CN102356236A - 包括吸气泵和离子泵的组合泵送系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种包括吸气泵(120；220)和离子泵(130；230)的组合泵送系统。该吸气泵和该离子泵(120，130；220，230)被串联安装于同一法兰(111，211)上，并且被分别布置于其相对的侧面上以便于使吸气泵和离子泵朝向真空腔室中的气体流量源的传导性最大化，从而改进该系统的真空层级。

Description

包括吸气泵和离子泵的组合泵送系统
技术领域
本发明涉及一种包括吸气泵和离子泵的组合泵送系统。
背景技术
存在着诸如粒子加速器和电子显微镜的众多科研和工业仪器或系统，所述仪器或系统的运转需要超高真空条件(在该领域中被指示为UHV)，即压力值低于10-6Pa。泵送系统一般被用来创建这些真空层级，所述泵送系统包括被定义为主泵的泵(例如旋转泵或隔膜泵)，以及在涡轮分子泵、吸气泵、离子泵或低温泵之间选择的二级泵。主泵在大气压力下开始运转并且能够将腔室内的压力值降至大约10-1-10-2Pa；在这些压力下UHV泵被激活，将系统中的压力值降至大约10-7-10-9Pa。
在最通用的UHV泵中，离子泵和涡轮分子泵能够吸收几乎所有气体。
涡轮分子泵得到赏识，原因在于与其它机械泵相比，涡轮分子泵具有降低的(即使并非无效)真空腔室的油污染，但是有效的极限真空值与轻气体(氢气和氦气)相当低的压缩比以及来自外部环境的少量这些气体通过该泵的可能传入有关。
离子泵不具有移动部件和油，因此离子泵的特征在于非常完全地低维护以及与外部环境更好地隔绝。此外，它们能够提供排空腔室内部压力值的近似指示。该特征得到真空仪器的制造商和使用者的赏识，原因在于其允许监控系统的条件并且当腔室内的压力增大至临界值时中断泵送运转。
离子泵包括一套多个相互等同的构件。在所述构件的每一个中，通过高电场从腔室中的气体产生离子和电子；被布置成围绕每个构件的磁体为电子提供非直线型轨迹(一般为螺旋型轨迹)以便于增强其电离腔室中其它分子的能力。如此产生的离子被构件壁所俘获，部分地通过向壁内的离子注入，部分地归因于钛层下的埋入效应，所述埋入效应通过在离子撞击和再沉积后的壁侵蚀所产生的原子(或原子“簇”)形成。钛亦具有固有的吸收能力，即钛是能够与简单气体分子相互作用通过形成化学合成物固定它们的金属。
离子泵的一个问题表现为作为甲烷分解效应而产生氢气的可能性，这是能带来实现所需真空条件(即达到系统压力值低于大约10-8-10-9Pa，如由K.L.Welch等人发表于J.Vac.Sci.Technol.A，American Vacuum Society，1994，第861页的科学出版物“Pumpingof Helium and Hydrogen by Sputter-Ion Pumps.II.HydrogenPumping”中所描述的)上的困难的现象。氢气和其他不需要的气体物质的产生导致从离子泵朝向真空腔室的准直分子流量的存在，一般被称作“束效应”。
第二类问题可能存在于尘粒投射至束管道内，为了诸如由D.R.C.Kelly发表于Proceedings of the Particle Accelerator Conference，1997，第3卷，第3547页中的科学出版物““Dust in Accelerator VacuumSystems”中所描述的若干应用。
离子泵的其他非次要性限制是它们相对较大的尺寸和重量，所述相对较大的尺寸和重量使得它们在小型或便携式系统中较难应用。
这些问题在诸如电子显微镜、粒子加速器和表面分析系统的应用中是尤其重要的。
吸气泵的运转基于由非可蒸发的吸气材料(在本领域中被称作NEG)制成的元件化学吸收活性气体物质(诸如氧气、氢气、水和碳的氧化物)的原理。最重要的NEG材料是基于锆或钛的合金；吸气泵例如在专利US 5,342,172和US 6,149,392中进行描述。吸气泵具有在相等尺寸下显著高于离子泵的吸收速度的气体吸收速度，并且与之相比能够更加有效地去除氢气；与这些优势相反的，吸气泵的泵送效率在碳氢化合物(诸如例如环境温度下的甲烷)情况下是不良的并且在稀有气体情况下是无效的。此外，吸气泵无法提供腔室内压力的测量。
为了改进UHV腔室中的泵送，不同二级泵的组合使用可以克服以上所描述的限制。
与涡轮分子泵逆向相对的吸气泵的使用在国际专利公开WO98/58173中被描述。该应用教示了涡轮分子泵和特殊吸气泵的组合，以克服严格地与第一泵的机械结构相关的逆向配置的效率、传导性以及热的缺陷。所公开方案的较强限制是需要特别的吸气泵，所述吸气泵适当地进行制造以与涡轮分子泵一起使用。实际上Z形线被建议作为吸气元件，以克服在标准式生产的NEG泵的使用中所观察到的技术问题。因此，不可能在所公开的组合泵送系统中使用较少花费以及更高效率的吸气泵。
WO 00/23173描述了相互并排的吸气泵和涡轮分子泵的使用。泵具有相对于真空腔室的“串联”配置并且它们需要使用温度响应式移动屏蔽装置以限制热量从吸气泵和涡轮分子泵传递。虽然所公开的屏蔽构件的使用允许最小化朝向涡轮分子泵的气流传导性的降低，但是组合泵送系统的总传导性无论如何受到连接系统与真空腔室的孔的限制，并且对涡轮分子泵来说，受到被管道中的吸气泵所占据的有效体积的限制。
离子泵和吸气泵的组合使用提供特别有效率的UHV泵送系统。在组合泵送系统中离子泵和吸气泵可以被布置为并联或串联，例如在1998年由Wiley-Interscience，John Wiley & Sons出版，由M.Lafferty在科学出版物“Foundation of Vacuum Science and Technology”中所描述的。
这些泵送系统已经例如公开于：涉及同样的真空系统的专利申请JP 58-117371或专利US 5,221,190中、以及来自涉及粒子加速器(其腔室通过使用分开的离子泵和吸气泵保持排空)的专利申请JP-A-06-140193或JP-A-07-263198。
在所有这些文献中所描述的组合泵送系统基于离子泵作为主泵的使用以及吸气泵作为具有较小尺寸的辅助泵的使用。由此，这些文献未解决与离子泵的使用有关的主要问题，即它们较大的重量、尺寸、能量消耗以及尤其是与上文描述的与除气现象有关的较低的真空腔室压力限制。
此外，这些文献公开将吸气泵引入真空腔室壁中的凹部，以使得其泵送效率和传导性值如果与直接在真空腔室体积内的布置相比得到降低。
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泵，并且其中，吸气泵被用作主泵、相对小的离子泵被用作辅助泵以阻挡未被吸气泵吸收的气体。虽然该系统允许减小真空系统的重量和尺寸，但是，与先前情况类似的，其特征在于相对于整个系统来说依旧具有显著尺寸的两个分开的泵。此外，已知的是在UHV系统中的关键点是形成于腔室壁上的孔隙的数目。实际上，归因于在法兰、垫圈或钎焊材料的显微镜水平处的可能不完全密封(特别是在系统受热并且其中发生由不同材料制成的部件的不同热膨胀的情况下)，这些孔隙可能代表真空条件降级的优先点。在专利申请US2006/0231773中所描述的双泵系统需要来自外部的两个不同入口点以供给离子泵和吸气泵(或者如果例如系统包括多于一个的离子泵则多于两个)，并且因此从制造须在超高真空条件下运转的系统的观点出发，其并非最佳。
在本申请人名下的国际专利公开WO 2009118398描述了组合泵送系统，所述组合泵送系统包括具有减小尺寸的至少一个离子泵以及布置于共同法兰的不同位置处的一个吸气泵。通过这种方式，可以沿腔室壁使用单个孔隙，因此简化系统结构并且限制其密闭性问题。然而，这些泵送系统是基于两个泵的并联配置，所述配置不允许对由离子泵运转产生的朝向待排空腔室的除气流量的有效限制。特别地，由于分解现象而来自离子泵的氢气和其它不需要的化学物质的流量能够在实现低压力值目标上构成强大的限制因素。
由离子泵在其运转过程中产生的除气流量可以通过使用离子泵和吸气泵的串联配置得到降低。专利GB 2164788描述了例如吸气泵和离子泵被串联布置于其中的组合泵送系统。特别地，吸气泵被布置于将离子泵和待排空的腔室相连接的管道内。以上提到的专利的泵送系统的一个问题是每一个泵影响另一个泵的泵送，因此导致来自待排空的腔室的气流传导性的降低。实际上，把吸气泵布置于将法兰孔隙与离子泵相连接的管道内必然导致从待排空的腔室的朝向离子泵的气体流量的减少。此外，从腔室朝向吸气泵的气体流量受到以上提到的管道的孔的尺寸的限制。
专利GB 2164788亦公开将吸气泵定位于沿在离子泵孔隙和真空腔室之间的管道的侧壁的基座中，作为可能的替代布置。虽然该配置限制离子泵传导性降低的负面效应，但是其导致朝向吸气泵的气体流量减少以及因此在传导性上处于更低的效率。
因此本发明的一个目的是提供一种能够克服现有技术的缺点的组合泵送系统。
发明内容
根据本发明，所述目的通过组合泵送系统来实现，所述组合泵送系统包括串联安装以及在法兰的相对侧面上安装的吸气泵和离子泵，所述法兰适合于将组合泵送系统安装至真空腔室，其特征在于离子泵由管道连接至法兰以及所述吸气泵在所述管道外部。
发明者已经发现，根据本发明的离子泵和吸气泵的组合允许获得并保持腔室内的超高真空条件，提供“并联”泵配置和“串联”泵配置的全部优势。与“串联”布置类似的，实际上，本发明允许吸气泵有效吸收由离子泵产生的准直分子流量，同时与“并联”配置类似的，在法兰相对侧面上的布置允许由全部两个泵而从真空腔室泵送气体不降低其传导性。
附图说明
本发明将参考附图在下文中进行详细描述，其中：
图1显示根据本发明的泵送系统的第一实施例的示意性立体图；
图2和图2a为沿由在图1中所示的系统的II-II线所定义的平面的纵向剖视图，所述图2和图2a分别没有和具有在吸气泵与法兰孔之间的连接管道；
图3示意性显示根据本发明的泵送系统的一个替代实施例的侧视图；
图4是显示在根据本发明的组合系统中使用的吸气泵内的吸气构件不同结构的可能配置的俯视图。
具体实施方式
所有附图均以示意性和简化的形式显示以允许更好地理解，因此未指示诸如电连接的细节、也未遵循形成系统的不同构件及其物理联接的实际几何比例。这些细节及其可能的变形能够容易地被本领域的技术人员所确定。
图1及图2示意性地显示根据本发明的泵送系统的第一实施例的最简化配置。该系统包括适合于直接安装于真空腔室壁上的法兰111，在所述真空腔室壁上吸气泵120和离子泵130分别连接至该法兰的相对侧面上并且吸气泵物理地拦截法兰孔的对称轴线。为简化之，全部图均显示在优选实施例中的本发明，即相对于法兰的对称轴线同轴地进行安装。
法兰因此被连接至两个泵上并且能够被用于将所组合的系统与真空腔室壁相连接，这导致一种布置，其特征在于将离子泵定位于腔室体积的外部，而吸气泵被分配于该腔室的内部、且不在管道中或管道的其中一个壁上的壳体(lodging)中。此外，如果吸气泵所占据的体积拦截法兰孔的轴线(定义为该法兰孔自身的对称的旋转轴线)，则该吸气泵的布置是优选地。
吸气泵120可以由NEG材料制成的元件来建造，具有各种形状并且根据不同的几何形状被组装；此外，吸气泵可以包括金属护罩(例如采用网格或者至少部分开孔或开口的薄板的形式)，所述金属护罩围绕该套由NEG材料制成的构件布置以保护吸气泵并避免金属粒子的偶然性(incidental)损失(在其中必须使用泵的真空系统内进行笨拙的组装操作时是可能的)。
在图1和图2中，吸气泵120由一系列NEG材料制成的圆盘121、121′......构成，所述圆盘由中心支承件122进行堆叠并且由例如金属环(未在图1中显示)保持间隔开。由例如陶瓷材料(氧化铝是优选地)制成的中心支承件122是中空的并且在其内部容纳有加热元件，所述加热元件能够由例如从支承件(亦由陶瓷材料制成)的孔中穿过的金属线电阻器制成。孔与中心支承件的轴线相平行并且为相对于所述轴线的通孔。支承件122通常被固定至设置有电馈通件(electricalfeedthroughs)的连接器124，所述连接器通常由陶瓷制成并且通过钎焊被固定至离子泵的其中一个壁上。虽然圆盘121、121′......可以NEG材料的烧结粉末形成并且因此相对紧密，但是它们优选为多孔的以增加暴露的表面面积和提升泵的气体吸收性能。由NEG材料制成的多孔构件可以例如根据在本申请人名下的专利EP 719609中所描述的方法制造，采用诸如在本申请人名下的专利US5,324,172中所描述的具有各种形状的多孔烧结体的形式，或者采用可被不同成形的金属板上的沉积物的形式。
离子泵130包括阳极构件131，所述阳极构件131的形状被设计为具有开放端部且由导电材料(一般为金属材料)制成的圆筒体，所述阳极构件131由支承件132保持就位，所述支承件132通过连接器133被固定于离子泵的其中一个壁上，所述连接器133和连接器124相似且设置有一个或更多个与法兰绝缘的电馈通件。阳极构件131的轴线与法兰的平坦表面相平行。由钛、钽或钼制成的两个电极134及134′面向阳极构件131的开放端部并且被布置于距其的较短距离处(大约1mm)。由阳极构件131与电极134和134′所形成的组件由壁136包封。永久磁体的磁极135和135′面向电极134和134′布置于其上的侧面。磁体可以是适合于产生高磁场的任何已知的永久磁体，例如钕-铁-硼或钐-钴类型的永久磁体。最靠近电极134和134′并且与电极134和134′平行的壁136优选地具有减小的厚度(例如具有在大约0.5mm和1.5mm之间的值)，从而不屏蔽由磁极135和135′形成的磁体产生的磁场。阳极构件131的支承件132是典型的高真空馈通件，以允许对阳极构件的电力供给的通过。可以存在单个电缆以供给阳极构件131，或者还可以有允许读取真空腔室内的压力的电触点。两个电极可以保持在法兰的电位处；或者，两个电极可以由电力供给并且保持在相对于阳极构件131的电位来说为负的相同电位处。或者，可以通过将两个电极保持在相同电位的触点(未在图中显示)将所述两个电极相互电连接。
优选地，离子泵120和吸气泵130相对于彼此同轴布置，因此最大化组合系统的吸收率及泵送效率。
此外，根据本发明的组合泵送系统被优选地安装于待排空的腔室上，以便于吸气泵被物理地布置于腔室的体积内部并且离子泵相对于其被布置于外部。
在本发明的优选实施例中，包括多个沿其壁形成的侧向孔隙的中空元件(170)被用于对应法兰孔，如在图2a中所示。该中空元件用作从法兰孔到吸气泵底座的管道(但是侧向开口)，具有其中至少一部分区域是开放的侧壁。不同的管道形状和侧向开口能够被无明确限定地使用以实现本发明的改进。例如管道能够具有圆形、正方形、六边形或其他几何形状的横截面。此外，开口能够为孔、平行槽或其他任何适合的替代物。优选地，管道的空白面积与总面积之间的比值大于0.2，更优选地大于0.4。该方案允许确保待排空的腔室和离子泵之间充分的传导性。替代上述类型的管道的，根据本发明的系统可以包括侧向开口并且适合于支承吸气泵的构件的任何种类的金属结构：例如笼状结构可被适当地使用。虽然图1、图2和图2a以显示离子泵的最简化配置，即其中存在圆筒形阳极，但是阳极构件的数量可为大于一。本发明的组合泵送系统中的离子泵相对于在现有技术的组合泵送系统中所用的离子泵可以具有显著减小的尺寸。实际上，由于本发明的配置所允许的吸气泵的运转，离子泵可以具有标称泵送速度，例如，包括于2l/sec和20l/sec之间。
在本发明的一种替代实施例中，可以使用所谓的“Alnico”类型的磁体。Alnico是指示一种组合物的缩写词，所述组合物基于铝(按重量8-12％)、镍(按重量15-26％)、钴(按重量5-24％)，可能加入较小百比分的铜和钛，组合物的剩余部分是铁。除了产生非常高磁场的能力外，Alnico磁体在所有磁性材料中具有最高的居里温度之一，800℃左右，由此能够耐受离子泵可能遭受的任何热处理，并且因此当加热系统时没有必要移除磁体。
图3显示本发明的一个替代实施例，其中吸气泵220包括多个吸气构件，所述多个吸气构件彼此堆叠并且类似于例如在本申请人名下的专利US6,149,392中所描述的进行布置。被布置于待排空的腔室壁240内的吸气泵220由多孔金属结构250包封，所述多孔金属结构250通过插在吸气泵和法兰211的孔260之间的管道270进行联接，当组合泵送系统在使用中时，所述法兰211被安装至沿着待排空的腔室的壁240的适当孔上。该沟通管道270包括沿其壁形成的多个侧向孔隙(未在图中显示)，所述多个侧向孔隙将沟通管道270与待排空的腔室相连接。该方案允许确保待排空的腔室和离子泵之间充分的传导性。替代以上提到的类型的管道的，根据本发明的系统可以包括侧向开放并且适合于支承吸气泵的构件的金属结构。
在法兰的与布置有吸气泵的侧面相对的侧面上，布置有离子泵230并且在孔260处联接至法兰211。如以上所解释的，离子泵230可以在其内部设置有一个或更多个阳极构件。
图4显示堆叠于吸气泵220内部的若干吸气构件的可能空间布置。每个吸气构件表现为由吸气材料制成的一系列圆盘221，所述一系列圆盘221以类似于用于本发明集成泵目的的最简化配置中已描述过的方式沿支承件222进行堆叠。形成吸气泵的不同吸气构件围绕与集成系统的法兰211上的孔260的中心相重合的轴线对称布置。此外，在本发明的其中一个可能的替代实施例中，法兰孔的特征在于存在平坦金属表面，所述平坦金属表面包括相对于实际法兰孔具有减小的尺寸的一个或更多个孔，但是这样做以确保来自根据本发明规定的集成系统的泵送。或者，该平坦多孔表面可以对应于由一个或更多个吸气构件所形成的吸气泵的支承平面，并且由此不会与被法兰孔所占据的表面相重合。
从集成泵送系统的泵送观点来说源自根据本发明的相互定位的技术优势将在下文中参考以下实例进行描述。
实例1
已准备好根据本发明的优选实施例的组合泵送系统，该系统包括由本申请人制造的吸气泵模型CapaciTorr D-100以及具有2l/sec标称泵送速度的离子泵。所述泵已相对于彼此同轴安装并且根据ASTMF798-97标准在2.12 10-8kg m2s-3的恒定甲烷流量条件下已经被测试过。法兰孔和吸气泵之间的距离已经被固定于24mm。表1分别列出对甲烷和氢气的化学物质所测量的部分压力。
实例2(作为对比)
在类似于先前实例的实验条件下，已准备好未根据本发明的组合泵送系统，在所述组合泵送系统中，吸气泵和离子泵已被布置为相互垂直。由吸气泵所占据的体积不拦截法兰孔轴线。最靠近的吸气泵元件和与离子泵相连接的法兰孔之间的距离已经被固定于38mm。
实例3(作为对比)
在类似于先前实例的实验条件下，已准备好未根据本发明的组合泵送系统，在所述组合泵送系统中，吸气泵和离子泵的轴线平行并且彼此相距大约130mm。
实例4(作为对比)
在类似于先前实例的实验条件下，已准备好未根据本发明的组合泵送系统，在所述组合泵送系统中，然而，仅离子泵已被接通。
表1显示根据本发明的集成泵与由具有相同吸气泵和离子泵的不同配置相比具有更高的甲烷泵送速度。为进行比较，表1还包含在仅使用离子泵的情况下的泵送速度。
表1
Figure BDA0000091668730000111
实例5
已准备好根据本发明的组合泵送系统，该系统包括由本申请人制造的吸气泵模型CapaciTorr D-100以及具有2l/sec标称流量率的离子泵。所述泵已相对于彼此同轴安装并且根据ASTM F798-97标准在2.7＊10-9kg m2 s-3的恒定氩气流量条件下已经被测试过。法兰孔和吸气泵之间的最短距离已经被固定于24mm。表2列出当实现测量腔室中的动态压力平衡时分别对氩气和氢气的化学物质所测量的部分压力。
实例6
在类似于先前实例的实验条件下，已准备好根据本发明的组合泵送系统，在所述组合泵送系统中吸气泵和与离子泵相连接的法兰孔之间的最小距离已经被固定于60mm。
表2
  压力Ar(Pa)   压力H2(Pa)
  实例5   2.40＊10-6   4.16＊10-8
  实例6   2.40＊10-6   5.33＊10-8
表2显示根据本发明的集成泵具有在氩气存在时由离子泵产生的关于氢气的泵送效率。
在其次要方面上，本发明的组合系统相对于现有技术所描述的来说具有减小的体积尺寸的额外技术优势。举个例子，在需要具有与通常用于电子显微测定法的腔室类似尺寸的待排空的腔室的应用场合中，归因于两个泵的减小的尺寸，本发明的系统可以被固定在例如具有70mm直径的单个圆形法兰上(在本领域中已知为CF 40)，或者固定在具有不同形状但实质上相同表面面积的法兰上。法兰由本领域已知的材料制成，例如AISI 316 L或AISI 304 L钢。优选地，法兰的中心孔具有包括在10mm和40mm之间的直径，所述中心孔将离子泵与被排空的腔室和集成系统的吸气泵相连接。
最后，本发明的组合系统具有如下优势：吸气泵元件能够物理地阻挡在离子泵的工作过程中能由离子泵产生的飞溅的钛粒子。因此，组合系统是在许多应用场合中(例如在加速器真空系统中)为使粒子尘埃最小化而有用的系统。

Claims (11)

1.一种组合泵送系统，所述组合泵送系统包括吸气泵(120；220)和离子泵(130；230)，所述吸气泵和离子泵被串联安装并且分别被布置在同一法兰(111；211)的相对侧面上，所述离子泵由管道(136；236)连接至法兰孔(260)，其特征在于，所述法兰适合于将所述组合泵送系统直接安装至真空腔室壁(240)上，并且所述吸气泵在将所述离子泵与所述法兰孔相连接的所述管道的外部。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述吸气泵(120；220)用其体积拦截所述法兰孔(260)的轴线。
3.如权利要求1所述的系统，其中，所述吸气泵和离子泵(120，130；220，230)被安装为其轴线彼此平行以及与所述法兰孔(260)的旋转对称轴线平行。
4.如权利要求1所述的系统，其中所述吸气泵和离子泵(120，130；220，230)相对于彼此同轴安装。
5.如权利要求1所述的系统，其中，所述吸气泵(120；220)包括堆叠在一个或更多个支承件(122；222)上且由非可蒸发的吸气材料制成的多个圆盘(121，121′；221)。
6.如权利要求1所述的系统，其中，所述吸气材料圆盘(221)被布置在通过第二管道(270)与所述法兰(211)的孔(260)相联接的金属结构(250)的内部，所述第二管道适合于将所述吸气泵(220)与所述离子泵(230)相连接。
7.如权利要求6所述的系统，其中，所述第二管道(270)在其壁中设置有多个侧面孔隙，所述多个侧面孔隙适合于直接将所述真空腔室与所述离子泵(230)相连接。
8.如权利要求7所述的系统，其中，在所述第二管道(270)中，所述多个侧面孔隙导致大于0.2的空白面积与总体侧向面积之间的比率。
9.如权利要求7所述的系统，其中，在所述第二管道(270)中，所述多个侧面孔隙导致大于0.4的空白面积与总体侧向面积之间的比率。
10.如权利要求6所述的系统，其中，所述第二管道(270)具有笼状结构。
11.如权利要求1所述的系统，其中，所述吸气材料圆盘(221)被布置于金属结构(250)内部，所述金属结构通过侧向开放且适合于支承所述吸气泵(120，220)的构件的金属结构与所述法兰(211)的孔(260)相联接。
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