當(dāng)壓力超過 10 -5Pa之后就進(jìn)入到了超高真空應(yīng)用領(lǐng)域。這個(gè)時(shí)候，多數(shù)真空泵的抽氣作用已經(jīng)停止或者抽速很低。那這個(gè)時(shí)候用來實(shí)現(xiàn)超高真空的真空泵都有哪些呢，一起來簡單了解下。

一、機(jī)械泵

機(jī)械泵的主要作用是為渦輪分子泵的啟動(dòng)提供必要的前級真空。常用的機(jī)械泵主要包括渦旋干泵、隔膜泵和油密封機(jī)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(jī)械泵是過去用得最多的機(jī)械泵，特點(diǎn)是抽速大、極限真空好，缺點(diǎn)是普遍存在返油的情況，在超高真空系統(tǒng)中使用一般需要配備電磁閥（用于防止意外斷電造成返油）和分子篩（吸附作用）。

近年來用得較多的是渦旋干泵，優(yōu)點(diǎn)是使用相對簡單，不會(huì)返油，但是抽速和極限真空要略差于油密封機(jī)械泵。

機(jī)械泵是實(shí)驗(yàn)室噪音和振動(dòng)的重要來源，選用低噪音的泵并盡可能將其放置于設(shè)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(shí)現(xiàn)。

二、渦輪分子泵

渦輪分子泵是依靠高速旋轉(zhuǎn)的葉片（通常在每分鐘1000轉(zhuǎn)左右）來實(shí)現(xiàn)氣體的定向流動(dòng)，泵的排氣壓力與進(jìn)氣壓力之比稱為壓縮比。壓縮比與泵的級數(shù)、轉(zhuǎn)速和氣體的種類有關(guān)，一般分子量大的氣體壓縮比較高。對氮的壓縮比為 10 8 ～10 9；對氫為 10 2 ～10 4。渦輪分子泵的極限真空一般認(rèn)為在 10 -9 -10 -10 mbar。近年來隨著分子泵技術(shù)的不斷進(jìn)步，極限真空有進(jìn)一步提升。

由于渦輪分子泵的優(yōu)勢在分子流狀態(tài)（氣體分子的平均自由程遠(yuǎn)大于導(dǎo)管截面最大尺寸的流態(tài)）下才能體現(xiàn)，因此要求配有工作壓力為 1～10 -2 Pa的前級真空泵。由于葉片高速旋轉(zhuǎn)，如遭遇異物、抖動(dòng)、撞擊、共振或氣體沖擊，會(huì)造成分子泵的損傷或損壞。對初學(xué)者來說，最常見的損傷原因是操作失誤造成的氣體沖擊。機(jī)械泵引發(fā)共振也會(huì)導(dǎo)致分子泵的損壞。這種情況雖然比較少見，但因?yàn)檩^為隱蔽，不易發(fā)現(xiàn)，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(chǎn)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(yōu)點(diǎn)是極限真空好、無振動(dòng)、無噪音、無污染、工藝成熟穩(wěn)定、無需維護(hù)，在同等抽速下（惰性氣體除外），其成本遠(yuǎn)低于分子泵，因此在超高真空系統(tǒng)中運(yùn)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 -7 mbar以上才能正常工作（在更差的真空下工作會(huì)顯著降低其壽命），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(jìn)樣腔配備小型分子泵組，烘烤時(shí)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(guān)閉插板閥，由離子泵配合TSP實(shí)現(xiàn)超高真空。

需要注意的是，離子泵對惰性氣體吸附能力較差，最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(huì)產(chǎn)生電磁場，對于特別敏感的系統(tǒng)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(fā)在腔壁上形成鈦膜進(jìn)行化學(xué)吸附。鈦升華泵的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、成本低、易維護(hù)、無輻射、無振動(dòng)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 -11 mbar區(qū)間最重要的真空泵，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(diǎn)是需要定期進(jìn)行鈦的濺射，濺射期間（數(shù)分鐘內(nèi)）真空會(huì)變差約1-2個(gè)數(shù)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(yīng)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(yōu)點(diǎn)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(tǒng)中，由于對極限真空的要求較高，低溫泵有廣泛的運(yùn)用。

低溫泵的缺點(diǎn)是液氮消耗量大，運(yùn)行成本高。帶有循環(huán)制冷機(jī)的系統(tǒng)可以不消耗液氮，但是會(huì)帶來相應(yīng)的能耗、振動(dòng)和噪音等問題。因此，低溫泵在常規(guī)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備中較少使用。

六、吸氣劑泵（NEG）

吸氣劑泵是近年來使用較多的一種真空泵，其優(yōu)點(diǎn)是完全采用化學(xué)吸附，不產(chǎn)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(diǎn)是成本較高，再生次數(shù)有限，通常用于對真空穩(wěn)定性要求較高或?qū)﹄姶艌龈叨让舾械南到y(tǒng)。

另外，由于吸氣劑泵除初始激活外無需額外電源接入，也經(jīng)常在大型系統(tǒng)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(tǒng)。

圖2. 不同種類的泵對應(yīng)的工作氣壓。其中棕色箭頭范圍為最大許可的工作氣壓范圍，綠色加粗部分為常用的工作氣壓范圍。