紧凑型静电离子泵制造技术

本公开包括外电极和内电极。外电极限定内容积并且被配置为通过至少一个孔接收注入的电子。内电极定位在内容积中。外电极和内电极被配置为响应于外电极与内电极之间的电势将所接收的电子限制在围绕内电极的轨道中。该设备不包括被配置为生成电子约束磁场的部件。

Compact electrostatic ion pump

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】紧凑型静电离子泵政府权力本专利技术是在由美国陆军合同司令部授予的第W31P4Q-15-C-0093号合同的政府支持下进行的。政府在本专利技术中有一定权利。
本公开涉及离子泵系统，并且更具体地，涉及用于产生真空的离子泵系统。
技术介绍
溅射离子泵是被设计为使用溅射从气体介质中去除离子的真空泵。作为一个示例，溅射离子泵可以流体耦接到真空腔室。溅射离子泵利用阳极与阴极之间的强电势从离子泵的阴极发射电子。发射的电子引起背景气体物质(其被电势场加速)的碰撞电离，将这些离子驱入阴极并从气体介质中去除离子以产生真空。溅射离子泵通常使用磁场将电子限制在离子泵内。
技术实现思路
一般而言，本公开描述了能够产生具有减少的磁干扰的高真空的紧凑型离子泵。描述了利用静电场将电子限制在离子泵内而不使用磁体或磁场的示例离子泵。在一个示例中，离子泵包括与外电极保持在正静电势的内电极。引入到外电极的内容积中的电子被内电极与外电极之间的正静电势限制在内容积内。当电子绕内电极轨道运行时，电子碰撞并电离内容积内的气体分子。正静电势还引起气体离子朝向外电极的内表面加速并吸附到外电极的内表面中。本文讨论的离子泵可以包括针对改进的离子泵性能的其他设计和操作特征。在一些示例中，外电极的内表面包括被配置为诸如通过从加速的气体离子中屏蔽吸附的气体分子来减少吸附的气体分子的再发射或内表面的原子或分子向离子泵的大气中的喷射的特征。在一些示例中，离子泵可以包括外电极中的孔和电子源，该孔和电子源被配置为以电子轨迹和电子能量将电子引入到内容积中，这可以增加电子的有效行进时间并改进电子对气体分子的碰撞电离。以这种方式，本文讨论的离子泵可以提供用于在各种用途和应用中产生高真空的技术优势。例如，与使用磁场限制电子的离子泵相比，离子泵可以发射非常低水平的磁干扰，使得可以在靠近离子泵的地方使用敏感的电子器件或其他传感器。作为另一示例，离子泵可以限制具有高行进时间的电子，从而针对特定的泵速使用较少的功率。作为另一示例，离子泵可以减少吸附的气体分子的再发射或内表面的原子或分子向离子泵的大气中的喷射，从而针对特定的泵速使用较少的功率。在一些示例中，如本文描述的设备包括外电极和内电极。外电极限定内容积并且被配置为通过至少一个孔接收注入的电子。内电极定位在内容积中。外电极和内电极被配置为响应于外电极与内电极之间的电势将接收到的电子限制在围绕内电极的轨道中。该设备不包括被配置为生成电子约束磁场的部件。在另一示例中，如本文描述的系统包括电子源和电极组件(electrodeassembly)。电子源被配置为注入电子。电极组件耦接到电子源。电极组件包括外电极和内电极。外电极限定内容积并且被配置为通过至少一个孔接收注入的电子。内电极定位在内容积中。电极组件被配置为将电子静电地限制在由电极组件限定的内部容积内。外电极和内电极被配置为响应于外电极与内电极之间的电势将接收到的电子静电地限制在围绕内电极的轨道中。该系统不包括被配置为生成电子约束磁场的部件。在另一示例中，一种方法包括通过离子泵并从电子源通过至少一个孔接收电子。离子泵包括外电极和内电极。外电极限定内容积并且被配置为通过至少一个孔接收注入的电子。内电极定位在内容积中。该方法还包括通过离子泵在外电极与内电极之间产生电势。该电势被配置为将电子限制在围绕内电极的轨道中。离子泵不包括被配置为生成电子约束磁场的部件。在下面的附图和描述中阐述一个或一个以上示例的细节。根据说明书和附图以及根据权利要求书，本公开的其他特征、目的以及优点将是显而易见的。附图说明图1是示出根据本文讨论的示例的示例离子泵系统的概念性和示意性框图。图2是示出根据本文讨论的示例的示例离子泵的侧视图。图3是示出根据本公开的示例的使用吸气剂材料的示例离子泵的泵浦操作的俯视图。图4是示出根据本公开的示例的示例离子泵内具有各种能量的电子的示例循环轨道的俯视图。图5是示出根据本文描述的示例的用于离子泵的电子注入角的俯视图。图6是示出根据本文描述的示例的包括分段的外电极和泵外壳的示例离子泵的俯视图。图7是示出根据本文描述的示例的使用静电离子泵的示例冷原子传感器的概念性和示意性框图。图8是根据本文描述的示例的用于使用静电离子泵从流体介质中去除气体分子的示例技术的流程图。图9和图10是概念验证离子泵的概念图。图11是具有3.3VDC输入的示例定制电源的电路图。图12A是示出针对理想化模拟的初始结果的示图，其中，电子的起始能量和角动量与示例离子泵中的轨道所需的起始能量和角动量相匹配。图12B是示出针对基于在电子能量和角动量条件下从外部电子束源注入电子以产生10eV至150eV的电子动能摆动的理想化模拟的初始结果的示图。图13是示出附加模拟的结果的示图，其中，基于从外部电子束源注入电子，改变不同的参数以获得长路径长度的轨道。图14是示出针对Ar离子，根据入射角的钛的溅射产额的曲线图。图15是示出针对4He+离子，根据氦离子能量的钛的溅射产额的曲线图。图16示出了在无磁体离子泵中从内电极到外电极的计算出的对数电势，其参数与表1中的微型泵模型中所示的参数相似。图17是包括在内电极与外电极之间的圆柱形栅格的示例离子泵的渲染图。图18是包括翅片状配置的离子泵的外电极的渲染图的透视图。图19是图19的外电极的渲染图的剖视图。图20是具有三维椭圆或椭圆形的一部分的形状的示例外电极的概念性截面图。图21是包括具有三维椭圆或椭圆形的一部分的形状的外电极和翅片的示例离子泵的概念性剖视图。图22是示出基于图20所示的无磁体离子泵几何形状的的飞行时间分布结果的曲线图。图23A是示出针对图20的离子泵设计的示例单3D电子轨迹的三维曲线图。图23B是示出针对图20的离子泵设计的在r-θ平面中的示例单电子轨迹的曲线图。图23C是示出针对图20的离子泵设计的在z轴方向上的示例单电子轨迹的曲线图。图24是示出针对图20所示的离子泵设计，根据半径的电子分布概率的示图。图25A和图25B是针对图20的离子泵几何形状，分别针对氦气和氮气的不同注入电子束电流的泵速对有效电子飞行时间的曲线图。图26是示出相对于外电极、内电极以及电子注入点的电极注入的条件的概念图。图27示出针对法线为零度的方位角α的注入稳定性图，以及针对不同仰角的电子位置曲线图。图28A至图28C示出了在不同电子注入能量下针对法线为60°的方位角α的注入稳定性图。图29是包括大致圆柱形外电极的离子示例泵的渲染图。图30A和图30B是分别示出了针对图30的示例离子泵的输入电子上的空间分布和1000个电子的初始轨迹的模拟结果的概念图。图31A和图31B是分别示出针对两种不同的外电极几何形状的计算出的电子轨道的示图：如图29所示的圆柱形外电极和如图20所示的具有圆形顶部和底部的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种设备，包括：/n外电极，所述外电极限定内容积并且被配置为通过至少一个孔接收注入的电子；以及/n内电极，所述内电极定位在所述内容积中，/n其中，所述外电极和所述内电极被配置为响应于所述外电极与所述内电极之间的电势将所接收的电子限制在围绕所述内电极的轨道中，并且/n其中，所述设备不包括被配置为生成电子约束磁场的部件。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170711 US 62/531,2701.一种设备，包括：
外电极，所述外电极限定内容积并且被配置为通过至少一个孔接收注入的电子；以及
内电极，所述内电极定位在所述内容积中，
其中，所述外电极和所述内电极被配置为响应于所述外电极与所述内电极之间的电势将所接收的电子限制在围绕所述内电极的轨道中，并且
其中，所述设备不包括被配置为生成电子约束磁场的部件。


2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述外电极还限定从所述外电极的顶部延伸到所述外电极的底部的中心轴，并且其中，所述内电极围绕所述中心轴定位。


3.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述外电极包括限定内表面的壁，其中，所述壁限定延伸穿过所述壁的所述至少一个孔，并且其中，所述至少一个孔限定所述电子围绕所述中心轴的行进方向。


4.根据权利要求2或3所述的设备，其中，所述至少一个孔定位在所述外电极的顶部和所述外电极的底部中的至少一个附近。


5.根据权利要求3所述的设备，其中，所述外电极的所述内表面包括吸气剂材料，所述吸气剂材料被配置为从所述内容积吸附气体，并且其中，所述内表面被配置为屏蔽所吸附的气体不受离子的影响。


6.根据权利要求1至5中任一项所述的设备，还包括定位在所述外电极与所述内电极之间的圆柱形栅格。


7.根据权利要求5所述的设备，其中，所述壁包括基本上平行于所述中心轴定向的多个翅片，并且其中，所述多个翅片中的每个翅片在所述电子的行进方向上轴向旋转。


8.根据权利要求3至6中任一项所述的设备，其中，所述壁是分段的，并且还包括在所述外电极外部的外壳。


9.根据权利要求3所述的设备，其中，所述外电极的内表面的形状通常为圆柱形、桶形、蛋形或球形，并且其中，所述外电极的内表面的形状被配置为改善泵的操作。


10.根据权利要求2至9中任一项所述的设备，还包括：
顶端盖，所述顶端盖靠近所述外电极的顶部；以及
底端盖，所述底端盖靠近所述外电极的底部，
其中，所述顶端盖和所述底端盖被配置为接收负电势。


11.根据权利要求1至10中任一项所述的设备，其中，所述设备具有小于约30立方厘米的外容积。


12.根据权利要求1至11中任一项所述的设备，其中，所述外电极和所述内电极是大致固定的。


13.一种系统，包括：
电子源，所述电子源被配置为注入电子；
电极组件，所述电极组件耦接到所述电子源，其中，所述电极组件包括：
外电极，所述外电极限定内容积并且被配置为通过至少一个孔接收所注入的电子；以及
内电极，所述内电极定位在所述内容积中，
其中，所述电极组件被配置为将所述电子静电地限制在由所述电极组件限定的内部容积内，
其中，所述外电极和所述内电极被配置为响应于所述外电极与所述内电极之间的电势将所接收的电子静电地限制在围绕所述内电极的轨道中，
其中，所述系统不包括被配置为生成电子约束磁场的部件。


14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述电子源是热离子阴极、冷阴极、光电阴极以及Spindt阴极电子束源中的至少一种。


15.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：斯特林·爱德华多·麦克布赖德，乔伊·J·迈克尔丘克，克里斯托弗·E·霍兰，阿希什·乔杜里，温斯顿·K·钱，
申请(专利权)人：斯坦福研究院，
类型：发明
国别省市：美国;US