CN101978463B - 包括吸气剂泵和离子泵的组合式抽气系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种组合式抽气系统(10)，包括吸气剂泵(12)和离子泵(13)。所述吸气剂泵和离子泵(12、13)安装在同一法兰(11)上并且设置在所述法兰(11)同侧的两个不同点处。

Description

包括吸气剂泵和离子泵的组合式抽气系统

技术领域

本发明涉及一种包括吸气剂泵和离子泵的组合式抽气系统。

背景技术

有许多工业和科学仪器及系统的运行要求超高真空条件(在本领域中用UHV来表示，相当于低于10^-5-10^-6Pa的压力)。在这些仪器和系统中，可以提到的有粒子加速器和电子显微镜。为了产生这样的真空度，通常使用包括被限定为主泵的泵(例如，旋转泵或者隔膜泵)和UHV泵(例如，涡轮分子泵、吸气剂泵、离子泵或者低温泵)的抽气系统。主泵可以在大气压力下开始运行，并且可使仪器的真空室内部的压力降至大约10^-1-10^-2Pa的数值。在这样的压力下，就可起动UHV泵，UHV泵使系统的压力降至大约10^-8-10^-9Pa的数值。

目前，大部分扩散型UHV泵是离子泵，因为它们几乎可以截留全部的气体(虽然相对于氢气而言具有抽气效率较差)，并且它们可以提供真空室内部压力值的指示(虽然只是近似的)。真空仪器的制造商和使用者特别重视后一特征，因为该特征允许对系统状态进行控制并且可能当真空室内部的压力增加至临界值时允许中断其运行。

离子泵通常是由多个等同构件的组件所制成的。在这些构件的每一个中，作为所施加的强电场的效果，真空室中存在的气种被电离从而生成离子和电子。围绕每个构件设置的磁体为电子提供了非线性(大致螺旋状)的轨迹，以便提高电子把真空室中存在的其他分子电离的能力。如此产生的离子集合嵌入到构件的壁中，部分地是由于离子植入到相同的构件壁中，并且部分地是由于在离子轰击时由壁的腐蚀所产生的原子(或者原子簇)沉积而形成的钛层下面的“掩埋”效应。钛也具有固有的吸气能力，即，钛可以与简单的气体分子相互作用，从而通过形成化学化合物或者物理吸附来固定气体分子。

因为离子泵通常是由多个等同构件的组件所组成的，所以离子泵的吸气特性(特别是吸气速度)基本上是其尺寸和重量的线性函数。因为上述系统通常需要多个连接到真空室不同区域的抽气单元，所以这些系统运行所需的成套离子泵以不可忽略的方式增大了系统总的重量和尺寸。

吸气剂泵的运行原理是通过由非蒸散型吸气剂材料(在本领域中称为NEG)制成的构件来对活性气种(例如，氧气、氢气、水和碳的氧化物)进行化学吸附。最重要的NEG材料是锆基合金或者钛基合金。例如，在专利US5,324,172和US6,149,392中描述了吸气剂泵。这些泵的吸气速度显著地高于相似尺寸的离子泵的吸气速度，并且能够比相似尺寸的离子泵更有效地去除氢气，然而这些泵对碳氢化合物的抽吸效率较差并且对稀有气体是无效的，并且它们不能对真空室内部的压力提供测量。

离子泵和吸气剂泵的组合使用提供了特别高效的UHV抽气系统。例如，从以下文件中已知了类似的抽气系统：公开的专利申请JP 58-117371和GB 2,164,788以及专利US 5,221,190，它们涉及这样的真空系统；和公开的专利申请JP-A-06-140193及JP-A-07-263198，它们涉及粒子加速器，其真空室通过使用分别的离子泵和吸气剂泵来保持真空。

在以上引用的文件中所描述的抽气系统使用离子泵作为主泵，并且使用吸气剂泵作为比主泵尺寸更小的辅助泵。这些文件未解决与使用离子泵有关的主要问题，即，它们的大重量、大尺寸和高能耗。

专利申请US 2006/0231773描述了一种电子显微镜，其中，真空系统包括离子泵和吸气剂泵。该文件颠倒了传统的情况，并且建议使用吸气剂泵作为主泵以便利用其减小的尺寸，并且使用相对小的离子泵来截留未被吸气剂泵吸走的气体。该系统可以改进真空系统的重量和尺寸，但还是具有两个单独的泵，这对整个系统来说是不可忽略的累赘。此外，众所周知的是，UHV系统中的关键点是真空室壁中的所有孔和连接。这种情况的发生是因为：由于在法兰、垫圈或者钎焊材料处的密封可能存在显微级的缺陷(特别是在系统被加热并且不同材料制成的部件发生不同热膨胀的情况下)，这些孔会是对于真空条件来说优先的退化点。在专利申请US 2006/0231773中公开的具有两个单独泵的系统需要至少两个从外部进入的不同入口点，一个供离子泵用(或者如果系统包括多于一个离子泵，则多于一个的入口点)并且另一个用于吸气剂泵。从制造必须在超高真空运行的系统的观点看，这不能认为是最佳特征。因此，本发明的目的是提供一种组合式吸气-离子泵，其克服了现有技术的缺点。

发明内容

根据本发明，利用包括吸气剂泵和离子泵的组合式抽气系统来实现所述目的，其中，吸气剂泵和离子泵被安装在同一法兰上并且设置在法兰同侧的两个不同点。

附图说明

在下文中将参照附图来详细地描述本发明，其中：

图1显示了本发明的抽气系统的示意性剖视图；

图2显示了本发明的抽气系统的第一实施例的简化立体图；

图3显示了沿图2的系统的线III-III’的剖面图；

图4显示了本发明的替代实施例的简化立体图；以及

图5显示了沿图4的实施例的线V-V’的剖面图。

具体实施方式

图1显示了本发明的抽气系统的示意性剖视图。抽气系统10包括法兰11，吸气剂泵12和离子泵13安装在该法兰11上。吸气剂泵12和离子泵13设置在法兰11同侧的两个不同点处。

图2和图3显示了本发明的抽气系统的第一实施例。要注意的是，这些附图按最简单的结构显示了离子泵，即，其中，仅存在一个圆柱形阳极，但是阳极元件可超过一个。

吸气剂泵12可以是由NEG材料制成的元件所形成的，这些元件具有不同形状并且根据不同的几何关系组装。吸气剂泵12包括一系列NEG材料制成的圆盘121、121’、...，所述圆盘121、121’、...堆叠在中心支持件122上并且相互之间例如借助于金属环123(在图1中不可见)保持隔开；例如由陶瓷(优选氧化铝)制成的中心支持件122是中空的，并且在其内部容纳有加热元件(在附图中未显示)，所述加热元件可以是由例如穿过一支持件的孔的金属丝电阻形成的，该支持也由陶瓷材料制成(所述孔平行于该支持件的轴线并且相对于该支持件为通孔)。一般地，中心支持件122被固定到连接器124上，所述连接器124设有馈电元件、通常是由陶瓷制成的并且通过钎焊被固定到法兰11上。附图中所示的吸气剂泵不具有围绕NEG元件的护罩，以便使其吸气速度最大。然而，吸气剂泵可包括围绕由NEG材料制成元件的组件设置的金属护罩(例如，穿孔板或者格栅的形式)，以便保持NEG元件可能损失的金属微粒，例如当把吸气剂泵引入真空室期间搬运吸气剂泵时。圆盘121、121’、...可以是由NEG材料的烧结粉末制成的，并且因此是比较密实的，但是它们优选是多孔的，以便增大材料外露表面积的大小并且从而增强泵的吸气性能。例如，可以根据本申请人的专利EP719609B1中所描述的方法来制造由NEG材料制成的多孔元件。在各种公开文件中描述了用于本发明的NEG吸气剂泵或者NEG材料的替代性实施例，例如，在本申请人的专利EP719609和US5324172中。

离子泵13是由单个构件所形成的，正如传统离子泵中反复出现的那种类型。该离子泵包括单个阳极元件131，所述阳极元件131为中空圆柱体形式，其设有两开口端并且是由导电材料(通常为金属)制成的；通过借助于与连接器124相似的连接器133被固定到法兰11上的支架132来将所述圆柱体保持就位，连接器133也设有一个或多个与法兰绝缘的馈电元件。阳极元件131的轴线平行于法兰的内表面。由钛、钽或者钼制成的两个电极134、134’朝向阳极元件131的两开口端，并且设置在离阳极元件131的两开口端小距离(大约1毫米)处。由阳极元件131和电极134与134’形成的组件设置在两个棱柱形的中空元件135和135’之间。这两个元件的空腔是朝外敞开的，即，从法兰11的与设置阳极元件131的那侧相反的一侧敞开，并且两个空腔的组合限定出了用于接纳永磁体136的座。因此，当抽气系统被连接到真空室时，永磁体136设置在法兰11的处于真空室外的一侧上。

磁体136可以是适合产生强磁场的任何已知的永磁体，例如钕-铁-硼或者钐-钴型永磁体。磁体136被简单地插入到所述座中并且可以被轻易地移除，以便防止在吸气剂泵加热或者本发明的系统所连接的真空室加热的情况下磁体被消磁。两个元件135、135’的壁并且特别是更靠近并平行于电极134和134’的壁(大致矩形)优选具有减小的厚度，例如，在大约0.5-1.5毫米的范围内，以便不屏蔽由磁体136所产生的磁场。阳极元件131的支架132是中空的，以便为阳极元件本身提供电力供应通道。磁体136被穿孔，以便允许电线连接到连接器133上。或许可以提供单根电线为阳极元件131供电；也可以有用于测量真空室中压力所需的电触头。所示的电极134和134’是由支架137和137’支承，所述支架137和137’具有保持电极就位的简单的机械功能。这在当两个电极被保持处于法兰的电位时是可能的。替代地，两个电极可以依次被供电(并且相对于彼此保持相同电位，并且相对于阳极元件131的电位处于负电位)。在该情况下，支架137和137’可以依次通过供电线被连接到设置在连接器133中的另外的馈电元件上。替代地，可通过触头(附图中未显示)将两个电极相互电连接，以维持它们处于相同电位，并且将所述触头连接到连接器133的单个馈电元件上，从而使支架137和137’仅具有机械功能。

磁体优选是永久型磁体，例如，从众所周知的钐-钴型磁体或者铁-硼-钕型磁体中选出的。在本发明的泵的这种结构情况下，在加热步骤期间(用于活化或者再生吸气剂材料或者用于使抽气系统所连接的真空室排气)，磁体可以轻易地被从其座上移除，以便防止其被消磁。

图4和5显示了本发明的替代实施例，其中，离子泵13设有永磁体236，所述永磁体236的居里点高于350℃，即，高于设置在真空室中的吸气剂泵的吸气剂材料的最常见的活化温度。

如附图所示，磁体236是U形的，并且阳极元件231和一对电极234与234’插入磁体236中。由于高的居里点，所以磁体236能经得起吸气剂泵12的吸气剂材料的活化温度，从而当抽气系统连接到真空室时，磁体236可以被设置在法兰11的处于真空室内部的一侧上。该结构是特别有益的，因为其不需要任何座来将磁体设置在法兰上。磁体236可以按几种可能的方式被固定到法兰11上，例如通过螺钉、弹簧等。

优选地，使用所谓的“Alnico”型永磁体。Alnico是缩略词，表示这样一种成分：基于铝(重量百分比8-12％)、镍(15-26％)、钴(5-24％)，可能添加少量百分比的铜和钛，所述成分的余量由铁构成。除了产生很强磁场以外，Alnico磁体的居里点属于所有磁性材料中最高的之一，大约为800℃，从而它们能经得起吸气剂泵经历的任何热处理。

在这两个泵(并且特别是离子泵)的尺寸非常小的情况下，本发明的系统可在法兰11上占据不大于100×50毫米的矩形面积，以便被固定到直径小于125毫米的单个圆法兰(相当于在本领域中已知为CF100类型的法兰)上，或者被固定在尺寸小于100×150毫米的矩形法兰上。法兰是由本领域已知的材料制成的，例如，AISI 316L或者AISI304L型钢。

Claims (8)

1.一种组合式抽气系统(10)，包括吸气剂泵(12)和离子泵(13)，其特征在于，所述吸气剂泵和离子泵(12、13)安装在同一法兰(11)上，并且设置在所述法兰(11)同侧的两个不同点处。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，离子泵(13)运行所需的磁体(136)设置在形成于所述法兰(11)上的座中，并且处于当所述抽气系统(10)连接到真空室时所述法兰(11)的在真空室外的一侧上。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述磁体(136)是永久型并且具有钐-钴或者铁-硼-钕成分。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，离子泵(13)运行所需的磁体(236)设置在当所述抽气系统(10)连接到真空室时所述法兰(11)的在所述真空室内的一侧上。

5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述磁体(236)是永久型的并且具有高于350℃的居里点。

6.根据权利要求4所述的系统，其中，所述磁体(236)是永久型的并且具有的成分按重量百分比为：8-12％的铝、15-26％的镍、5-24％的钴，所述成分的余量由铁组成。

7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述吸气剂泵(12)是由堆叠在中心支持件(122)上的一系列圆盘(121、121’、...)形成的，所述圆盘(121、121’、...)是由非蒸散型吸气剂材料所制成的。

8.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述离子泵(13)包括两个平面的并且相互平行的、由钛、钽或者钼制成的电极(134、134’；234、234’)，在这两个电极之间设置有至少一个由钛制成的并且具有中空圆柱体形状的阳极元件(131；231)，所述阳极元件(131；231)的轴线垂直于所述电极(134、134’；234、234’)的表面。

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