当压力超过 10 -5Pa之后就进入到了超高真空应用(yòng)领域。这个时候，多(duō)数真空泵的抽气作(zuò)用(yòng)已经停止或者抽速很(hěn)低。那这个时候用(yòng)来实现超高真空的真空泵都有(yǒu)哪些呢(ne)，一起来简单了解下。

一、机械泵

机械泵的主要作(zuò)用(yòng)是為(wèi)涡轮分(fēn)子泵的启动提供必要的前级真空。常用(yòng)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，但是體(tǐ)积小(xiǎo)，一般用(yòng)于小(xiǎo)型的分(fēn)子泵组。

油密封机械泵是过去用(yòng)得最多(duō)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(zhōng)使用(yòng)一般需要配备電(diàn)磁阀（用(yòng)于防止意外断電(diàn)造成返油）和分(fēn)子筛（吸附作(zuò)用(yòng)）。

近年来用(yòng)得较多(duō)的是涡旋干泵，优点是使用(yòng)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(yòng)低噪音的泵并尽可(kě)能(néng)将其放置于设备间是较好的办(bàn)法，但是由于工(gōng)作(zuò)距离限制，后者通常不容易实现。

二、涡轮分(fēn)子泵

涡轮分(fēn)子泵是依靠高速旋转的叶片（通常在每分(fēn)钟1000转左右）来实现气體(tǐ)的定向流动，泵的排气压力与进气压力之比称為(wèi)压缩比。压缩比与泵的级数、转速和气體(tǐ)的种类有(yǒu)关，一般分(fēn)子量大的气體(tǐ)压缩比较高。对氮的压缩比為(wèi) 10 8 ～10 9；对氢為(wèi) 10 2 ～10 4。涡轮分(fēn)子泵的极限真空一般认為(wèi)在 10 -9 -10 -10 mbar。近年来随着分(fēn)子泵技(jì )术的不断进步，极限真空有(yǒu)进一步提升。

由于涡轮分(fēn)子泵的优势在分(fēn)子流状态（气體(tǐ)分(fēn)子的平均自由程遠(yuǎn)大于导管截面最大尺寸的流态）下才能(néng)體(tǐ)现，因此要求配有(yǒu)工(gōng)作(zuò)压力為(wèi) 1～10 -2 Pa的前级真空泵。由于叶片高速旋转，如遭遇异物(wù)、抖动、撞击、共振或气體(tǐ)冲击，会造成分(fēn)子泵的损伤或损坏。对初學(xué)者来说，最常见的损伤原因是操作(zuò)失误造成的气體(tǐ)冲击。机械泵引发共振也会导致分(fēn)子泵的损坏。这种情况虽然比较少见，但因為(wèi)较為(wèi)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(gōng)作(zuò)原理(lǐ)是利用(yòng)潘宁放電(diàn)产(chǎn)生的离子轰击阴极的钛板形成新(xīn)鲜钛膜，从而吸附活性气體(tǐ)，对惰性气體(tǐ)也有(yǒu)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(gōng)艺成熟稳定、无需维护，在同等抽速下（惰性气體(tǐ)除外），其成本遠(yuǎn)低于分(fēn)子泵，因此在超高真空系统中(zhōng)运用(yòng)极其广泛。通常溅射离子泵的正常工(gōng)作(zuò)周期都在10年以上。

离子泵一般需要在 10 -7 mbar以上才能(néng)正常工(gōng)作(zuò)（在更差的真空下工(gōng)作(zuò)会显著降低其寿命），因此需要分(fēn)子泵组為(wèi)其提供较好的前级真空。常见做法是在主腔使用(yòng)离子泵+TSP，在进样腔配备小(xiǎo)型分(fēn)子泵组，烘烤时打开连接的插板阀，由小(xiǎo)型分(fēn)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，离子泵对惰性气體(tǐ)吸附能(néng)力较差，最大抽速和分(fēn)子泵也有(yǒu)一定差距，因此，对放气量大或惰性气體(tǐ)较多(duō)的情况，需要使用(yòng)分(fēn)子泵组。另外，离子泵工(gōng)作(zuò)过程中(zhōng)会产(chǎn)生電(diàn)磁场，对于特别敏感的系统可(kě)能(néng)存在干扰。

四、钛升华泵

钛升华泵的工(gōng)作(zuò)原理(lǐ)是依靠金属钛的蒸发在腔壁上形成钛膜进行化學(xué)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(fēn)子泵或离子泵组合使用(yòng)，能(néng)够起到很(hěn)好的除氢效果，是 10 -9 -10 -11 mbar區(qū)间最重要的真空泵，在大部分(fēn)对真空度有(yǒu)较高要求的超高真空腔體(tǐ)中(zhōng)都有(yǒu)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(fēn)钟内）真空会变差约1-2个数量级，因此某些有(yǒu)特定需求的腔體(tǐ)，需要使用(yòng)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(wù)理(lǐ)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(fēn)子束外延系统中(zhōng)，由于对极限真空的要求较高，低温泵有(yǒu)广泛的运用(yòng)。

低温泵的缺点是液氮消耗量大，运行成本高。带有(yǒu)循环制冷机的系统可(kě)以不消耗液氮，但是会带来相应的能(néng)耗、振动和噪音等问题。因此，低温泵在常规实验室设备中(zhōng)较少使用(yòng)。

六、吸气剂泵（NEG）

吸气剂泵是近年来使用(yòng)较多(duō)的一种真空泵，其优点是完全采用(yòng)化學(xué)吸附，不产(chǎn)生蒸镀和電(diàn)磁污染，往往配合分(fēn)子泵使用(yòng)，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(yǒu)限，通常用(yòng)于对真空稳定性要求较高或对電(diàn)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電(diàn)源接入，也经常在大型系统中(zhōng)作(zuò)為(wèi)增大抽速、提高真空度的辅助泵使用(yòng)，可(kě)以有(yǒu)效简化系统。

图2. 不同种类的泵对应的工(gōng)作(zuò)气压。其中(zhōng)棕色箭头范围為(wèi)最大许可(kě)的工(gōng)作(zuò)气压范围，绿色加粗部分(fēn)為(wèi)常用(yòng)的工(gōng)作(zuò)气压范围。