JP2011214567A - 極高真空水素ポンプおよび熱電子制御装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】この極高真空水素ポンプは、排気通路容器21と、排気通路容器に取り付けられる少なくとも1台の排気素子31A,31Bと、排気通路容器の内部空間に臨む熱電子放出フィラメント26を有する電子銃25を備える。排気素子は、素子容器32と、3つの陰極板41〜43と2種の円筒陽極51,52とから構成される非対称の2階建て構造を有する電極構造部50と、電極構造部の2階建て構造における高さ方向に磁界を作る永久磁石53とを備えるように構成され、多量のゲッター合金製造能力を有する。
【選択図】図1
Description
従来、素材はチタニウム(Ti、チタン)が多用されているが、さらにジルコニウム(Zr)の合金が注目され(特許文献1,2)、次いでZr−Alの2元合金が見出され(特許文献3,4,5)、さらに低温活性Zr−V−Feの3元合金(特許文献6,7)がこれに続いた。現在では、Zr−Co−希土類が利用され(特許文献8,9)、環境にやさしい非蒸発ゲッターとその応用デバイスに置き換えられつつある。
ゲッター合金の応用機構としては、2層壁ポンプ(特許文献10)、続いて2〜3層壁ポンプ(特許文献11)と改良が続けられている。しかしながら、まだ、活性化、再活性化が必要なこと、希ガスに対して排気能力がないことの問題が存する。また使用後の交換・再塗膜が大変であり、その製造において大型でかつ高価な設備や冶具を必要とすることから製造可能な場所が限られるという問題がある。このように、工業的に使用するという観点からは、コスト対効果の点で非能率という問題点が指摘されている。
単独またはイオンポンプと組合せることによりコンビネーションポンプとして今日に至っている(特許文献12,13)。安価でかつ簡単な構造を有しているが、排気速度の維持特性が劣ること、ゲッター材料による周辺汚染が大きいこと、加熱による多くの吸着ガスの再放出、水冷機構が欠かせないこと、および希ガスに対し無力なこと、等が問題となり、他の真空ポンプの改良が急速に進む中、評価は十分ではない。
ルイス・ドナ・ホール等によってペニング陰極にゲッター金属を用いる(特許文献14,15)ことで商品化に成功し、拡散ポンプの到達真空度を一気に2桁以上引き上げることになった。その後、円筒陽極、陰極形状の改良(特許文献16,17)、三極イオンポンプの提案(特許文献18,19)がなされ、希ガスの問題に一定の結論が出ている。また電子導入が図られ(特許文献20)、ベークアウトの技術や永久磁石の改良が加わり、技術としてはほぼ完成した。しかしながら、陰極ゲッター材料の水素平衡圧や電子銃、取付け方法に問題を残し、10−10Paより高い真空度に到達するには到らなかった。現有する他のポンプと比較して、排気量に対する重さ、容積、高コストの問題は未解決となっている。
本発明の他の目的は、極高真空領域であっても、真空容器の壁部から水素が放出されにくくし、かつ真空容器から水素分子を有効に排気できる極高真空用水素ポンプを提供することにある。
本発明の他の目的は、陽極と陰極を含む排気素子の内部の電子発生状態に関して、電子の過不足を生じることなく、周辺機器に悪影響を与えず、低真空から高真空まで恒常的に電子不足状態を解決する極高真空水素ポンプを提供することにある。
さらに本発明の他の目的は、電子衝撃法の工夫しその性能を向上することにより、べークアウト時間の短縮と低温化を実現することができる電子銃の制御機能を備えた極高真空水素ポンプを提供することにある。
本発明の他の目的は、上記の極高真空水素ポンプを実現するのに適した熱電子制御装置を提供することにある。
排気対象の真空容器の内部を10−8Paより高い真空度に排気する極高真空水素ポンプであって、
真空容器に接続される排気通路容器と、
排気通路容器に取り付けられその内部空間に通じる少なくとも1台の排気素子と、
排気通路容器の内部空間に臨むように配置された熱電子放出フィラメントを有する電子銃とを備え、
上記の排気素子は、
排気通路容器の内部空間に通じる開口部を有する素子容器と、
素子容器内の空間に配置され、第1から第3の3つの陰極と第1および第2の2種の円筒陽極とから構成される非対称な2階建て構造を有し、第1陰極と第2陰極の間に第1円筒陽極が配置され、第2陰極と第3陰極の間に第2円筒陽極が配置される電極構造部と、
電極構造部の2階建て構造における高さ方向に磁界を作る磁石とを備える、
ように構成されている。
上記により、活性な水素吸蔵ゲッター合金を極高真空水素ポンプの容器の内壁に付着させ続け、常温で当該容器の内壁面からの水素放出を遮断し、容器の内壁面が水素吸蔵機能を持つように構成されている。
1極型および/または2極型の低加速熱電子銃を使いかつ電流と電圧を制御することに基づいて極高真空水素ポンプの排気速度を自由に制御する。電極構造部の外側から熱電子を常に供給することによって極高真空水素ポンプの電極構造部の水素吸蔵機能を活性化し、極高真空水素ポンプの電流を1〜3桁増大する機能を有する。
上記の極高真空水素ポンプにおいて、陰極の表面では炭化ジルコニウム(ZrxCy)が合成されることを特徴とする。
上記の極高真空水素ポンプにおいて、電子銃の熱電子放出フィラメントから放出される電子を80〜200Vの電圧範囲に含まれる電圧で加速して排気素子の電極構造部に導入することを特徴とする。ラフィティーゲージの熱陰極を、円筒陽極の外で、遠くに設置する。
上記の極高真空水素ポンプにおいて、3つの陰極の陰極材料として、ジルコニウムとアルミ二ウムから成る合金と、チタニウムと非磁性金属から成る合金との対を使用することを特徴とする。
上記の極高真空水素ポンプにおいて、3つの陰極の陰極材料は、希ガスについては、ジルコニウムとアルミ二ウムから成る合金と、タンタルと非磁性金属から成る合金との対を使用することを特徴とする。
上記の極高真空水素ポンプにおいて、残留ガス分析計と、残留ガス分析計から出力される信号に応じて、電子銃の電源を制御し、要求残留ガスの分圧を制御する制御手段とを備えることを特徴とする。
上記の極高真空水素ポンプにおいて、2種の円筒陽極の各々に電圧を印加する電源の動作はそれぞれ別々に制御され、径の大きい複数の円筒状陽極セルによって構成される第1の円筒陽極は主に希ガスの排気に使用され、径の小さい複数の円筒状陽極セルによって構成される第2の円筒陽極は、主に、水素、空気、炭化水素、水、二酸化炭素、一酸化炭素を含む残留ガスの排気に使用されることを特徴とする。
上記の極高真空水素ポンプにおいて、2階建て構造の電極構造部を有する排気素子を稼動させた後、真空容器、排気通路容器、および排気素子を270℃以上でベークアウトを行い、数時間から20数時間後にベークアウトを停止し、その後に電子銃を作動して極高真空を得るように使用されることを特徴とする。
本発明に係る排気システムを仕事に使用しない時は、真空容器の内部空間を真空度測定不能領域10−12Paより高い真空度である極高真空に常時保ち、装置全体の残留ガス低減と清浄化に資する。
排気対象の真空容器の内部を10−8Paより高い真空度に排気する極高真空水素ポンプに用いられる熱電子制御装置であって、
真空容器の排気通路容器に取り付けられその内部空間に通じる少なくとも1台の排気素子に対して、排気通路容器の内部空間に臨むように配置された熱電子放出フィラメントを有する電子銃と、
残留ガス分析計と、
電子銃の電源を制御する制御手段と、を備え、
排気素子は、ゲッター合金の薄膜を形成する材料金属である2種以上を陰極材料で作られた陰極と、陽極とを有し、かつ陰極と陽極の間にはマグネトロン放電が生成され、
マグネトロン放電で陰極をスパッタすることによって、水素を吸蔵するゲッター合金を、陰極の表面、陽極の表面、および排気通路容器の内面に作製し続けるように、制御手段は、残留ガス分析計から出力される信号に応じて、電子銃の電源を制御し、これにより要求残留ガスの分圧を制御することを特徴とする。
(1)極高真空水素ポンプの排気素子に内蔵される陰極と陽極からなる電極構造部を非対称な2階建て構造とし、陰極部分の全体の有効面積を増やし、各種残留ガスの排気に対応した複数の陰極金属材料をマグネトロン放電(ぺニング放電)でスパッタし続けることにより、活性な少なくとも2種類の合金ゲッターを同時に供給し続けられるため、水素ガスを始め、残留ガスすべてを真空測定限界の極高真空域まで排気することができる。
(2)電極構造部の陰極の表面に仕事関数の小さい炭化ジルコニウムを生じるようにしたため、電子不足状態が一部緩和され、マグネトロン放電の継続、当該放電の点火を極高真空域で行うことができる。
(3)排気素子に対して排気通路容器の内部空間に臨むように配置された熱電子放出フィラメントを有する電子銃を設けたため、低加速熱電子を導入することができ、これにより慢性的電子不足状態から解放され、極高真空領域の上限と下限を高速で行き来することができる。これにより、排気対象の真空容器内の真空度を当該圧力範囲で任意に止めることができる。電流は疎調、電圧は微調として利用される。
(4)本発明に係る極高真空水素ポンプは、必要な場合に、指定の各種ガス分圧を持つ極高真空システムにも使用することができる。
(5)残留ガス排気に必要な活性な水素吸蔵特性を持つゲッター合金を、陰極、陽極、真空容器の内側表面に、排気素子内で必要量いつでも製作できるため、真空容器の大きさや真空ポンプの仕様など初期条件で決まっていた排気速度や到達真空度の制限をあまり考慮する必要がないという利点を有する。
(6)本発明に係る極高真空水素ポンプによれば、本発明のゲッター合金は水素吸蔵特性を主に設計してあるため、熱電子銃の極高真空水素ポンプによる活性の効果と合わさって、水素を極高真空計の検出不能な領域10−12Paまで排気することができる。
(1)水素(含む重水素)
中間の陰極板42の表裏のジルコニウムとアルミニウム、ニッケル、鉄がつくるゲッター合金、および2階天井部の陰極43のチタニウムと鉄からなるゲッター合金との間で固溶体を作る。
(2)水と炭化水素
チタニウムとジルコニウム、鉄と化学反応する。
(3)希ガス(アルゴン、ヘリウム、ネオン、クリプトン、キセノン)
親子のターボ分子ポンプ205が用いられているので、大部分はこのターボ分子ポンプ205により排気される。またタンタルとモリブデンによってスパッタされない部分に埋め込まれる。
(4)活性なガス(窒素、酸素、一酸化炭素、二酸化炭素)
チタニウムとジルコニウム、アルミニウムと化学反応する。
小型化のために排気素子31Cを1つにしても、排気素子31Cの電極構造部50については3つの陰極板41〜43と2種の円筒陽極51,52とから成る2階建て構造を採用しているため、性能を維持することができる。
(1)排気素子31A〜31Cの円筒陽極51,52が静電レンズ作用を生じるように構成することもできる。
この構成によって同一場所のスパッタを避けることができる。プラズマ点火の当初は、リング状の領域に放電しているが、圧力が10−4Pa台では放電が中心部に集まり、さらに圧力が10−5Paより高くなり真空度がよくなると、放電はますます収束し点状になる。中心部に偏ったスパッタでは、スパッタされる陰極の金属の量が制限され、活性化される面積が減少するので、排気効率が悪くなる。そこで静電レンズの作用効果を利用してスパッタ面積を拡大し、陰極表面の活性化を促進するようにする。こうすることにより陰極の金属内部への熱拡散も増加する。
(2)中間に位置する陰極板42の中心部および周辺部に小さな穴を開けて1階部分をファラデーカップにすることができる。
このような構成を採用すると、スパッタによる再放出をさけることができるので、特に希ガスに対して有効な手段となる。非対称にした意味がここで有効に生かされる。ファラデーカップ効果が不足する場合、1階部分と同じ高さの3階部分を設けてもよい。
(3)電子衝撃脱離の脱ガスへ適用することができる。
この構成は、べークアウトの温度を少しでも下げるために、ポンプ10の真空容器の全体加熱と併用する。一次電子、反射電子、二次電子によって、残留ガス、表面吸着ガス、容器材料に溶解しているガスをイオン化し、ゲッター合金との化学反応を促進し排気効率を上げる。
使用される電子銃については、前述した通り、熱電子放出フィラメントがグリッドを備えない1極型低加速熱電子銃26と、熱電子放出フィラメント101がグリッド102の内にある2極型低加速熱電子銃100がある。2極型低加速熱電子銃100は電子の制御が容易になる。
11 真空容器
21 排気通路容器
21A 排気通路
25 1極低加速熱電子銃
26 熱電子放出フィラメント
31A 排気素子
31B 排気素子
31C 排気装置
32 素子容器
41〜43 陰極板
51 円筒陽極
51A 陽極セル
52 円筒陽極
52A 陽極セル
53 永久磁石
100 2極型低加速熱電子銃
101 熱電子放出フィラメント
102 グリッド
201 残留ガス分析計
202 ゲートバルブ
203 真空容器
204 ゲートバルブ
205 ターボ分子ポンプ
209 スクロールポンプ
301 制御装置
Claims (10)
- 排気対象の真空容器の内部を10−8Paより高い真空度に排気する極高真空水素ポンプであって、
前記真空容器に接続される排気通路容器と、
前記排気通路容器に取り付けられその内部空間に通じる少なくとも1台の排気素子と、
前記排気通路容器の前記内部空間に臨むように配置された熱電子放出フィラメントを有する電子銃とを備え、
前記排気素子は、
前記排気通路容器の前記内部空間に通じる開口部を有する素子容器と、
前記素子容器内の空間に配置され、第1から第3の3つの陰極と第1および第2の2種の円筒陽極とから構成される非対称な2階建て構造を有し、前記第1陰極と前記第2陰極の間に前記第1円筒陽極が配置され、前記第2陰極と前記第3陰極の間に前記第2円筒陽極が配置される電極構造部と、
前記電極構造部の前記2階建て構造における高さ方向に磁界を作る磁石とを備える、
ことを特徴とする極高真空水素ポンプ。 - 前記3つの陰極は、ゲッター合金の薄膜を形成する材料金属である2種以上を陰極材料で作られ、
前記陰極と前記陽極の間にマグネトロン放電を生成し、当該マグネトロン放電で前記陰極をスパッタすることによって、水素を吸蔵する前記ゲッター合金を、前記陰極の表面、前記円筒陽極の表面、および前記排気通路容器の内面に作製し続け、
前記陰極の表面と前記円筒陽極の表面と前記排気通路容器の内面はポンプ作動中継続して前記ゲッター合金の前記薄膜で覆われることを特徴とする請求項1記載の極高真空水素ポンプ。 - 前記陰極の表面では炭化ジルコニウム(ZrxCy)が合成されることを特徴とする請求項2記載の極高真空水素ポンプ。
- 前記電子銃の前記熱電子放出フィラメントから放出される電子を80〜200Vの電圧範囲に含まれる電圧で加速して前記排気素子の前記電極構造部に導入することを特徴とする請求項1記載の極高真空水素ポンプ。
- 前記3つの陰極の陰極材料として、ジルコニウムとアルミ二ウムから成る合金と、チタニウムと非磁性金属から成る合金との対を使用することを特徴とする請求項2記載の極高真空水素ポンプ。
- 前記3つの陰極の陰極材料は、希ガスについては、ジルコニウムとアルミ二ウムから成る合金と、タンタルと非磁性金属から成る合金との対を使用することを特徴とする請求項2記載の極高真空水素ポンプ。
- 残留ガス分析計と、
前記残留ガス分析計から出力される信号に応じて、前記電子銃の電源を制御し、要求残留ガスの分圧を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の極高真空水素ポンプ。 - 前記2種の円筒陽極の各々に電圧を印加する電源の動作はそれぞれ別々に制御され、
径の大きい複数の円筒状陽極セルによって構成される前記第1円筒陽極は主に希ガスの排気に使用され、
径の小さい複数の円筒状陽極セルによって構成される前記第2円筒陽極は、主に、水素、空気、炭化水素、水、二酸化炭素、一酸化炭素を含む残留ガスの排気に使用される、
ことを特徴とする請求項1記載の極高真空水素ポンプ。 - 前記2階建て構造の前記電極構造部を有する前記排気素子を稼動させた後、前記真空容器、前記排気通路容器、および前記排気素子を270℃でベークアウトを行い、数時間から20数時間後にベークアウトを停止し、その後に前記電子銃を作動して極高真空を得るように使用されることを特徴とする請求項1記載の極高真空水素ポンプ。
- 排気対象の真空容器の内部を10−8Paより高い真空度に排気する極高真空水素ポンプに用いられる熱電子制御装置であって、
前記真空容器の排気通路容器に取り付けられその内部空間に通じる少なくとも1台の排気素子に対して、前記排気通路容器の前記内部空間に臨むように配置された熱電子放出フィラメントを有する電子銃と、
残留ガス分析計と、
前記電子銃の電源を制御する制御手段と、を備え、
前記排気素子は、ゲッター合金の薄膜を形成する材料金属である2種以上を陰極材料で作られた陰極と、陽極とを有し、かつ前記の陰極と陽極の間にはマグネトロン放電が生成され、
前記マグネトロン放電で前記陰極をスパッタすることによって、水素を吸蔵する前記ゲッター合金を、前記陰極の表面、前記陽極の表面、および前記排気通路容器の内面に作製し続けるように、前記制御手段は、前記残留ガス分析計から出力される信号に応じて、前記電子銃の電源を制御し、これにより要求残留ガスの分圧を制御することを特徴とする極高真空水素ポンプの熱電子制御装置。
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