Page 75 - 《真空与低温》2025年第3期

346 真空与低温 第 31 卷 第 3 期

模块、带电粒子追踪模块对离子泵运行期间所发 加热片在额定电压（6 V）、额定电流（2 A）下开始热
射电子的电子轨迹进行仿真模拟，仿真得到的电子 循环工作。因为晶体是在真空环境下工作，所以要
轨迹如图 3 所示。 使其温度下降到一定值所需冷却时间远大于加热
时间。本次实验中测量了不同晶面温度变化，发现

电子能量/eV 热释电晶体热循环最大稳定温度差值随加热时间
×10 4
和冷却时间的增加而增加，温度变化测量结果如
2.5
图 5 所示。
2.0

120
1.5 6 V/2 A：加热 30 s、冷却 720 s
6 V/2 A：加热 25 s、冷却 480 s
1.0 100
6 V/2 A：加热 15 s、 冷却 240 s
0.5
温度/℃
0 80
图 3 离子泵电子轨迹仿真 60
Fig. 3 Simulation of the electronic trajectory of the ion pump
40
从电子轨迹仿真图可以发现电子从电子源晶
20
体发射后，在各部分晶体形成的复合电场作用下， 0 10 000 20 000
时间/s
能够在即将到达离子泵顶端前发生运动方向的转
变最后轰击在圆柱形 Ti 筒上，从而形成较长的电 图 5 不同加热、冷却时间下晶体温度变化曲线
子运动轨迹，以达到增大电离几率的目的。电子轨 Fig. 5 Crystal temperature curves under different heating and
迹仿真验证了所设计的离子泵结构的合理性。 cooling times

3 实验设计与实验结果分析 由 以 上 温 度 变 化 曲 线 可 知， 当 实 验 进 行 到
第 8 个加热循环之后晶体表面能够获得较稳定的
为验证所设计离子泵的抽气效果，将离子泵放
温度差，即此时晶体表面能够积累较为稳定的电势，
置于内部体积约为 900 cm 的不锈钢腔体内，除连
3
加热 15 s、冷却 240 s 时，热释电晶体热循环最大温
接用来控制加热片和检测温度的离子泵电气系统
差稳定在 10 ℃；加热 25 s、冷却 480 s 时热循环最
外，腔体还需通过全金属角阀与分子泵组连接，用
大温差稳定在 20 ℃；加热 30 s、冷却 720 s 时热循
以获得开启离子泵的预压力。同时腔体与全量程
环最大温差稳定在 30 ℃。温差越大，晶体表面就
电离真空计连接，可以实时监测腔体内部真空度变
会积累更大的电势，晶体发射的电子能量也越大，
化。实验系统装置示意图如图 4 所示。
离子泵吸气性能也会有所影响。
离子泵电气 根据式（2）可计算不同厚度晶体在不同温度差
系统
下所产生的晶体表面电势大小，当温差在 10 ℃ 时，
1 mm 厚度的热释电晶体表面电势为：
−6
−3
pd∆T 230×10 ×1×10 ×10 3
U = = −12 = 4.7×10 V
55×8.85×10
ε r ε 0
分子泵组 真空腔室 全量程电离真空计 同理，当温差在 20 ℃、30 ℃ 时，1 mm 厚度的
3
热 释 电 晶 体 表 面 电 势 分 别 为： 9.4×10 V、 1.41×
图 4 实验系统装置示意图 4
10 V。2 mm 厚度的晶体在 10 ℃、20 ℃、30 ℃ 温
Fig. 4 Schematic diagram of the experimental setup
3
4
差下所产生的电势分别为 9.4×10 V、1.88×10 V、
热释电晶体所能获得的电势大小与其温度变 2.82×10 V。
4
化成正比，可以通过控制加热片的加热和冷却时间 实验测试了离子泵在中真空环境下作为主泵
形成加热循环，获得较为稳定的晶体表面温度变化。 单独抽气时的抽气效果。开启分子泵组将真空腔
−3
−3
开启分子泵组将腔体内压力抽至 10 Pa 量级时， 室压力抽至 10 Pa 后关闭角阀，开启离子泵，腔室