超高真空系統中常用到的泵
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超高真空系統中常用到的泵
一、機械泵
機械泵的主要作用是為渦輪分子泵的啟動提供必要的前級真空。常用的機械泵主要包括渦旋干泵、隔膜泵和油密封機械泵。
隔膜泵抽速較低，但是體積小，一般用于小型的分子泵組。
油密封機械泵是過去用的多的機械泵，特點是抽速大、極限真空好，缺點是普遍存在返油的情況，在超高真空系統中使用一般需要配備電磁閥和分子篩。
機械泵是實驗室噪音和振動的重要來源，選用低噪音的泵并盡可能將其放置于設備間是較好的辦法，但是由于工作距離限制，后者通常不容易實現。
二、渦輪分子泵
渦輪分子泵是依靠高速旋轉的葉片來實現氣體的定向流動，泵的排氣壓力與進氣壓力之比稱為壓縮比。壓縮比與泵的級數、轉速和氣體的種類有關，一般分子量大的氣體壓縮比較高。對氮的壓縮比為108~109；對氫為102～104。渦輪分子泵的極限真空一般認為在10-9-10-10mbar。近年來隨著分子泵技術的不斷進步，極限真空有進一步提升。
由于渦輪分子泵的優勢在分子流狀態下才能體現，因此要求配有工作壓力為1～10-2Pa的前級真空泵。由于葉片高速旋轉，如遭遇異物、抖動、撞擊、共振或氣體沖擊，會造成分子泵的損失或損壞。對初學者來說，常見的損失原因是操作失誤造成的氣體沖擊。機械泵引發共振也會導致分子泵的損壞。這種情況雖然比較少見，但因為較為隱蔽，不易發現，需要特別注意。
三、濺射離子泵
濺射離子泵的工作原理是利用潘寧放電產生的離子轟擊陰極的鈦板形成新鮮鈦膜，從而吸附活性氣體，對惰性氣體也有一定的掩埋效果。濺射離子泵的優點是極限真空好、無振動、無噪音、無污染、工藝成熟穩定、無需維護，在同等抽速下（惰性氣體除外），其成本遠低于分子泵，因此在超高真空系統中運用極其廣泛。通常濺射離子泵的正常工作周期都在10年以上。
離子泵一般需要在10-7mbar以上才能正常工作，因此需要分子泵組為其提供較好的前級真空。常見做法是在主腔使用離子泵+TSP，在進樣腔配備小型分子泵組，烘烤時打開連接的插板閥，由小型分子泵組提供前級真空，完成烘烤后關閉插板閥，由離子泵配合TSP實現超高真空。
需要注意的是，離子泵對惰性氣體吸附能力較差，較大抽速和分子泵也有一定差距，因此，對放氣量大或惰性氣體較多的情況，需要使用分子泵組。另外，離子泵工作過程中會產生電磁場，對于特別敏感的系統可能存在干擾。
四、鈦升華泵
鈦升華泵的工作原理是依靠金屬鈦的蒸發在腔壁上形成鈦膜進行化學吸附。鈦升華泵的優點是結構簡單、成本低、易維護、無輻射、無振動噪音。
鈦升華泵通常由3根鈦燈絲（以防燒斷）組成，和分子泵或離子泵組合使用，能夠起到很好的除氫效果，是10-9-10-11mbar區間重要的真空泵，在大部分對真空度有較高要求的超高真空腔體中都有配備。
鈦升華泵的缺點是需要定期進行鈦的濺射，濺射期間真空會變差約1-2個數量級，因此某些有特定需求的腔體，需要使用NEG。另外，對于鈦敏感的樣品/器件，應注意避開鈦升華泵的位置。
五、低溫泵
低溫泵主要是靠低溫物理吸附來獲得真空，優點是抽速大、無污染、極限真空高。影響低溫泵抽速的主要因素是溫度和泵的表面積。在大型的分子束外延系統中，由于對極限真空的要求較高，低溫泵有廣泛的運用。
低溫泵的缺點是液氮消耗量大，運行成本高。帶有循環制冷機的系統可以不消耗液氮，但是會帶來相應的能耗，振動和噪音等問題。因此，低溫泵在常規實驗室設備中較少使用。
六、吸氣劑泵
吸氣劑泵是近年來使用較多的一種真空泵，其優點是完全采用化學吸附，不產生蒸鍍和電磁污染，往往配合分子泵使用，取代鈦升華泵和濺射離子泵的位置，缺點是成本較高，再生次數有限，通常用于對真空穩定性要求較高或對電磁場高度敏感的系統。
另外，由于吸氣劑泵除初始激活外無需額外電源接入，也經常在大型系統中作為增大抽速、提高真空度的輔助泵使用，可以有效簡化系統。
不同種類的泵對應的工作氣壓
來源：真空系統解決方案