JP2023142088A - 真空装置 - Google Patents

Abstract

【課題】真空容器の真空度を良化させる過程で周囲に与える影響を低減できる真空装置を実現する。【解決手段】真空装置（１）は、真空容器（１１）と、真空容器内に配されている、材料にチタンを含む陰極（２１）と、真空容器内に配されているフォトカソード（２４）と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、真空容器内の真空度を良化させる真空装置に関する。

真空容器内の真空度を良化させるポンプの一例として、ゲッタポンプが挙げられる。特許文献１には、ゲッタポンプの一例として、真空容器の内壁面に設けられた非蒸発型ゲッタ担体と、真空容器の外壁面に設けられ、真空容器の壁を介して熱伝導により非蒸発型ゲッタ担体を加熱するヒータと、を有する非蒸発型ゲッタポンプが開示されている。

特開２０１２－２２５３３７号公報

しかしながら、特許文献１に開示されているポンプでは、非蒸発型ゲッタ担体を加熱するために真空容器を加熱する必要がある。このため、例えば真空容器のろう付けが融解してリークが生じるなど、周囲の部材に悪影響を及ぼす可能性がある。

本発明の一態様は、真空容器の真空度を良化させる過程で周囲に与える影響を低減できる真空装置を実現することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る真空装置は、真空容器と、前記真空容器内に配されている、材料にチタンを含む陰極と、前記真空容器内に配されているフォトカソードと、を備える。

本発明の一態様に係る真空装置によれば、真空容器の真空度を良化させる過程で周囲に与える影響を低減できる。

実施形態１に係る真空装置の構成の例を示す図である。 実施形態１に係る真空装置の動作を示す図である。 実施形態１の第１の変形例に係る真空装置の構成の例を示す図である。 実施形態１の第２の変形例に係る真空装置の構成の例を示す図である。 実施形態２に係る真空装置の構成の例を示す図である。 実施形態２の第１の変形例に係る真空装置の構成の例を示す図である。 実施形態２の第２の変形例に係る真空装置の構成の例を示す図である。

〔実施形態１〕
以下、本発明の一実施形態について、詳細に説明する。本明細書において特記しない限り、数値範囲を表す「Ａ～Ｂ」は、「Ａ以上かつＢ以下」を意味する。

（真空装置１の構成）
図１は、実施形態１に係る真空装置１の構成の例を示す図である。図１において、符号１０１は斜視図、符号１０２は側面図、符号１０３は符号１０２におけるＡ－Ａ線断面図である。図１に示すように、真空装置１は、真空容器１１、陰極２１、絶縁板２２、およびフォトカソード２４を備える。図１の符号１０１においては、視認性のため、真空容器１１を透過して内部を描いている。

真空容器１１は、内部を密閉することが可能な容器である。真空容器１１の材料は特に制限されず、例えばＳＵＳ３０４である。真空容器１１は、開口１２および透過部１３を有する。開口１２は、真空容器１１の内部に陰極２１を配するための開口である。透過部１３は、真空容器１１の壁面に設けられた、後述する光源１４からの光が透過可能な部分である。透過部１３は、例えばガラス窓である。この他、真空容器１１は、他の真空容器またはポンプと連通するための、図示しない開口を有していてよい。

絶縁板２２は、絶縁体で形成された板である。絶縁体の例として、エポキシ樹脂またはアルミナが挙げられる。絶縁板２２は、開口１２を塞ぐ位置に配される。絶縁板２２と真空容器１１とが接触する領域に、当該領域をシールするためのＯリングまたは銅ガスケットなどのシール部材が設けられる。絶縁板２２が開口１２を塞ぐことで、真空容器１１の内部が密閉される。

陰極２１は、材料にチタンを含む電極である。陰極２１は、例えばチタン板である。また、陰極２１は、チタンを含む合金の板であってもよい。陰極２１は、絶縁板２２の、真空容器１１の内側に位置する面に立設される。したがって、陰極２１は、密閉された状態の真空容器１１内に配される。

端子２３は、陰極２１と電気的に接続された状態の端子である。端子２３は、絶縁板２２の、真空容器１１の外側に位置する面に設けられる。端子２３は、図１の符号１０３に示すように、絶縁板２２を貫通した陰極２１の端部であってよい。また、端子２３は、陰極２１とは別の部材であってもよい。

図１に示す例では、真空容器１１は、陽極として機能する。これにより、陽極を別途設ける必要が無くなり、真空装置１の部品点数を削減できる。ただし、真空装置１は、真空容器１１とは別の陽極を備えていてもよい。その場合、当該陽極が真空容器１１から絶縁されていれば、陰極２１については真空容器１１から絶縁させなくてもよい。

フォトカソード２４は、負電圧を印加された状態で光が入射した場合に、光電効果により光電子を放出する。フォトカソード２４は、真空容器１１内に配されている。フォトカソード２４の種類については特に制限されない。長寿命かつ量子効率が高いという観点から、例えばＣｓ－Ｔｅ系半導体フォトカソードをフォトカソード２４として用いることができる。

図１においては、フォトカソード２４は、陰極２１上に配されている。このため、陰極２１に負電圧を印加することで、フォトカソード２４にも負電圧を印加することができる。したがって、フォトカソード２４に負電圧を印加するための構成を別途備える必要がない。

図１に示す例では、真空装置１は、光源１４をさらに備える。光源１４は、フォトカソード２４に光を入射させる。光源１４がフォトカソード２４に入射させる光の種類は、フォトカソード２４の種類に応じて決定される。例えばフォトカソード２４が、上述したＣｓ－Ｔｅ系半導体フォトカソードである場合、光源１４がフォトカソード２４に入射させる光は紫外光である。光源１４がフォトカソード２４に入射させる光を可視光とする必要がある場合には、フォトカソード２４を例えばＣｓ－Ｓｂ系半導体フォトカソードとする。ただし、Ｃｓ－Ｓｂ系半導体フォトカソードは、寿命および量子効率の観点で、Ｃｓ－Ｔｅ系半導体フォトカソードよりも劣る。

真空装置１が光源１４を備える場合、当該光源１４がフォトカソード２４に入射させる光は、真空装置１の設計者によって選択された、フォトカソード２４の種類に応じた適切な光となる。したがって、真空装置１のユーザにとっての利便性が向上する。ただし、真空装置１は、必ずしも光源１４を備えなくてもよい。真空装置１が光源１４を備えない場合には、真空装置１のユーザが、フォトカソード２４の種類に応じた光を出射することが可能な光源を、真空装置１と組み合わせればよい。

フォトカソード２４は、透過部１３と対向している。光源１４は、真空容器１１の外部に配され、透過部１３を介してフォトカソード２４に光を入射させる。このため、光源１４の表面にチタンが付着することを防ぐことができる。また、光源１４に何らかの不調が生じた場合に、真空容器１１を大気開放することなく当該不調に対応できる。ただし、光源１４は真空容器１１の内部に配されていてもよい。その場合、真空容器１１は、透過部１３を備えなくてよい。

（真空装置１の動作）
図２は、真空装置１の動作を示す図である。真空装置１は、１０^－１０Ｐａ程度の超高真空を達成するために使用される。以下に説明する真空装置１の動作を開始させる前に、予め他の真空ポンプなど（不図示）により、真空容器１１内を１Ｐａ程度の高真空の状態としておく。この状態の真空容器１１内には、超高真空を達成する上で除去すべき気体分子３１がまだ残留している。

まず、図２の符号２０１に示すように、端子２３に電源装置３０を接続し、陰極２１に負電圧を印加する。これにより、真空容器１１と陰極２１との間に、真空容器１１の側を正とする電場を生じさせる。陰極２１に印加する電圧の絶対値は、例えば１００Ｖ～２００Ｖとする。

次に、図２の符号２０２に示すように、陰極２１に負電圧を印加した状態で、フォトカソード２４に対して光を入射させる。これにより、光電効果によりフォトカソード２４から光電子３２が放出される。フォトカソード２４から放出された光電子３２は、真空容器１１と陰極２１との間の電場により、真空容器１１の内面へ向けて加速される。加速された光電子３２が真空容器１１内に残留している気体分子３１と衝突すると、気体分子３１はイオン３３と二次電子３４とに電離する。イオン３３は、真空容器１１と陰極２１との間の電場により、陰極２１へ向けて加速される。

図２の符号２０３に示すように、陰極２１へ向けて加速されたイオン３３は、陰極２１に衝突する。このとき、陰極２１に含まれるチタン原子３５が、陰極２１から空間に飛び出す。

図２の符号２０４に示すように、陰極２１から飛び出したチタン原子３５は、真空容器１１の内面、および／または陰極２１に堆積してゲッタ膜３６を生成する。チタン原子３５は化学的に活性であるため、ゲッタ膜３６を生成する過程において、周囲の気体分子３１を吸着する。チタン原子３５に吸着される気体分子３１の例として、水素、酸素、窒素および一酸化炭素などの分子が挙げられる。また、ヘリウムなどの不活性な気体の分子であっても、図２の符号２０２に示したようにイオン化され、チタン原子３５に吸着される。その結果、真空容器１１内の気体分子３１が減少し、真空容器１１内の真空度が良化される。

（真空装置１の効果）
以上のとおり、真空装置１においては、真空容器１１と陰極２１との間に電圧を印加した状態で、真空容器１１内に配されたフォトカソード２４に光を入射させることで、真空容器１１内の真空度が良化される。このため、真空容器１１を加熱する必要がない。したがって、真空容器１１内の真空度を良化する過程で周囲に与える影響を低減できる。

また、上述したとおり、真空装置１においては、真空容器１１（陽極）と陰極２１との間に印加される電圧は、１００Ｖ～２００Ｖ程度である。この値は、例えば従来のイオンポンプにおいて電極間に印加される電圧（数ｋＶ）よりも低い。したがって、真空装置１によれば、従来のイオンポンプなどと比較して、真空度を良化する過程における安全性が向上する。加えて、数ｋＶといった高電圧を印加することが可能な大型の電源装置が不要となるため、装置のコストを低減できる。

また、一般に、電子の衝突による気体分子の電離効率は、電子のエネルギーが５０ｅＶ～２００ｅＶである場合に高くなる。真空装置１においては、真空容器１１と陰極２１との間に印加される電圧を１００Ｖ～２００Ｖ程度とすることで、フォトカソード２４から放出される光電子３２のエネルギーが、上記の範囲内となる。その結果、光電子３２の衝突による気体分子３１の電離効率が高くなる。

さらに、一般に、イオンにより原子の飛び出しを発生させるためには、イオンのエネルギーが、少なくとも１０ｅＶ、好ましくは数１００ｅＶ程度必要である。真空装置１においては、真空容器１１と陰極２１との間に印加される電圧を１００Ｖ～２００Ｖ程度とすることで、光電子３２により気体分子３１から電離したイオン３３のエネルギーが、上記の範囲内となる。その結果、イオン３３によるチタン原子３５の飛び出しが発生するようになる。

（変形例１）
図３は、実施形態１の第１の変形例に係る真空装置１Ａの構成の例を示す図である。図３は、図１の符号１０３と同様の断面における断面図である。図３に示すように、真空装置１Ａは、真空装置１の構成に加えて、磁場生成部２５をさらに備える。

磁場生成部２５は、磁力線がフォトカソード２４の表面と交差する磁場を生成する。特に、磁場生成部２５は、磁力線がフォトカソード２４の表面に垂直な磁場を生成することが好ましい。図１に示す例では、磁場生成部２５は、フォトカソード２４の、透過部１３と対向している面とは逆側の面に配された磁石である。ただし、磁場生成部２５はこれに限定されず、電流が流れることで磁場を生成するコイルなどであってもよい。

磁場生成部２５が生成する磁場の強度は、光電子３２の旋回運動の直径（Ｌａｒｍｏｒ半径の２倍）が真空容器１１内に収まるよう、真空装置１Ａの設計者により決定されればよく、例えば数ガウス程度である。

真空装置１Ａにおいては、光電効果によりフォトカソード２４から放出された光電子３２（図２参照）は、磁場生成部２５が生成した磁場により旋回運動しながら真空容器１１の内壁へ加速される。このため、真空装置１Ａにおいては、磁場生成部２５を備えない真空装置１と比較して、当該光電子３２が気体分子３１（図２参照）と衝突する確率が向上する。その結果、単位時間当たりのイオン３３の生成量、当該イオン３３が陰極２１に入射することによりチタン原子３５が陰極２１から飛び出す量、および当該チタン原子３５がゲッタ膜３６を生成する過程で吸着する気体分子３１の量が増加する。したがって、真空装置１Ａによれば、真空装置１よりも短時間で真空容器１１内の真空度を良化することができる。

（変形例２）
図４は、実施形態１の第２の変形例に係る真空装置１Ｂの構成の例を示す図である。図４に示すように、真空装置１Ｂは、陰極２１を２つ備える。２つの陰極２１は、真空容器１１内の、互いに対向する２つの内壁のそれぞれに、真空容器１１から絶縁された状態で配されている。また、フォトカソード２４は、陰極２１が配されている２つの内壁のいずれとも異なる内壁に、真空容器１１から絶縁された状態で配されている。さらに、２つの陰極２１およびフォトカソード２４のそれぞれが、電源装置３０に接続されている。

以上の構成により、真空装置１Ｂにおいては、２つの陰極２１およびフォトカソード２４のそれぞれに負電圧が印加される。この場合、真空装置１とは異なり、フォトカソード２４を陰極２１上に配する必要がない。このような真空装置１Ｂも、真空装置１と同様の効果を奏する。

なお、フォトカソード２４を陰極２１上に設けない場合であっても、真空装置１Ｂが備える陰極２１の数を１または３以上としてよい。また、フォトカソード２４を陰極２１上に設ける場合であっても、真空装置１が備える陰極２１の数を２以上としてよい。特に、複数の陰極２１をフォトカソード２４に対して均等に配置し、電場をフォトカソード２４に対して対称に近づけることで、フォトカソード２４から放出された光電子３２を偏りなく拡散できる。

〔実施形態２〕
本発明の他の実施形態について、以下に説明する。実施形態２では、透過部１３へチタン原子３５が付着する可能性を低減できる構成について説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さないか、または図示を省略している。

図５は、実施形態２に係る真空装置２の構成の例を示す図である。図５に示すように、真空装置２は、真空容器１１の代わりに真空容器４１を備えるとともに、開閉可能なシャッター４３をさらに備える点で真空装置１と相違する。真空容器４１は、開口１２とは別の開口４２を有する点で真空容器１１と相違する。透過部１３は、シャッター４３を介して開口４２に装着されるビューポートである。換言すれば、真空装置２においては、透過部１３と陰極２１との間に、開閉可能なシャッター４３が設けられている。

実施形態１において上述したとおり、真空装置１の動作においては、陰極２１から空間にチタン原子３５が飛び出す。チタン原子３５が透過部１３に付着すると、透過部１３を介してフォトカソード２４に入射する光量が減少し、真空装置１の動作に支障が生じる可能性がある。真空装置２においては、シャッター４３を適切なタイミングで開閉することで、チタン原子３５が透過部１３に付着する可能性を低減できる。

（変形例１）
図６は、実施形態２の第１の変形例に係る真空装置２Ａの構成の例を示す図である。真空装置２Ａは、シャッター４３の代わりに、真空容器４１と連通する枝管４４を備える点で、真空装置２と相違する。枝管４４は、開口４２に設けられる。真空装置２Ａにおいて、透過部１３は、枝管４４の先端に位置する。

真空装置２Ａにおいては、透過部１３が枝管４４の先端に位置するため、真空装置１と比較して、透過部１３と陰極２１との間の距離が大きい。このため、真空装置２Ａにおいては、チタン原子３５が透過部１３に到達しにくくなる。したがって、真空装置２Ａによれば、シャッターを開閉することなく、チタン原子３５が透過部１３に付着する可能性を低減できる。

（変形例２）
図７は、実施形態２の第２の変形例に係る真空装置２Ｂの構成の例を示す図である。真空装置２Ｂは、枝管４４の代わりに枝管４５を備える点で、真空装置２Ａと相違する。枝管４５は、屈曲部４５ａを有する。屈曲部４５ａの内部には、光を反射させるミラー４６が配されている。フォトカソード２４は、透過部１３から入射し、ミラー４６により反射された光の光路上に配される。換言すれば、フォトカソード２４は、ミラー４６を介して透過部１３と対向している。

このような真空装置２Ｂにおいては、真空装置２Ａよりもさらに、チタン原子３５が透過部１３に到達しにくくなる。したがって、真空装置２Ｂによれば、チタン原子３５が透過部１３に付着する可能性をさらに低減できる。

なお、図７に示した例では、枝管４５は屈曲部４５ａを１つのみ有する。しかし、枝管４５は、屈曲部４５ａを複数有していてもよい。その場合、複数の屈曲部４５ａの、それぞれの内部にミラー４６が配される。

〔まとめ〕
本発明の態様１に係る真空装置は、真空容器と、前記真空容器内に配されている、材料にチタンを含む陰極と、前記真空容器内に配されているフォトカソードと、を備える。

上記の構成によれば、フォトカソードから放出される光電子により、真空容器内の気体分子がイオン化される。イオン化された気体分子が陰極に衝突することで、陰極に含まれるチタン原子が空間に飛び出し、当該チタン原子が真空容器の内壁などにゲッタ膜を生成する。ゲッタ膜の生成の過程で、チタン原子が真空容器内の気体分子を吸着する。

以上の過程により、真空容器の真空度が良化される。当該過程において、真空容器を加熱する必要はない。したがって、真空容器の真空度を良化させる過程で周囲に与える影響を低減できる。

本発明の態様２に係る真空装置は、前記フォトカソードに光を入射させる光源をさらに備える。

上記の構成によれば、フォトカソードの種類に応じた適切な光を入射させる光源を、真空装置の設計者が選択することで、ユーザの利便性が向上する。

本発明の態様３に係る真空装置において、前記真空容器は、光が透過可能な透過部を備え、前記フォトカソードは、前記透過部と対向している。

上記の構成によれば、真空容器の外部に配された光源から、透過部を介してフォトカソードに光を入射させることができる。したがって、光源に不調が生じた場合に、真空容器を大気開放することなく当該不調に対応できる。

本発明の態様４に係る真空装置においては、前記透過部と前記陰極との間に、開閉可能なシャッターが設けられている。

上記の構成によれば、シャッターを適切なタイミングで開閉することで、陰極から飛び出したチタン原子が透過部に付着する可能性を低減できる。

本発明の態様５に係る真空装置は、前記真空容器と連通する枝管をさらに備え、前記透過部は、前記枝管の先端に位置する。

上記の構成によれば、陰極から飛び出し、枝管を通り抜けて透過部に到達したチタン原子のみが透過部に付着することとなる。したがって、チタン原子が透過部に付着する可能性を低減できる。

本発明の態様６に係る真空装置において、前記枝管は、少なくとも１つの屈曲部を有し、前記屈曲部の内部には、光を反射させるミラーが配され、前記フォトカソードは、前記透過部から入射し、前記ミラーにより反射された光の光路上に配される。

上記の構成によれば、屈曲した枝管を通り抜けて透過部に到達したチタン原子のみが透過部に付着することとなる。したがって、チタン原子が透過部に付着する可能性をさらに低減できる。

本発明の態様７に係る真空装置において、前記真空容器は、陽極として機能する。

上記の構成によれば、陽極を別途備える必要がなくなり、真空装置の部品点数を削減できる。

本発明の態様８に係る真空装置において、前記フォトカソードは、前記陰極上に配されている。

上記の構成によれば、陰極に負電圧を印加することでフォトカソードにも負電圧が印加される。したがって、フォトカソードに負電圧を印加するための構成を別途備える必要がなくなり、真空装置の部品点数を削減できる。

本発明の態様９に係る真空装置は、磁力線が前記フォトカソードの表面と交差する磁場を生成する磁場生成部をさらに備える。

上記の構成によれば、フォトカソードから放出された光電子は、旋回運動しながら真空容器の内壁へ加速される。このため、光電子が気体分子に衝突する確率が向上し、真空装置の動作が速くなる。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

１，１Ａ，１Ｂ，２，２Ａ，２Ｂ 真空装置
１１、４１ 真空容器
１３ 透過部
１４ 光源
２１ 陰極
２４ フォトカソード
２５ 磁場生成部
４３ シャッター
４４、４５ 枝管
４５ａ 屈曲部
４６ ミラー

Claims (9)

1. 真空容器と、
   前記真空容器内に配されている、材料にチタンを含む陰極と、
   前記真空容器内に配されているフォトカソードと、を備える真空装置。
2. 前記フォトカソードに光を入射させる光源をさらに備える請求項１に記載の真空装置。
3. 前記真空容器は、光が透過可能な透過部を備え、
   前記フォトカソードは、前記透過部と対向している請求項１または２に記載の真空装置。
4. 前記透過部と前記陰極との間に、開閉可能なシャッターが設けられている請求項３に記載の真空装置。
5. 前記真空容器と連通する枝管をさらに備え、
   前記透過部は、前記枝管の先端に位置する請求項３に記載の真空装置。
6. 前記枝管は、少なくとも１つの屈曲部を有し、
   前記屈曲部の内部には、光を反射させるミラーが配され、
   前記フォトカソードは、前記透過部から入射し、前記ミラーにより反射された光の光路上に配される請求項５に記載の真空装置。
7. 前記真空容器は、陽極として機能する請求項１から６のいずれか１項に記載の真空装置。
8. 前記フォトカソードは、前記陰極上に配されている請求項１から７のいずれか１項に記載の真空装置。
9. 磁力線が前記フォトカソードの表面と交差する磁場を生成する磁場生成部をさらに備える請求項１から８のいずれか１項に記載の真空装置。

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