ti 筒后 将离子泵简化模型导入 COMSOL 软件进行电
被掩埋在 Ti 筒内部，完成惰性气体的吸附。离子 子轨迹的仿真模拟，使用 COMSOL 软件中的静电