本发明涉及阴极电极组合物，其适用于提供表现出极高的稀有气体泵送速度和能力的用于多种真空应用的泵送机构。
背景技术：
：自20世纪50年代以来，溅射离子泵(sputter-ionpump，sip)已在广泛的技术应用中作为保持高真空(hv)或超高真空(uhv)条件(即，压力分别低于10-5毫巴和10-9毫巴的)的有效且可靠的方式而被采用。在溅射离子泵的最简单配置(其通常被称为“二极管(diode)”泵)中，sip由包围设置于两个ti阴极板之间的不锈钢圆柱形阳极阵列的真空封壳(vacuumenvelope)构成。其工作原理依赖于同时施加电场和磁场，电场和磁场的组合作用引起泵内残留气体的电离。随后可以通过多种不同的化学吸附或物理吸附机制将具有高动能的气体离子泵送入阴极和阳极两者中。sip能够有效地泵送大多数气体物质，并且其特别有效于吸附化学反应性气体(例如，n2、co、co2)。然而，sip的使用也可能意味着由其工作机制决定的许多缺点。首先，sip的泵送速度不是恒定的，而是在其工作压力的范围内变化。sip的泵送速度通常从较低的压力直至约10-6毫巴而增加，然后随着压力持续增加而开始降低。同时，在低压下特别是在h2(其是uhv系统中的主要残留气体)的情况下，通常还有一贯的泵送速度降低。常规二极管sip的另一关键方面表现为吸附稀有气体——特别关注ar(其为空气中的稀有气体里最常见的)——其泵送速度通常仅为标称n2泵送速度的2％至5％。此外，通过二极管sip吸附相对少量的ar可能导致发生所谓的氩不稳定性，其为一种不期望的现象，涉及先前泵送的ar从阴极中突然释放所引起的周期性压力爆发。由于开发了所谓的“稀有气体-二极管(noble-diode)”sip而避免了该限制，在“稀有气体-二极管”sip中两种不同阴极(例如一个阴极由钛制成，一个阴极由钽制成)的使用降低了氩不稳定性问题并且确保了较高的ar泵送速度。然而，这种改进只会损害化学反应性气体的吸附速率，化学反应性气体的吸附速率降低15％至20％。然而，除了ta-ti稀有气体-二极管sip之外，这些所提出的依赖于其他阴极材料的解决方案中没有一个从未在任何商业产品中实施过。取而代之地，sip技术的改进来自对泵，特别是对电极，的几何结构的修改：“三极管(triode)”sip是其中的一个重要的例子。由于上述二极管sip和稀有气体-二极管sip的限制，泵送稀有气体(当与一个或更多个非蒸散型吸气剂(non-evaporablegetter，neg)泵组合使用时，这是sip的主要任务之一)是特别关键的。在于典型uhv条件下运行的系统中，由不可吸收(non-getterable)气体所引起的气体负荷占总压力的小百分比，因此不会影响sip在其整个工作寿命中的泵送性能。然而，一些应用可能需要处理较大负荷的不可吸收气体(例如，便携式质谱仪、氦离子显微镜、电感耦合等离子体质谱仪)。除了氩不稳定性之外，在sip运行期间，sip通常易于从其内表面不期望地回流先前吸附的气体。鉴于与neg泵的协同组合，在sip运行期间先前泵送的气体(可吸收的和不可吸收的二者)回流也是具有挑战性的。这在ch4的情况下尤其如此，ch4不被neg泵送但是其通过sip电离产生h2，而h2是可吸收的气体。从这点来看，neg泵在达到其最大能力之前可以承受的由sip释放的气体量成为在表征泵送系统(即至少包括sip和neg泵或盒的系统)期间不应被忽视的重要方面。在过去的数十年中，已经做了许多努力来评估改变二极管sip的阴极材料的可能性，以便提高其对某些目标气体的泵送效率，而不被迫进行几何结构修改(几何结构修改在二极管sip制造中不可避免地涉及技术和经济缺点)。自最早对sip技术进行研究以来，ti由于其化学反应性以及其易获得性和价格而被认为是最合适的阴极材料。还考查了其他材料，包括mg、fe、al、mo和cu，但发现ti在提供对空气的泵送速度方面明显较优。美国专利号3147910公开了真空泵装置，其包括多孔泵送体作为阴极，所述阴极由通过加热结合的钛颗粒或锆颗粒组成。所述阴极具有极高的分子氢吸收速率，但仍保持与有限的稀有气体泵送效率和除h2之外先前吸附的气体的不期望回流有关的缺点。专利说明书号gb1035201公开了真空装置，其包括一个或更多个由与选自钛、铪、锆和钍中的至少一种活性金属组合的钨形成的自支撑烧结吸附构件。gb1035201描述了必要时使用钨来改善烧结吸附构件的寿命，防止其由于暴露于高温的影响而变形或损坏。然而，gb1035201中描述的烧结吸附构件表现出一些与钨的高成本和高熔点相关的制造缺点，并且该专利未提及克服如有限的稀有气体泵送效率和先前吸附的气体的不期望回流的其他缺点。美国专利号3542488描述了具有阴极构件的溅射离子泵，每个阴极构件例如以所谓的“网格方式”由至少两种具有不同金属组成的不同结构元件的组合件构造成。美国专利号us3542488列出了四十四种不同的金属元素，描述了所述组合的阴极随着活性气体如氮气、氧气、水蒸气等的吸附增加的效果，并且公开了如果与标准块状阴极结构相比复杂的几何方案，其吸附性能不可避免地受控制气相中两种或更多种可溅射金属的合金化的困难所影响。技术实现要素：本发明的主要目的是提供克服现有技术的上述提及的缺点的阴极，所述阴极有益于在sip中或者在用于高真空或超高真空应用和装置的其他真空泵送元件中使用。本发明的另一个目的是提供包括所述阴极的sip，其具有易于控制的吸附性能，还表现出稀有气体吸附效率和受限的先前吸附的气体的不期望回流。本发明的又一个目的是提供组合泵送系统，其包括至少一个包括所述阴极的溅射离子泵送组件。为了更好地理解本发明并认识到其优点，下面参照附图描述了实施方案的许多非限制性实例，其中：图1示出了用于表征sip的实验测试台的示意性布置；图2示出了本发明的一个可能的实施方案中的电极的示意性布置；以及图3是其中示出图2的可能的实施方案中的电极的组合泵的截面图。根据一个优选实施方案，本发明涉及具有平均原子质量w的阴极，所述阴极适合用作溅射离子泵中的电极并且在其化学组成中包含以下至少两种不同金属元素的烧结块体混合物：具有原子质量w1的m1，m1的量为q1，q1表示为阴极的原子总数q的原子百分比；和具有原子质量w2的m2，m2的量为q2，q2表示为阴极的原子总数q的原子百分比，其中m1和m2二者均选自钛、钽、锆、铌、铪、稀土元素、镍或钼，并且q1、q2、w1和w2被选择成使得阴极的被限定为w＝w1*q1+w2*q2的原子质量在80amu至160amu的范围内。在根据本发明的一个优选实施方案中，阴极的平均原子质量w在80amu至160amu，优选地在100amu至160amu的范围内。所述平均原子质量w被限定为阴极化学组成中金属元素组分m1和m2各自的原子质量w1和w2之和，每一种金属元素组分根据其相对于阴极的原子总数q的原子百分比加权。换句话说，阴极的所述平均原子质量由式w＝w1*q1+w2*q2限定。根据本发明，阴极涉及由两种或更多种金属元素制成的块体复合材料，并且其中的至少两种在钛、钽、锆、铌、铪、稀土元素、镍或钼的列表中选择。更优选地，所述至少两种金属元素为选自钛、钽和锆中的两种。在根据本发明的一些特定实施方案中，选自钛、钽、锆、铌、铪、稀土元素、镍或钼中的两种不同金属元素m1和m2可以与不同于m1和m2的一种或更多种另外的金属元素混合，所述另外的金属元素并不严格限于前述金属元素列表，其总量低于烧结块体阴极的3％(原子百分比)。该有限量的额外金属元素即使包含具有高原子质量的元素也仅略微影响阴极的平均原子质量w，阴极的平均原子质量w仍然可以仅考虑m1和m2而近似为w1*q1+w2*q2之和。除了钛、钽、锆、铌、铪、稀土元素、镍或钼之外，所述另外的元素还可以选自铜、铝、铁、钴。根据本发明的阴极可以通过粉末的单轴热压(hup)烧结来生产。具有与hup工艺相同的优点的适用于制造阴极的替代技术是热等静压(hip)烧结和金属注射成型(mim)。选择hup、hip或mim技术实现了与过去提出的其他解决方案不同的生产sip的阴极的新方法。事实上，与常规稀有气体-二极管sip布置(其中纯ti阴极与纯ta阴极相对)相比，hup工艺允许制造其中均匀分布有两种不同金属的阴极对。如果需要，其还允许增加构成每个阴极的元素的数量，而不是每次都仅使用其中的两种。此外，可以容易地调整待烧结的混合物中的每种元素的原子百分比。例如，hup烧结工艺涉及对包含待烧结的金属粉末的模具同时施加单轴压力和热。热压允许大大地降低孔隙率并且允许获得体积密度(bulkdensity)；此外，与常规压制或烧结工艺相比，热压实现更好的力学性质，以及实现更均匀的显微组织。此外，hup技术是在不使用合金的情况下生产具有体积密度的不同材料的混合物的良好方法，而这将产生具有不同物理性质和化学性质的新化合物。为了获得根据本发明的烧结非孔性(non-porous)块体阴极，可以施加800℃至1200℃的温度、40巴/cm2至100巴/cm2的单轴压力，持续1小时至4小时的时间。适用于溅射离子泵配置的根据本发明的阴极可以根据与其中必须包括有所述阴极的最终装置的设计有关的需求进行烧结和成形而没有特别限制。在第二个方面中，本发明涉及溅射离子泵，其包括根据权利要求1的阴极作为活性泵送元件。将通过以下非限制性实施例进一步说明本发明。实施例1——根据本发明的阴极已通过hup工艺生产一些根据本发明的阴极对(s1至s4)，选择通常范围在数百摄氏度之间的加工温度，同时所施加的单轴压力为数十巴的数量级。在hup过程结束时，如果需要，研磨每个阴极，并在具有适当碱性清洁剂(m-aero-ns，arm&hammer)的超声浴中仔细清洗。然后，使每个阴极对经受真空退火热处理，主要目的是降低h2的脱气率。对退火的温度和时间长度的不同组合进行了测试。表1总结了所测试的配置和相应的热处理。表1实施例2——非根据本发明的阴极可用于给出技术效果证据的非根据本发明的第一阴极组是仅由钛、仅由锆或仅由钽制成的商售电极(板状)。通过hup工艺使用单一金属粉末(c2)或平均原子质量超出所要求的范围的锆和钛的粉末的混合物(c4)生产非根据本发明的第二烧结阴极组。表2总结了当使用通过hup工艺生产的阴极时所考虑的配置和相应的热处理。特别地，考虑了具有钛商售阴极(c1)的标准二极管配置以及使用仅由钛通过粉末(c2)的hup工艺制成的阴极的相同配置。考虑了将钽和钛的商售阴极(c5)组成对的稀有气体-二极管配置。表2实施例3—稀有气体吸附性能的比较使用具有图1的示意性布置的实验测试台来表征sip。该系统由体积为26.7升的主真空容器1构成，其中安装有用于残留气体分析的pfeifferprismaplus四极质谱仪2和待测试的sip3。整个系统通过与pfeiffervacuumhipace300涡轮分子泵5串联的edwardsxds10涡旋泵4进行泵送，为n2提供260升/秒的标称泵送速度。气体泄漏进入系统中通过内置的自动阀6、6’、6”控制。两个热阴极bayard-alpert真空计granville-phillips360/3707、7’分别被放置在气体入口8附近和主体积中靠近sip3和qms2。它们的工作压力范围为10-2托至10-10托。在每次进行安装待表征的新sip所必需的排气之后且在进行任何吸附测试之前，将整个真空系统通过特设烘箱烘烤。也对注入线和待测试的sip(无磁铁)进行烘烤。采用的工序包括在180℃下进行10小时长的烘烤，这足以达到通常在10-10托至10-9托范围内的基础压力。图2中示出了组合泵中的电极的示意性布置。其包括位于两个阴极板22、22’之间的由不锈钢制成的四个相同圆柱形阳极21、21’、21”、21”’的阵列：包围电极的不锈钢真空封壳的尺寸为60×62×42mm。图3中示出了其中示出图2的电极实施方案的组合泵的截面图，所述组合泵通过cf35法兰23连接至真空系统，并且磁铁被放在真空封壳24的外部，与阴极22、22’相对应。样品阴极ar泵送速度升/秒ne泵送速度升/秒s1ta35ti650.910.71s2ta50ti501.000.78s3ta35zr651.200.87s4ta50zr501.140.89c1ti-ti0.290.37c2ti-ti0.180.25c3ta-zr0.940.80c4zr50ti500.560.55c5ta-ti0.720.71表3表3中示出的实验结果清楚地表明，所有根据本发明的样品(s1至s4)的性能高于其中每个阴极由hup阴极的两种组分之一制成的相应阴极对(s1和s2对比c5，s3和s4对比c3)。(c1，c3)，相反地，如果与具有同一金属的商售阴极(c1)的配置相比，使用仅单一金属粉末(c2)的hup工艺表现为危害吸附性能。相对于使用由两种金属的混合粉末制成且平均原子质量超出所要求平均原子质量的hup阴极(c4)，根据本发明的样品(s1至s4)表现出更好的性能：通过本发明获得的改进允许实现与稀有气体-二极管配置(c5)相当或更优的稀有气体吸附性能，但不需要对泵送装置的结构进行复杂的修改，即维持“二极管”溅射离子泵的“简单”结构。当前第1页12