JP2011133437A - ヘリウムリークディテクタ - Google Patents

Abstract

【課題】ヘリウムリークディテクタに使用するマイクロチャンネルプレートへの過大なイオン電流の入射によって、マイクロチャンネルプレートの寿命が短くなることを避ける。
【解決手段】ヘリウムイオンの検出用にマイクロチャンネルプレートを備えたヘリウムリークディテクタであって、ヘリウムイオンビームがマイクロチャンネルプレートに入射するように偏向するセクター電極を備える。グロスリークの場合は、ヘリウムイオンビームを偏向せず、マイクロチャンネルプレートに入射させないで、セクター電極に入射し、セクター電極でイオンビーム電流を検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、真空容器の気密性の検査等に用いられるリークディテクタに関するものである。

ヘリウムリークディテクタの分析管において、ヘリウムイオンの検出にはこのヘリウムイオンをイオン電流として検出するイオンコレクタが従来用いられている（例えば特許文献１）。更にこのイオン電流の感度を向上するために、イオンコレクタの直前にマイクロチャンネルプレートを設けてイオン電流を増幅することが知られている（特許文献２、３参照）。

特開２００９−１８０６３３号公報 特開平８−３５９０４号公報 特開２０００−１２１４８４号公報

マイクロチャンネルプレートはこれに入射するイオンの電荷すなわちイオン電流がマイクロチャンネルプレートで増幅されて出力される。マイクロチャンネルプレートの寿命はこの出力電流の総計、すなわち総出力電荷量に依存し、出力電流が大きい状態で使用すると寿命は短くなる。出力電流は入射イオン量すなわち入射イオン電流に比例する。またマイクロチャネルプレートの寿命は、真空度の悪い状況で使用すると短くなる。大きなリークの場合は、真空度が劣化し、入射イオン量が増加するため、マイクロチャンネルプレートの寿命が短くなってしまう。

（１）請求項１の発明は被検体からリークされたヘリウムガスを分析管に導いて検出するヘリウムリークディテクタであって、この分析管は、ヘリウムイオン電流を増幅する２次電子増倍器と、ヘリウムイオンビームを２次電子増倍器の方向に偏向する、接地側電極と正電位側電極とから構成されたセクター電極と、正電位側電極に印加する電圧を供給する電圧源と、２次電子増倍器から放出される２次電子電流が入射する電子コレクタと、電子コレクタに入射した２次電子電流を測定する電流計と、正電位側電極を電圧源または電流計に接続する第１の切替スイッチＳＷ１と、電流計を電子コレクタまたは正電位側電極に接続する第２の切替スイッチＳＷ２とを備えることを特徴とする。
（２）請求項２の発明は、請求項１に記載のヘリウムリークディテクタにおいて、セクター電極の接地側電極は接地電位であり、正電位側電極には、ファインリークの場合は、第１の切替スイッチＳＷ１を切り替えて、２次電子増倍器にヘリウムイオンビームが入射するように、正の電圧を印加し、グロスリークの場合には、第１の切替スイッチＳＷ１を切り替えて、ヘリウムイオンビームが正電位側電極で検出されるように、正電位側電極を電流計に接続することを特徴とする。
（３）請求項３の発明は、請求項２に記載のヘリウムリークディテクタにおいて、ファインリークの場合は、第２の切替スイッチＳＷ２は電流計と電子コレクタとを接続し、２次電子増倍器から放出される２次電子電流を測定することを特徴とする。
（４）請求項４の発明は、請求項２に記載のヘリウムリークディテクタにおいて、グロスリークの場合は、第２の切替スイッチＳＷ２は電流計と正電位側電極とを接続し、正電位側電極に入射したヘリウムイオン電流を測定することを特徴とする。
（５）請求項５の発明は、請求項１から４のいずれか１項に記載のヘリウムリークディテクタにおいて、セクター電極の接地側電極と正電位側電極は円弧状に形成され、配置されていることを特徴とする。

本発明では、リークが大きい場合は、これに対応した大きなイオン電流をマイクロチャンネルプレートに入射しないように、別のイオンコレクタで検出する。これによりマイクロチャンネルプレートへの過大なイオン電流の入射が避けられるため、マイクロチャンネルプレートの寿命が短くなることが避けられる。

本発明の実施の形態によるヘリウムリークディテクタの概略を示す全体構成図である。 本発明によるヘリウムリークディテクタの分析管の構成の概略とリーク量が小さい（ファインリークの）場合の分析管の動作概略を示す図である。 図２において、リーク量が大きい（グロスリークの）場合のイオン電流の検出の方法を示す概略図である。 従来のヘリウムリークディテクタの分析管の構成を示す概略図である。

図を参照して本発明によるヘリウムリークディテクタの動作について説明する。
図１は、本発明の実施の形態によるヘリウムリークディテクタの概略を示す全体構成図である。ヘリウムリークディテクタ１は、テストポート２を介してリーク検査の被検体である真空容器１０に配管接続されている。

ヘリウムリークディテクタ１は油回転ポンプ３、４、ドラッグポンプ５およびターボ分子ポンプ６の４台の真空ポンプと、排気経路およびヘリウム導入経路を開閉する６個のバルブＶ１〜Ｖ６と、排気経路および真空ポンプを大気開放する３個のリークバルブＶ７〜Ｖ９と、リーク校正部７と、分析管８と、排気経路内の真空度を検出する２個のピラニ型真空計Ｐ１、Ｐ２と、制御装置９とを有する。尚、バルブＶ１〜Ｖ９は各々アクチュエータＡ１〜Ａ９によって開閉され、これらのアクチュエータは制御装置９からリークディテクタの操作者の指示に基づいて制御される。各々のアクチュエータＡ１〜Ａ９への配線は省略する。また各真空ポンプおよび真空計のオン／オフと、真空計の出力値（真空度）のモニターは各々のコントローラ（不図示）と制御装置９によって行われるが、これらの配線も同様に省略する。

分析管８はターボ分子ポンプ６、ドラッグポンプ５、バルブＶ６を介して油回転ポンプ４に配管接続されている。リーク試験を行う被検体である真空容器１０は、テストポート２、バルブＶ１を介して油回転ポンプ３に配管接続されている。また、真空容器１０はテストポート２、バルブＶ５を介してターボ分子ポンプ６の排気口６ａに配管接続されている。リーク校正部７は、バルブＶ３と、バルブＶ４またはＶ５を介して、ターボ分子ポンプ６に配管接続されている。
バルブＶ４はターボ分子ポンプ６の排気段の途中に接続されており、ヘリウムリークディテクタの中間排気モードの場合に開放される。バルブＶ５はターボ分子ポンプの排気口６ａに配管接続されており、ヘリウムリークディテクタの逆拡散排気モードの場合に開放される。

被検体である真空容器１０のリーク検査は以下の手順で行う。なおここでは簡単のため、逆拡散排気モードの場合についてのみ説明する。
（１）バルブＶ１〜Ｖ５およびリークバルブＶ７〜Ｖ９を閉じるとともに、バルブＶ６を開いて、分析管８内をターボ分子ポンプ６、ドラッグポンプ５、油回転ポンプ４の直列構成で所定の真空度（ヘリウムのバックグラウンド値）以下になるまで真空排気する。尚、バルブＶ３はリーク量校正を行う場合以外は閉じたままである。
（２）リーク試験を行う真空容器１０をテストポート２に取り付ける。
（３）分析管８内が所定のバックグラウンド値以下に低下した後に、バルブＶ１を開いて、真空容器１０内を油回転ポンプ３で真空排気（粗引き真空排気）する。
（４）バルブＶ１を閉じるとともにバルブＶ５を開いて、分析管８によるリーク検出を開始する。すなわち、真空容器１０のリーク試験箇所に外側（大気側）よりヘリウム（Ｈｅ）ガスを吹き付ける。
（５）真空容器１０のリーク試験箇所にリークがあると、真空容器１０内にＨｅガスが空気とともに侵入する。このＨｅガスと空気は、真空容器および上記の配管内の残存ガスとともに、開放になっているバルブＶ５、ターボ分子ポンプ６を経て分析管８に到達する。分析管８がＨｅガスを検出することにより真空容器１０のリーク量が測定される。
（６）以上のリーク試験が終了したら、バルブＶ５を閉じ、リークバルブＶ７を開いて真空容器１０を大気開放する。

リーク量の校正を行う場合は、テストポート２を閉じ、バルブＶ３、Ｖ５を開いて、Ｈｅガスをリーク校正部７からターボ分子ポンプを経由して分析管８に導く。リーク校正部７からは規定の流量でＨｅガスが流出される。このときの検出値がリーク量の基準値となる。

次に図２、図３を用いて本発明による分析管８の構成と動作について説明する。
図２は本発明によるヘリウムリークディテクタの分析管の構成の概略とリーク量が小さい（ファインリークの）場合の分析管の動作概略を示す図である。分析管８はイオンソース１１、加速スリット１２、中間隔壁１３、加速スリット対向壁１４、第１のアーススリット１５、セクター電極１６、第２のアーススリット１７、マイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ）１８、電子コレクタ１９、電流計２０、切替スイッチＳＷ１、および切替スイッチＳＷ２を備える。イオンソース１１にはフィラメント１１ａが組み込まれており、このフィラメント１１ａは、フィラメント加熱用の電源により加熱され、熱電子引出し用の別の電源の電圧の印加により熱電子を放出するが、これらの電源は良く知られているので、図示および説明は省略する。分析管８は更に、イオンを加速するイオン加速電源２１とＭＣＰでの電子増幅のための電圧を印加する電源とを分析管の外部に備える。ＭＣＰでの電子増幅のための電源は記載を省略するが、ＭＣＰのイオン入射面側に数百Ｖの負の電圧を印加し、電子コレクタ側の面は接地されるように構成されている。尚、これらの種々の電源も制御装置９で制御されるが、これら電源への配線は図示を省略し、説明も省略する。

セクター電極１６は円弧状にした２つの長さの異なる正電位側電極１６ａと接地側電極１６ｂとからなり、約９０°の円弧状となるように形成し、配置したものであり、原理的に平行平板型電極を円弧状にしたものである。長い方の正電位側電極１６ａには、後述する第１のスイッチＳＷ１の切替位置に応じて、正の偏向電圧が印加されるかまたは、電流計２０に接続されることにより実質的に接地電位とされる。この正の偏向電圧は図示されているように、イオン加速電源２１の電圧を分割したものでも、また別の独立した電源から供給してもよい。また短い方の接地側電極１６ｂは接地されている。

図中２点鎖線で示した領域Ｍは馬蹄形の永久磁石に挟まれている磁場領域であり、この磁場領域Ｍには紙面から手前に向かう方向の磁場が生成されているが、この永久磁石の図示は省略する。

分析管８に導入されたＨｅガスは、イオンソース１１のフィラメント１１ａから放出される熱電子の流れ（エミッション電流）の作用を受けてイオン化され、Ｈｅ^＋イオンとなる。Ｈｅ^＋イオンはイオン加速電源２１から加速スリット１２に印加される電圧により加速される。そして、Ｈｅ^＋イオンは加速スリット１２の開口１２ａから永久磁石が磁場を形成する領域Ｍにイオンビームとして出射される。加速スリット１２に印加される加速電圧の電圧値は２４０〜３００Ｖである。このイオンビームにはＨｅ^＋イオンだけでなく、水素、酸素、窒素、水など空気成分に由来するイオンと、真空容器１０や真空ポンプおよび配管などのヘリウムリークディテクタを構成する部品の真空側壁面に付着した水や、更に真空側壁面に付着した汚れ等から発生するハイドロカーボン（Ｃ_ｍＨ_ｎ）に由来するイオン等が含まれる場合がある。

図２に示すように、Ｈｅ^＋イオンは、領域Ｍの磁場によって曲げられ、偏向軌道Ｒを通って、中間隔壁１３の開口１３ａを通過した後、第１のアーススリット１５の開口１５ａへ入射する。一方、Ｈｅ^＋イオンより軽いＨ^＋イオンは磁場による偏向が大きく、中間隔壁１３の開口１３ａを通過しない。Ｈｅ^＋イオンより重いＯ^＋、Ｎ^＋、（Ｃ_ｍＨ_ｎ）^＋などは、領域Ｍにおける磁場による偏向が小さく、やはり開口１３ａを通過しない。また、Ｈｅ以外の２価のイオンでもＨｅ^＋と比較し偏向が小さいのでこれもやはり開口１３ａを通過しない。
このようにして、Ｈｅ^＋イオンのみを含むイオンビームが生成されて第１のアーススリット１５の開口１５ａへ入射する。

上記までの記載はリーク量が小さい（ファインリークの）場合とリーク量が大きい（グロスリークの）場合とで共通である。ここで、リーク量が小さい（ファインリークの）場合の分析管の動作を説明する。
上記の記載のように、Ｈｅ^＋イオンのみのビームが中間隔壁１３および第１のアーススリット１５を通過し、更にセクター電極１６に入射する。セクター電極１６の正電位側電極１６ａにはイオン加速電源２１の電圧を分割した偏向電圧が印加される。これによりセクター電極１６を通過するＨｅ^＋イオンはＭＣＰ方向に偏向される。この際第１の切替スイッチＳＷ１は、イオン加速電源２１の電圧を分割したものを正電位側電極１６ａに印加する状態となっている。セクター電極１６を通過したＨｅ^＋イオンは、第２のアーススリット１７を通過してＭＣＰ１８に入射する。ＭＣＰ１８に入射したＨｅ^＋イオンはＭＣＰ１８で２次電子を発生し、この２次電子がＭＣＰ１８内で増幅され、ＭＣＰ１８から電子コレクタ１９に向かって２次電子電流として放出される。電子コレクタ１９に入射した２次電子電流は電流計２０により計測される。この際第２の切替スイッチＳＷ２は電子コレクタ１９と電流計２０を接続する状態となっている。以上により計測された電流はＭＣＰ１８に入射したＨｅ^＋イオンの量すなわちヘリウムイオン電流に比例するので、検出されたＨｅ^＋イオンの量を求めることができる。

次にリーク量が大きい（グロスリークの）場合の動作について説明する。図３は図２において、リーク量が大きい（グロスリークの）場合のイオン電流の検出の方法を示す概略図である。
ファインリークの場合と同様にＨｅ^＋イオンはセクター電極１６に入射するが、グロスリークの場合には、第１の切替スイッチＳＷ１を切り替えて、正電位側電極１６ａを電流計２０に接続し、正電位側電極１６ａには偏向電圧を印加しない。この場合正電位側電極はほぼ接地電位となっている。これにより、セクター電極１６に入射したＨｅ^＋イオンは軌道が曲げられることなく、直進して正電位側電極１６ａに入射する。これにより正電位側電極１６ａはイオンコレクタとして動作し、第２の切替スイッチＳＷ２を切り替えて電流計２０を正電位側電極１６ａに接続することにより、ヘリウムイオン電流が計測される。このヘリウムイオン電流は検出されたＨｅ^＋イオンの量に対応するものである。

更に従来技術と比較して本発明の特徴について説明する。図４は特許文献２に基づく従来のヘリウムリークディテクタの分析管の構成を示す概略図である。第１のアーススリット１５にＨｅ^＋イオンが入射するまでは、図２、図３で示した本発明の実施形態と同様であるので、説明を省略する。
従来技術（特許文献２参照）においては、本発明のおけるセクター電極１６が無く、第１のアーススリット１５がＭＣＰ１８の前に設けられ、この第１のアーススリット１５を通過したＨｅ^＋イオンがＭＣＰ１８に入射する。

この従来技術においては、グロスリークが生じた場合、大電流のイオン電流がＭＣＰ１８に入射する。特許文献１においては、ＭＣＰ１８に印加する電圧を変更して、ＭＣＰ１８の増幅率を変更する方法が記載されている。これにより、グロスリークの場合にＭＣＰ１８の増幅率を低減し、ＭＣＰ１８からの出力すなわち増幅された２次電子量を抑えることで、ＭＣＰ１８の総出力電流が抑えることが可能で、この分、ＭＣＰ１８の寿命が短くなることをある程度避けることができる。しかしながら、グロスリークの場合は真空度も劣化するので、これによるＭＣＰ１８の劣化は避けられない。

本発明では、グロスリークの場合は、図３に示すようにセクター電極１６の正電位側電極１６ａへの偏向電圧の印加を止め、Ｈｅ^＋イオンを正電位側電極１６ａで検出することにより、ＭＣＰ１８を使用せずにヘリウムイオン電流が測定できる。これによりＭＣＰ１８の寿命が短くなることを防ぐことができる。

尚、一般にヘリウムリークディテクタにおいては、実際は種々の低エネルギーのイオンが発生している。これらの望ましくない種々の低エネルギーのイオンが第１のアーススリット１５を通りぬけることを防ぐために、第１のアーススリット１５の後に、サプレッサスリット（例えば特許文献１）を更に設け、これに正の電圧を与えることにより、これらのイオンがイオンコレクタに入射するのを排除することが一般的に行われてきた。本発明ではセクター電極１６が、このサプレッサスリットの効果をもっており、望ましくないイオンの検出を排除している。

特許文献３には図１に示すようなセクター電極１６と同等の機能を有する電極とＭＣＰの組み合わせが開示されている。しかしながら、グロスリークの場合にもＭＣＰを使用してイオン電流を測定する構成となっている。本発明では上記の通り、グロスリークの場合にはＭＣＰを使用しないでイオン電流を測定するのでＭＣＰの寿命を損なうことがない。

グロスリークかファインリークかの判断は、真空容器１０の取り付け後の真空引き時間、２つのピラニ型真空計Ｐ１、Ｐ２の出力値、各真空ポンプの負荷（消費電流）、検出されるイオン電流の大きさ等およびこれらの組み合わせで判断されるが、この説明は省略する。ＭＣＰを保護する観点からは、最初のイオン電流の測定はグロスリークを仮定して、上記のように測定することが望ましい。

尚、以上の説明において、図１と図２に示した本発明の実施形態におけるセクター電極１６円弧状の正電位側電極１６ａと接地側電極１６ｂとから構成されるとしたが、この正電位側電極１６ａと接地側電極１６ｂは上記の説明のように円弧状でなくとも、これらの電極で形成される電場によりヘリウムイオンビームがマイクロチャンネルプレート１８の方向に偏向されればよい。例えば長さの異なる２つの平行平板電極をこれに入射するヘリウムイオンビームに対し斜めに傾けて設置するような簡単な形態であっても良い。

更に、セクター電極１６の領域に重なるように磁場を発生する永久磁石または電磁石を用いて、これによりヘリウムイオンビームを偏向してもよい。この場合はセクター電極１６の正電位側電極１６ａと接地側電極１６ｂを同電位にすることが多いが、同電位でなくともよい。磁場の強度とセクター電極の電位は、セクター電極に入射するヘリウムイオンビームのエネルギーによって調整し、第２のアーススリットを通過して、ＭＣＰに入射するようにされる。

上記の説明ではセクター電極１６の正電位側電極１６ａへの変更電圧を与える電源として、イオン加速電源２１の電圧を分割したものを用いる実施例を示したが、この電源はイオン加速電源とは別の電源から供給しても良い。

また、図１と図２においては、本発明の実施形態についてＭＣＰを用いた実施例を示したが、ＭＣＰ以外の種々の２次電子増倍器、例えばチャネルトロン等を用いることも可能である。

また、上記の説明においては、ヘリウムイオンビームの選択は、このヘリウムイオンビームの偏向軌道Ｒ１が中間隔壁１３の開口１３ａを通過することにより行われるとしたが、この選択はヘリウムイオンビームが第１アーススリット１５の開口１５ａを通過することで行われても良い。

以上の説明は本発明の実施形態の一例であり、本発明はこの実施例に限定されることなく、本発明の範囲で種々の実施形態が可能である。

１‥ ヘリウムリークディテクタ
２‥ テストポート
３‥ 油回転ポンプ
４‥ 油回転ポンプ
５‥ ドラッグポンプ
６‥ ターボ分子ポンプ
６ａ‥ 排気口
７‥ リーク校正部
８‥ 分析管
９‥ 制御装置
１０‥ 真空容器
１１‥ イオンソース
１１ａ‥ フィラメント
１２‥ 加速スリット
１２ａ‥ 開口
１３‥ 中間隔壁
１３ａ‥ 開口
１４‥ 加速スリット対向壁
１５‥ 第１のアーススリット
１５ａ‥ 開口
１６‥ セクター電極
１６ａ‥ 正電位側電極 １６ｂ‥ 接地側電極
１７‥ 第２のアーススリット
１８‥ マイクロチャネルプレート（ＭＣＰ）
１９‥ 電子コレクタ
２０‥ 電流計
２１‥ イオン加速電源
Ｍ ‥ 磁場領域
Ｒ ‥ ヘリウムイオンの偏向軌道
ＳＷ１‥ 第１の切替スイッチ
ＳＷ２‥ 第２の切替スイッチ
Ｐ１‥ ピラニ型真空計
Ｐ２‥ ピラニ型真空計
Ｖ１〜Ｖ６‥ バルブ
Ｖ７〜Ｖ９‥ リークバルブ
Ａ１〜Ａ９‥ アクチュエータ

Claims (5)

1. 被検体からリークされたヘリウムガスを分析管に導いて検出するヘリウムリークディテクタにおいて、
   前記分析管は、
   ヘリウムイオン電流を増幅する２次電子増倍器と、
   ヘリウムイオンビームを前記２次電子増倍器の方向に偏向する、接地側電極と正電位側電極とから構成されたセクター電極と、
   前記正電位側電極に印加する電圧を供給する電圧源と、
   前記２次電子増倍器から放出される２次電子電流が入射する電子コレクタと、
   前記電子コレクタに入射した２次電子電流を測定する電流計と、
   前記正電位側電極を前記電圧源または前記電流計に接続する第１の切替スイッチＳＷ１と、
   前記電流計を前記電子コレクタまたは前記正電位側電極に接続する第２の切替スイッチＳＷ２とを備えることを特徴とするヘリウムリークディテクタ。
2. 請求項１に記載のヘリウムリークディテクタにおいて、
   前記セクター電極の前記接地側電極は接地電位であり、
   前記正電位側電極には、ファインリークの場合は、前記第１の切替スイッチＳＷ１を切り替えて、前記２次電子増倍器に前記ヘリウムイオンビームが入射するように、正の電圧を印加し、グロスリークの場合には、前記第１の切替スイッチＳＷ１を切り替えて、前記ヘリウムイオンビームが前記正電位側電極で検出されるように、前記正電位側電極を前記電流計に接続することを特徴とするヘリウムリークディテクタ。
3. 請求項２に記載のヘリウムリークディテクタにおいて、
   前記ファインリークの場合は、前記第２の切替スイッチＳＷ２は前記電流計と前記電子コレクタとを接続し、前記２次電子増倍器から放出される２次電子電流を測定することを特徴とするヘリウムリークディテクタ。
4. 請求項２に記載のヘリウムリークディテクタにおいて、
   前記グロスリークの場合は、前記第２の切替スイッチＳＷ２は前記電流計と前記正電位側電極とを接続し、前記正電位側電極に入射したヘリウムイオン電流を測定することを特徴とするヘリウムリークディテクタ。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載のヘリウムリークディテクタにおいて、
   前記セクター電極の前記接地側電極と前記正電位側電極は円弧状に形成され、配置されていることを特徴とするヘリウムリークディテクタ。
   

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