JP2019523882A - 共通のシャフト上にターボ分子ポンプおよびブースターポンプを有する質量分析式漏洩検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】質量分析式漏洩検出器において、汚染防止のためターボモレキュラーポンプの駆動部を質量分析計から分離する。【解決手段】多段式のターボ分子ポンプ１２と、その吸込側に接続された質量分析計１７と、正圧側に接続された予備真空ポンプ１８と、吸込側が被検体に対するコネクタ２８を有し、正圧側がガス導通路２２を介してターボ分子ポンプ１２の正圧側と、予備真空ポンプ１８の吸込側とに接続されているブースターポンプステージ２４と、を備えた質量分析式漏洩検出器において、ターボ分子ポンプ１２のステージ３０，３２およびブースターポンプステージは、共通のシャフト上に配置されて共通の駆動部３４を有し、被検体に接続可能なブースターポンプステージの正圧側と、質量分析計１７に接続されたターボ分子ポンプ１２のポンプステージの吸込側との間において、分離部３６がガス導通路を遮断する構成とする。【選択図】図２

Description

本発明は、多段式ターボ分子ポンプおよびブースターポンプを有する質量分析式漏洩検出器に関する。

質量分析式漏洩検出器において、被検体または被検体を囲い込む試験チャンバは、通常、多段式のターボ分子ポンプを用いて排気され、抽出されたガスを分析するためにガス流が質量分析計に送られる。このとき、抽出された全ガスのうち、一部のガスのみが質量分析計に送られる。このような質量分析式漏洩検出器は、例えば、独国特許出願公開第１９７３５２５０号（特許文献１）に記載されている。漏洩検出用の試験ガスとしては、通常、ヘリウムが使用される。

さらに、このような質量分析式漏洩検出器において、被検体または試験チャンバに接続されたガス導通路にブースターポンプを設け、被検体または試験チャンバの排気速度の向上、高感度化、排気容量の増大と応答時間の短縮を図ることが知られている。米国特許出願公開第２００６／０２８０６１５号（特許文献２）には、このような漏洩検出器が記載されている。質量分析計は二段式のターボ分子ポンプを介してバッキングポンプに接続されており、このターボ分子ポンプのポンプステージ（ポンプ段）は共通のシャフト上に配置されている。ブースターポンプは、被検体に接続するように設けられたガス導通路に設置されている。このとき、ブースターポンプの吸込側は被検体に接続されており、ブースターポンプの正圧側はターボ分子ポンプの２つのポンプステージ間の中間ガス入口に接続され、さらにターボ分子ポンプとバッキングポンプとの間のガス導通路に接続されている。これらのガス導通路はそれぞれ弁を有する。

ブースターポンプを有するこのような従来型の質量分析式漏洩検出器において、特に重要なのは、ブースターポンプがそれ自体の駆動部を備えていることである。これは、通常ブースターポンプの正圧側に配置される。こうして、ブースターポンプの駆動部は、多段式のターボ分子ポンプの中間ガス入口を介して、質量分析計とガス分析用の測定経路とに接続されている。これによって、ブースターポンプの駆動部が、測定経路を汚染して質量分析計による分析に影響を与える可能性がある。例えば、ブースターポンプの駆動部にヘリウムが蓄積し、測定経路を通って質量分析計に入って測定結果を損なってしまう可能性がある。

さらに、例えば、欧州特許出願公開第０３４４３４５号（特許文献３）から、複数のポンプステージが共通のシャフト上に設けられた質量分析式の漏洩検出用の配置が知られている。これらのポンプステージの駆動部は、シャフトの低圧端に配置されているので、質量分析計の側にある。これはシャフトの軸受と同様である。再述すると、ポンプ駆動部内またはシャフトの軸受内に蓄積したヘリウムは、測定シャフトを介して質量分析計に入り、測定結果を損なうおそれがある。

独国特許出願公開第１９７３５２５０号明細書 米国特許出願公開第２００６／０２８０６１５号明細書 欧州特許出願公開第０３４４３４５号明細書

本発明の目的は、多段式のターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）とブースターポンプとを有する、改良された質量分析式漏洩検出器であって、ヘリウムによって汚染され得るＴＭＰの駆動部が、極力効果的に質量分析計から分離された質量分析式漏洩検出器を提供することにある。

本発明の漏洩検出器は、請求項１の構成によって定義される。

本発明によれば、ターボ分子ポンプおよびブースターポンプのポンプステージは、共通のシャフト上に配置されており、共通の駆動部が設けられている。このとき、ブースターポンプは、ターボ分子ポンプのポンプステージも含む多段式の真空ポンプの１つのポンプステージを構成する。吸込側において、ブースターポンプステージには、被検体に対するコネクタが設けられている。この場合、被検体に対するコネクタとは、前記被検体を内蔵する試験チャンバに対するコネクタも意味するものとする。ブースターポンプステージの正圧側は、ガス導通路を介してターボ分子ポンプの正圧側と、バッキングポンプの吸込側とに接続されている。

ターボ分子ポンプおよびブースターポンプ用のシャフトの駆動部が質量分析計までの測定経路を汚染しないように、ブースターポンプの正圧側と、質量分析計に接続されたターボ分子ポンプのポンプステージの吸込側との間のガス導通路は、分離部によって遮断されている。これによって、蓄積したガスまたは他の汚染物質は、駆動部から前記質量分析計に入り込むことができない。

分離部は、対応するガス導通路を封止するシールであってもよい。ガス導通路は、ブースターポンプステージからシャフトを介して質量分析計につながっているので、シャフト上のこのシールは、シャフトのトルクを伝達し得るものでなければならない。これは、例えば、シャフトのトルクを磁気的に伝達し得る封止壁によってガスシールを形成する磁性流体シール（ferrofluidic seal）を用いることで実現してもよい。封止壁の両側には強磁性粒子（ferroparticles）を含む流体が存在する。駆動されるシャフトがある壁側の強磁性粒子は、シャフトによって回転状態となる。回転する強磁性粒子の磁力が、封止壁を通して封止壁の他方側の流体中の強磁性粒子に作用し、この粒子を励起して回転させることで、封止壁の他方側にあるシャフト部が回転状態となる。ガスは、シャフトに沿って一方側から他方側に封止壁を通過して侵入することはできない。

他の形としては、分離ポンプステージを用いて分離部を実現してもよい。この分離ポンプステージの吸込側は質量分析計に接続されており、正圧側はブースターポンプステージ、及び質量分析計に接続されたターボ分子ポンプのポンプステージの正圧側に接続されている。したがって、分離ポンプステージは、ブースターポンプステージと、質量分析計に接続されたポンプステージとの間で、他のポンプステージと同じシャフト上に設けられている。分離ポンプステージは、例えばホルベックまたはゲーデの作動原理に従う分子ポンプステージとして、またはターボ分子ポンプステージとして設計してもよい。これに関して、分子ポンプステージは、特に高い圧縮を実現する。

ターボ分子ポンプは、特に、二段式設計のものであってもよい。ターボ分子ポンプの２つのポンプステージと同じシャフト上にブースターポンプを設けることによって、３ステージ式の真空ポンプが形成される。ブースターポンプステージとターボ分子ポンプとの間において同じシャフト上に分離ポンプステージが設けられている場合、全体として４ステージ式の真空ポンプが形成され、ポンプステージはそれぞれ、同一の駆動部および同一のシャフトによって駆動される。

共通のポンプ駆動部は、ターボ分子ポンプとバッキングポンプとのポンプステージ間のターボ分子ポンプの端部、すなわち、ターボ分子ポンプの正圧側に設けられていることが好ましい。

ターボ分子ポンプの正圧側端のポンプステージは、分子ポンプステージまたはホルベックステージであってもよい。ターボ分子ポンプは、少なくとも１つのターボ分子ポンプステージを有する。ブースターポンプステージは、ヘリウムに対する高い吸引能力を実現し得るように、ターボ分子ポンプステージとして設計されることが好ましい。

本発明は、多段式のターボ分子ポンプとブースターポンプステージとを有し、全てのポンプステージが単一のシャフト上に配置され、かつ単一の共通の駆動部によって駆動される質量分析式漏洩検出器を提供するという着想に基づいている。したがって、この漏洩検出器の構造は、より経済的で技術的に簡素化されている。このような多段式ポンプ配置の駆動部が質量分析計を汚染して測定結果を損なってしまうことを防止するために、ブースターポンプステージと、質量分析計に接続されたポンプステージとの間にガス導通路の分離部が設けられている。

先行技術から公知な従来型の配置図である。 本発明の一実施形態の模式図である。 図２の配置の他の実施形態の図である。 図１と同様の図であって、図３の実施形態を示す模式図である。 ポンピング／測定サイクルを制御する弁を備えた他の実施形態の図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
図１は、先行技術から公知な質量分析式漏洩検出器の模式図である。この検出器は多段式ターボ分子ポンプ１２を有し、その吸込側はガス導通路１４を介して質量分析計１７に接続され、正圧側はガス導通路１６を介してバッキングポンプ１８の吸込側に接続されている。ターボ分子ポンプ１２は、付加的なガス導通路２２を介してブースターポンプ２４の正圧側に接続された中間ガスコネクタ２０を有する。吸込側において、ブースターポンプ２４（このポンプもターボ分子ポンプである）は、ガス導通路２６を介して、試験される被検体または被検体を取り込んだ試験チャンバに対するコネクタ２８に接続されている。

ターボ分子ポンプ１２は、二段式設計のものであって、ターボ分子ポンプステージ３０と分子ポンプステージ３２とを有する。ターボ分子ポンプステージ３０および分子ポンプステージ３２は、図１に図示されていない共通のシャフト上に配置されており、共通のポンプ駆動部３４によって駆動される。ポンプ駆動部３４は、ターボ分子ポンプ１２の正圧側、すなわち、分子ポンプステージ３２の正圧側とバッキングポンプ１８の吸込側との間に配置されている。中間ガスコネクタ２０は、ブースターポンプ２４の正圧側を、ターボ分子ポンプステージ３０の正圧側と分子ポンプステージ３２の吸込側とに接続する。ブースターポンプ２４の駆動部３５は、被検体２８から延びるライン２２，２６の測定経路内に直接配置されており、これによって、大気から蓄積したヘリウムがポンピング動作中に駆動部３５に蓄積し、低圧条件が達成された後にゆっくりと抜けて、測定中に質量分析計に入る。

本発明の基本的な原理は、図２に示す実施形態に表されている。本発明の基本的な着想は、ターボ分子ポンプ１２の付加的なポンプステージとしてブースターポンプ２４を設けるところにある。このとき、ブースターポンプステージ２４は、ターボ分子ポンプ１２のターボ分子ポンプステージ３０および分子ポンプステージ３２と同じシャフト上に配置されている。ブースターポンプステージ２４は、２つのポンプステージ３０，３２と同一の、予備真空領域における唯一のポンプ駆動部２４によって駆動される。

可能な限り迅速に測定の準備を行うためには、質量分析計１７内の圧力は被検体内の圧力よりも低くなければならない。しかし、ブースターポンプ２４が被検体圧力をその出口側に向かって圧縮するので、ターボ分子ポンプステージ３０の吸込側とブースターポンプステージ２４の正圧側の間に分離部３６が設けられ、これらの間のガス導通路を遮断している。分離部３６は、図２において２本の波線として示されており、様々な方法で実現することができる。

図示されていない第１の変形例は、ブースターポンプステージ２４とターボ分子ポンプステージ３０との間のシャフトを囲むガスシールに関するものであり、このシールにより、駆動部３４からブースターポンプステージ２４へとシャフトに沿ってトルクを伝達することが可能である。このシールは、例えば、流体中に浮遊する強磁性粒子を回転させることによって磁力を介して封止壁を通ってトルクを伝達する磁性流体シールを用いて実現してもよい。

あるいは、分離部３６は、図３および図４に示される分離ポンプステージ３８を用いて実現してもよい。このとき、分離ポンプ３８の吸込側は、質量分析計１７をターボ分子ポンプステージ３０の吸込側に接続するガス導通路１４に接続されている。分離ポンプステージ３８の正圧側は、ブースターポンプステージ２４の正圧側を、２つのポンプステージ３０，３２の間にあるターボ分子ポンプの中間ガス入口２０に接続するガス導通路２２に接続されている。

図４は、本発明によってもたらされる、分離ポンプステージ３８によって形成される分離部３６と、図１に示される先行技術の配置との差異を示している。

図３は、図４の実施形態を図２に対応する配置で示した図であり、図２の分離部３６は図４の分離ポンプ３８によって実現される。ステージ２４は、高い吸引能力を有する完全なターボステージである。ステージ３８および３０は、少なくとも１０から最大１００（水蒸気について）の適度な圧縮のために設計されている。これらの２つのステージ３８，３０のうちの一方（好ましくはステージ３８）は、他方のステージ３０が向流機能のために使用されるのに対し、分離部３６を形成するだけであるから、代替的に、高圧縮の分子ポンプステージとして設計してもよい。

ガス導通路２２は、ステージ２４の出口をステージ３２の入口に接続するバイパスラインである。ステージ３２は、できるだけ効果的に質量分析計１７を駆動部３４から分離できるように、完全なスクリューステージとして、または１つもしくは複数のターボステージを入口に有するスクリューステージとして設計してもよい。被検体２８に対する付加的なコネクタ３９を、図３に示されているようにステージ３２内に、またはステージ３０とステージ３２との間にも形成してもよい。これは、ステージ３２の吸引能力と、ステージ３８および３０の圧力抵抗とに応じて行われる。

図３の実施形態に対して、図５の実施形態では、漏洩検出器の操作のための弁Ｖ１〜Ｖ６が追加されている。

コネクタ２８に接続された被検体は、まず弁Ｖ５を介してバッキングポンプ１８によって約１５ｍｂａｒまで排気される。その後、規模の大きい漏洩を検知するために弁Ｖ４が開かれ、漏洩検出が開始される。試験ガスの原子がステージ３２，３８および３０の圧縮に対して質量分析計１７に到達し、質量分析計において検出される。２ｍｂａｒ未満の圧力ｐ_２から感度がより高い入口への切り替えは、弁Ｖ３を介して行われ、この入口はステージ３２につながっている。弁Ｖ３はポンプステージ３２の中間入口に設けられている。代替的または付加的に、圧力条件が適当なときに各ポンプステージの部品を迂回して感度を向上させ得るように、ポンプステージ３２，３８に、付加的な中間コネクタが設けられていてもよい。

圧力が圧力ｐ_１（０．１ｍｂａｒ）未満になった場合、弁Ｖ５が閉じられた状態で、弁Ｖ１を介して感度が最も高い動作モードに切り替えられる。このとき、ブースターポンプ２４の高い吸引能力が入口２８に作用するので、信号応答時間に有益な効果が得られる。一方、ステージ２４の圧縮により、接続ライン２２においてヘリウム分圧の圧力が増大し、質量分析計１７において信号が立ち上がる。このとき、漏洩検出器の検出限界に関して重要となるのは、ステージ３２の吸引能力およびステージ３８，３０の圧縮である。

１２ ターボ分子ポンプ
１７ 質量分析計
１８ バッキングポンプ
１４、１６、２２、２６ ガス導通路
２０ 中間ガスコネクタ
２４ ブースターポンプ
２８ コネクタ
３０ ターボ分子ポンプステージ
３２ 分子ポンプステージ
３４、３５ 駆動部
３６ 分離部
３８ 分離ポンプステージ

Claims (10)

1. 多段式ターボ分子ポンプ（１２）と、
   前記ターボ分子ポンプ（１２）の吸込側に接続された質量分析計（１７）と、
   前記ターボ分子ポンプ（１２）の正圧側に接続されたバッキングポンプ（１８）と、
   吸込側が、試験される被検体に対するコネクタ（２８）を有し、正圧側が、ガス導通路（２２）を介して前記ターボ分子ポンプ（１２）の正圧側と、前記バッキングポンプ（１８）の吸込側とに接続されているブースターポンプステージ（２４）と、
   を備えた質量分析式漏洩検出器において、
   前記ターボ分子ポンプ（１２）のステージ（３０，３２）および前記ブースターポンプは、共通のシャフト上に配置され、共通の駆動部（３４）を有し、
   前記被検体に接続されるよう構成された前記ブースターポンプステージの前記正圧側と、前記質量分析計（１７）に接続された前記ターボ分子ポンプステージ（１２）の前記ポンプステージの前記吸込側との間において、分離部（３６）が前記ガス導通路を遮断することを特徴とする質量分析式漏洩検出器。
2. 請求項１に記載の漏洩検出器において、前記ターボ分子ポンプ（１２）が、２ステージ式の設計であることを特徴とする漏洩検出器。
3. 請求項１または２に記載の漏洩検出器において、前記ターボ分子ポンプ（１２）の前記ポンプステージおよび前記ブースターポンプステージ（２４）が、共通の真空ポンプを構成していることを特徴とする漏洩検出器。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の漏洩検出器において、前記駆動部（３４）は、前記ポンプステージと前記バッキングポンプ（１８）との間に位置する前記ターボ分子ポンプ（１２）の端部に設けられていることを特徴とする漏洩検出器。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の漏洩検出器において、前記ターボ分子ポンプ（１２）の前記ポンプステージのうちの１つが分子ポンプステージ（３２）であり、前記ターボ分子ポンプ（１２）は、少なくとも１つのターボ分子ポンプステージ（３０）を備えることを特徴とする漏洩検出器。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の漏洩検出器において、前記ブースターポンプステージ（２４）は、ターボ分子ポンプステージであることを特徴とする漏洩検出器。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の漏洩検出器において、前記分離部（３６）は、前記シャフトに沿って前記ガス導通路（２２）を封止するシールであり、前記シャフトのトルクは、前記シールを通って伝達可能であることを特徴とする漏洩検出器。
8. 請求項７に記載の漏洩検出器において、前記シールは磁性流体シールによって形成されていることを特徴とする漏洩検出器。
9. 請求項１から６のいずれか一項に記載の漏洩検出器において、前記分離部（３６）は分離ポンプステージ（３８）によって形成されており、この分離ポンプステージ（３８）の吸込側は前記質量分析計（１７）に接続され、正圧側は前記ブースターポンプステージ（２４）の前記正圧側と、前記質量分析計（１７）に接続された前記ターボ分子ポンプ（１２）の前記ポンプステージの正圧側とに接続されていることを特徴とする漏洩検出器。
10. 請求項９に記載の漏洩検出器において、前記分離ポンプステージ（３８）は、分子ポンプステージまたはターボ分子ポンプステージであることを特徴とする漏洩検出器。

Images