溅射离子泵又称潘宁泵,是一种广泛用于超高真空系统中的清洁真空泵。溅射离子泵阳极筒空间中的电子在电磁场的作用下与气体分子碰撞发生潘宁放电,正离子轰击阴极溅射出钛原子,并在阳极筒上沉积成膜,对气体进行吸附,从而达到抽除气体的目的。泵腔内没有运动部件,具有结构简单、无油、无噪声、无振动、无需冷剂、使用简单可靠等优点。溅射离子泵经过不断的发展,广泛应用于高能粒子加速器、宇宙空间模拟、电子工业、重离子医疗机等尖端技术的超高真空领域。随着我国尖端科学仪器设备、国家重大工程等对超高真空环境的要求,高性能离子泵的需求量也与日俱增。本文在溅射离子泵抽气单元的场致发射、粒子碰撞、带电粒子运动、潘宁放电等过程理论分析的基础上,采用SRIM2013计算软件,基于蒙特卡罗法对溅射离子泵阴极板的溅射过程进行模拟分析,研究了不同入射条件下,气体离子和反冲靶原子在阴极板中的分布,以及碰撞过程的能量损失、溅射产额和溅出原子状态的变化规律。对不同入射条件的阴极板溅射过程进行模拟分析表明,随着入射离子能量的增大,氮离子在阴极板中的射程和径向深度均增大;随着入射角度的增加,离子射程逐渐减小,而径向深度有所增加。反冲靶原子在阴极板中具有与入射离子相同的规律。与钛阴极板相比,相同入射条件下,钽阴极板中的氮离子和反冲靶原子更贴近阴极板表面分布。氮离子和氩离子以相同条件入射到钛阴极板中时,氩离子具有较浅的射程和径向深度分布,且氩离子入射时,获得较高能量的靶材原子更贴近阴极板表面分布。对不同条件下溅出原子规律进行了模拟分析,可以发现,溅射产额随着入射离子能量的增加而增大;入射角在70°～80°时,溅射产额达到最高;相同入射条件下,氩离子入射时的溅射产额比氮离子的大;钽阴极板的溅射产额比钛阴极板的溅射产额要大。对溅出原子的信息进行了统计分析,溅出原子的角度大多分布在50°～70°左右,随着入射离子角度的增大和入射能量的增加,溅出原子的角度分布向小角度区偏移。溅出原子的能量集中在几十电子伏特范围内,大部分能量损失在级联碰撞之中。根据模拟分析的结果,提出离子泵抽气单元的改进结构。推导出抽气单元的抽速关系式,并与实验测试进行对比验证,误差大部分小于20%,说明其具有较好的适用性,可为国产溅射离子泵的设计优化提供相应的理论支持。