Page 76 - 《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 347

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内压力变化曲线如图 6 所示。离子泵开启初期，晶 晶体电压分别为 9.4×10 V、9.4×10 V、1.88×10 V；
体释放大量电子轰击材料表面导致材料放气增大， ΔT=30 ℃ 时电子发射极、栅极、抑制极处晶体电压
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短时间内腔室内压力上升较快。随着温度循环的 分别为 1.41×10 V、1.41×10 V、2.82×10 V。温差
进行，晶体产生较稳定的电势和电子流，离子泵的 越大，晶体表面所形成的电势越大，晶体发射的电
抽气效果逐渐体现出来，腔室内压力逐渐下降。 子能量也越大，但是电离空气的最佳电子能量在
150 eV [20] 左右，电子能量过大会降低电离效率，并
ΔT=30 ℃ 且还可能会产生更大的材料放气。
静态升压
1
8×10 −6
ΔT=10 ℃
6×10 −6 ΔT=20 ℃
压力/Pa 1×10 −1 4×10 −6 ΔT=30 ℃
单分子泵
压力/Pa
1×10 −2
2×10 −6
1×10 −3
0 2 000 4 000 6 000 8 000
时间/s

图 6 离子泵在粗真空环境下抽气曲线 0 1 000 2 000 3 000 4 000
Fig. 6 Pumping effect curve of ion pump in rough 时间/s
vacuum environment
图 7 不同热循环条件的离子泵在高真空环境下抽气曲线
作为对照，关闭角阀后静置真空腔，此时真空 Fig. 7 Pumping curves of ion pumps under different thermal
室壁面以及其他材料表面会产生放气，使真空腔室 cycling conditions in high vacuum environment
压力上升即静态升压，约 3 000 s 后压力升至 0.5 Pa 实验证明，所设计的离子泵在 10 Pa 量级真
−6
左右不再上升，压力上升曲线如图 6 所示。通过对 空环境下作为辅助泵与分子泵同时工作，可有效提
比可以验证所设计的离子泵在粗真空条件下具有 高泵组的抽气能力。

一定的抽气效果。
4 总结
此外，实验还测试了离子泵作为辅助泵与分子
本工作通过理论与结构设计、仿真模拟以及
泵同时在高真空环境下工作时的抽气性能，并对比
实验验证设计了一种以热释电晶体为电子源、电
了不同热循环条件的离子泵的工作性能差异。
压源的低电压无磁离子泵。通过 COMSOL 软件仿
如图 7 所示，分子泵单独工作 4 000 s 后，腔室
真得出所设计的离子泵结构具有较为理想的电子
−6
内压力下降至 1.4×10 Pa 左右。分子泵与离子泵
轨迹。实验验证了其在 10 Pa 量级中真空环境下
−3
同时工作，晶体表面温差在 10 ℃ 的离子泵表现出
具有良好的抽气性能并能够作为辅助泵有效提高
了最好的辅助抽气效果，能够达到比分子泵单独工 −6
分子泵在 10 Pa 量级高真空环境下的抽气效果。
作更低的压力。晶体表面温差在 20 ℃ 的离子泵与
研究为低电压无磁环境下小型真空系统的真空获
分子泵同时工作所能获得的最低腔室压力与分子 得与维持提供了可行方案。
泵单独工作相近，可能是因为在该温差条件下材料
放气大于温差为 10 ℃ 的晶体，同时提供的电子电 参考文献：
流、电势低于温差为 30 ℃ 的晶体，导致其辅助抽 [1] KITCHING J，KNAPPE S，DONLEY E A. Atomic sensors-A
气效果不明显。晶体表面温差在 30 ℃ 的离子泵与 review[J]. IEEE Sensors Journal， 2011， 11（9）： 1749−1758.
分子泵同时工作，虽然其抽气效果比分子泵单独工 [2] GRZEBYK T，GÓRECKA-DRZAZGA A. MEMS type ion-
作要好，但差异不明显。 ization vacuum sensor[J]. Sensors and Actuators A：Physical，
根据式（2）计算，ΔT=10 ℃ 时电子发射极、栅 2016，246：148−155.
极、抑制极处晶体电压分别为 4.7×10 V、4.7×10 V、 [3] ESPE W， KNOLL M， WILDER M P. Getter materials[J].
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9.4×10 V；ΔT=20 ℃ 时电子发射极、栅极、抑制极处 Electronics，1950，23：80.
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