超高真空系统基础知识
第二讲 超高真空系统中常用到的泵
一、机械泵
机械泵的主要作用是为涡轮分子泵的启动提供必要的前级真空。常用的机械泵主要包括涡旋干泵、隔膜泵和油密封机械泵。
隔膜泵抽速较低，但是体积小，一般用于小型的分子泵组。
油密封机械泵是过去用得最多的机械泵，特点是抽速大、极限真空好，缺点是普遍存在返油的情况，在超高真空系统中使用一般需要配备电磁阀（用于防止意外断电造成返油）和分子筛（吸附作用）。
近年来用得较多的是涡旋干泵，优点是使用相对简单，不会返油，但是抽速和极限真空要略差于油密封机械泵。
机械泵是实验室噪音和振动的重要来源，选用低噪音的泵并尽可能将其放置于设备间是较好的办法，但是由于工作距离限制，后者通常不容易实现。
二、涡轮分子泵
涡轮分子泵是依靠高速旋转的叶片（通常在每分钟1000转左右）来实现气体的定向流动，泵的排气压力与进气压力之比称为压缩比。压缩比与泵的级数、转速和气体的种类有关，一般分子量大的气体压缩比较高。对氮的压缩比为108～109；对氢为102～104。涡轮分子泵的极限真空一般认为在10-9-10-10mbar。近年来随着分子泵技术的不断进步，极限真空有进一步提升。
由于涡轮分子泵的优势在分子流状态（气体分子的平均自由程远大于导管截面最大尺寸的流态）下才能体现，因此要求配有工作压力为1～10-2Pa的前级真空泵。由于叶片高速旋转，如遭遇异物、抖动、撞击、共振或气体冲击，会造成分子泵的损伤或损坏。对初学者来说，最常见的损伤原因是操作失误造成的气体冲击。机械泵引发共振也会导致分子泵的损坏。这种情况虽然比较少见，但因为较为隐蔽，不易发现，需要特别注意。
三、溅射离子泵
溅射离子泵的工作原理是利用潘宁放电产生的离子轰击阴极的钛板形成新鲜钛膜，从而吸附活性气体，对惰性气体也有一定的掩埋效果。溅射离子泵的优点是极限真空好、无振动、无噪音、无污染、工艺成熟稳定、无需维护，在同等抽速下（惰性气体除外），其成本远低于分子泵，因此在超高真空系统中运用极其广泛。通常溅射离子泵的正常工作周期都在10年以上。
离子泵一般需要在10-7mbar以上才能正常工作（在更差的真空下工作会显著降低其寿命），因此需要分子泵组为其提供较好的前级真空。常见做法是在主腔使用离子泵+TSP，在进样腔配备小型分子泵组，烘烤时打开连接的插板阀，由小型分子泵组提供前级真空，完成烘烤后关闭插板阀，由离子泵配合TSP实现超高真空。
需要注意的是，离子泵对惰性气体吸附能力较差，最大抽速和分子泵也有一定差距，因此，对放气量大或惰性气体较多的情况，需要使用分子泵组。另外，离子泵工作过程中会产生电磁场，对于特别敏感的系统可能存在干扰。
四、钛升华泵
钛升华泵的工作原理是依靠金属钛的蒸发在腔壁上形成钛膜进行化学吸附。钛升华泵的优点是结构简单、成本低、易维护、无辐射、无振动噪音。
钛升华泵通常由3根钛灯丝（以防烧断）组成，和分子泵或离子泵组合使用，能够起到很好的除氢效果，是10-9-10-11mbar区间最重要的真空泵，在大部分对真空度有较高要求的超高真空腔体中都有配备。
钛升华泵的缺点是需要定期进行钛的溅射，溅射期间（数分钟内）真空会变差约1-2个数量级，因此某些有特定需求的腔体，需要使用NEG。另外，对于钛敏感的样品/器件，应注意避开钛升华泵的位置。
五、低温泵
低温泵主要是靠低温物理吸附来获得真空，优点是抽速大、无污染、极限真空高。影响低温泵抽速的主要因素是温度和泵的表面积。在大型的分子束外延系统中，由于对极限真空的要求较高，低温泵有广泛的运用。
低温泵的缺点是液氮消耗量大，运行成本高。带有循环制冷机的系统可以不消耗液氮，但是会带来相应的能耗、振动和噪音等问题。因此，低温泵在常规实验室设备中较少使用。
六、吸气剂泵（NEG）
吸气剂泵是近年来使用较多的一种真空泵，其优点是完全采用化学吸附，不产生蒸镀和电磁污染，往往配合分子泵使用，取代钛升华泵和溅射离子泵的位置，缺点是成本较高，再生次数有限，通常用于对真空稳定性要求较高或对电磁场高度敏感的系统。
另外，由于吸气剂泵除初始激活外无需额外电源接入，也经常在大型系统中作为增大抽速、提高真空度的辅助泵使用，可以有效简化系统。
图1. 不同种类的泵对应的工作气压。其中棕色箭头范围为最大许可的工作气压范围，绿色加粗部分为常用的工作气压范围。
