离子泵是一种用于创造超高真空的真空泵，也被称为溅射离子泵或惰性气体泵。真空泵有多种类型，其中包括离子泵，具体分类如下：

离子泵由一块强力磁铁、一个蜂窝状结构的阳极（阳极阵列）以及两块夹持着阳极的钛制阴极组成。因此，它的特点是不像旋转泵那样具有机械运动部件。

离子泵示意图：离子泵构造

当磁场中发生冷阴极放电时，从电极发射出的电子在磁场作用下以螺旋运动的方式在两个阴极之间来回移动。

当电子与气体分子发生碰撞时，气体分子会被电离成离子。这些离子撞击阴极时，会溅射出（撞击出）阴极表面的钛原子并嵌入阴极中。

此外，被溅射出的钛原子会在阳极、阴极以及泵的内壁上形成一层洁净的钛膜，称为吸气膜。由于被溅射出的钛原子具有化学活性，它们在形成薄膜的过程中会吸附周围的气体分子。

氢气、氧气、氮气、一氧化碳等气体，以及氦气等惰性气体，都会被电离，进而嵌入阴极或被钛原子吸附。结果，周围环境中的气体分子数量就会减少。通过这种方式，离子泵创造出真空状态。

（1）在高压作用下，电子从钛阴极射出，并以螺旋运动的方式在两个阴极之间来回移动。

（2）电子与气体分子碰撞，气体分子被电离形成离子。

（3）离子撞击钛阴极，溅射出钛原子并使其嵌入阴极。

（4）此外，被溅射出的钛原子形成一层名为吸气膜的钛膜，该膜会吸附气体分子。

离子泵不像抽水的离心泵那样依靠机械装置来抽气，而是通过使存在的空气发生化学反应并被消耗来创造真空。

可以想象一下小学的科学实验：把蜡烛放在瓶口朝下的瓶子里，让瓶子漂浮在水面上燃烧，随着氧气被消耗，水会相应地被吸进瓶子里，这样就更容易理解离子泵的工作原理了。当没有更多气体时，阳极和阴极之间的电阻会上升，这会导致电流停止，由此可以确认抽气完成。

离子泵的特点是无论气体类型如何，都能达到高度真空的状态。因此，它们被应用于透射电子显微镜、电子束光刻设备、加速器和半导体制造设备等领域。

离子泵的特点

离子泵的优缺点如下：

优点

• 结构简单，由阳极、阴极和磁场组成，无机械运动部件
• 无机械振动和噪音，不会对其他设备的运行产生影响
• 由于没有机械运动部件，因此不易发生故障
• 可实现超高真空（10⁻¹⁰帕斯卡）
• 达到真空状态时会自动停止，无需真空计
• 与旋转泵和油扩散泵不同，不使用油
• 即使突然停止，也不会污染排气系统，适合无人操作
• 只需电源即可工作，因此可以以任何位置或方式安装
• 随着气压降低，功耗也会减少，具有节能性

缺点

• 由于阳极和阴极之间存在冷阴极放电，因此需要高压
• 难以排出大流量的气体，只能在高真空（约 1 帕斯卡）状态下使用
• 由于需要预抽真空，必须与其他泵组合使用
• 抽气前需要烘烤，以去除附着在泵内部的杂质
• 由于阴极会被溅射，因此有使用寿命

离子泵的一大优点是，其机制简单，只需在磁场中对电极施加电压，就能在无机械振动和噪音的情况下达到高真空状态。因此，它被广泛用作电子显微镜和半导体制造设备的真空泵，这些设备既需要高真空环境，又需要精细控制。

离子泵本身尺寸不大，即使是最大的离子泵，通常也小到可以放在桌子上。

当没有可排出的气体时，其功耗会下降，而且即使泵停止工作，也不会有油或其他污染物回流污染排气区域，因此适合长时间无人操作，也被广泛用作维持真空的真空泵。
另一方面，其缺点之一是难以进行高流量抽气。大多数情况下，离子泵的启动压力在 1 帕斯卡左右。因此，为了获得超高真空，通常的做法是先用其他泵创造高真空状态，然后再用离子泵进行最终抽气和维持。

此外，如果泵内部吸附了杂质，会影响抽气效果，因此必须事先进行烘烤以去除杂质。而且，阴极的钛会被溅射并沉积在泵的内壁等部位，所以它有一定的使用寿命，需要在适当的时候更换设备。离子泵的另一个缺点是需要高压。市售的离子泵设计为在 3 千伏、5 千伏或 7 千伏的电压下工作。此外，根据抽气速度和尺寸的不同，所使用的电源电流和功率从几十瓦到几百瓦不等。