JP5302386B2 - ゲッタポンプ及びイオンポンプを具備する複合排気システム - Google Patents

Description

本発明は、ゲッタポンプ及びイオンポンプを具備する複合排気システムに関する。

多くの産業及び科学の機器及びシステムがあり、それらは、それらの作用のために超高真空条件（ＵＨＶとこの分野で称され、１０^−５〜１０^−６Ｐａよりも低い圧力に相当する）を必要とする。これらの機器及びシステムの中で、粒子加速器及び電子顕微鏡が言及される場合がある。これらの真空レベルを発生するために、例えばロータリーポンプ又は膜ポンプである主ポンプと、例えばターボ分子ポンプ、ゲッタポンプ、イオンポンプ又はクライオポンプであるＵＨＶポンプとに定義されるポンプを具備する排気システムが一般的に使用されている。主ポンプは、大気圧下で作用を始めることができ、機器の真空室内部の圧力を約１０^−１〜１０^−２Ｐａの値まで減少させることができる。これらの圧力下において、ＵＨＶポンプを起動することができ、ＵＨＶポンプは、システムの圧力を約１０^−８〜１０^−９Ｐａの値まで低下させる。

現在、最も普及したＵＨＶポンプは、イオンポンプである。イオンポンプは、（水素については低い排気効率を有するが）全ての気体を事実上遮断することができ、排気された室内の圧力値の表示を、近似ではあるが提供することができるからである。後者の特徴により、システムの状態を制御することが可能となり、場合により、室内の圧力が臨界値まで増加したときにその作用を中断することが可能になる、上記特徴は真空機器の製造業者及びユーザから特に高く評価されている。

イオンポンプは通常、同じ複数の部材の組立体によって作られる。これらの部材のそれぞれにおいて、イオン及び電子は、印加される高電界の効果として室内に存在するガス種のイオン化によって発生させられる。各部材の周囲に配置される磁石は、室内に存在する他の分子をイオン化するための電子の能力を向上させるために、非線形（概してらせん形）軌道を有する電子を提供する。そのように発生させられるイオンの組は、部分的に部材の壁内部へのイオン注入に起因して、かつ、部分的にイオン衝撃によってその壁を浸食することによる原子（又は原子のクラスタ）の析出によって形成されるチタニウム層の下への“埋没（ｂｕｒｉａｌ）”効果に起因して、部材の壁に包埋させられる。さらに、チタニウムは、固有のゲッタリング能力を有する。すなわち、チタニウムは、化学化合物の生成又は物理的な収着によってそれらを固定する単純ガス分子と相互作用することができる。

米国特許第５３２４１７２号明細書 米国特許第６１４９３９２号明細書 特開昭５８−１１７３７１号公報 英国特許第２１６４７８８号明細書 米国特許第５２２１１９０号明細書 特開平０６−１４０１９３号公報 特開平０７−２６３１９８号公報 米国特許出願公開第２００６／０２３１７７３号明細書 欧州特許第７１９６０９（Ｂ１）号明細書

イオンポンプは通常、同じ複数の部材の組立体から構成されるので、その気体収着特性（具体的には収着速度）は、そのサイズ及び質量のほぼ線形関数となる。上記のシステムが概して真空室の異なる領域に接続される複数の排気ユニットを必要とするので、これらのシステムの作用のために必要とされるイオンポンプの組により、無視できないやり方でこれらの全体の質量及びサイズが増加させられる。

ゲッタポンプは、非蒸発性ゲッタ材料（ＮＥＧとしてこの分野で既知）で作られる部材によって、酸素、水素、水、及び酸化炭素などの反応性ガス種の化学的収着の原理に基づいて作動する。最も重要なＮＥＧ材料は、ジルコニウムベースの合金又はチタニウムベースの合金である。ゲッタポンプは、例えば特許文献１及び特許文献２に示される。これらのポンプは、類似したサイズを有するイオンポンプの収着速度よりも特筆して高いガス収着速度を有し、かつ、それに対してさらにもっと効率よく水素を取り除くことができる一方で、それらの排気効率は、炭化水素に対しては低く、かつ希ガスに対しては皆無であり、それらは、室内の圧力の測定を提供することができない。

イオンポンプ及びゲッタポンプの併用は、特に効果的であるＵＨＶのための排気システムを提供する。例えば、公開された特許文献３及び特許文献４から、真空システム自体に関する特許文献５から、及び、互いに分離されたイオンポンプ及びゲッタポンプを使用することによって真空室が排気され続ける粒子加速器に関する公開された特許文献６及び特許文献７から、類似の排気システムは既知である。

上記において引用される文献において説明される排気システムは、主ポンプとしてイオンポンプの使用を、主ポンプよりも小さいサイズの補助ポンプとしてゲッタポンプの使用を提供する。これらの文献は、イオンポンプの使用に関する主な課題、すなわち大きな質量、大きなサイズ、及び高いエネルギー消費の課題を解決していない。

特許文献８は、真空システムがイオンポンプ及びゲッタポンプを具備する、電子顕微鏡を説明する。この文献は、従来の状況を逆転させ、その減少されたサイズを開発するために主ポンプとしてのゲッタポンプの使用と、ゲッタポンプによって吸着されない気体を遮断するための比較的小さいイオンポンプの使用とを提案する。このシステムは、真空システムの質量及びサイズを改善することを可能にするが、システム全体のために無視できない負担を代表する２つの分離したポンプをまだ有している。さらに、ＵＨＶシステム内の臨界的な箇所が室壁内での全ての開口部及び接続部であることが知られている。このことは、以下の理由により起こる。すなわち、フランジ、ガスケット又はロウ付けの材料の微小レベルでの不完全な密封の可能性に起因して（具体的には、システムが加熱される場合に、互いに異なる材料で作られた部品の互いに異なる熱膨張が起こることに起因して）、これらの開口部が真空条件のための好ましい劣化箇所を代表する場合があるからである。特許文献８に開示される２つの分離されたポンプを有するシステムは、外部から少なくとも２つの異なる接続箇所を必要とし、１つ（又はシステムが複数のイオンポンプを具備する場合には複数）はイオンポンプを供給するためであり、その他はゲッタポンプのためである。超高真空で作用しなければならないシステムの製造の観点から最適な特徴が考慮されていないおそれがある。したがって、先行技術の短所を克服する複合ゲッタ−イオンポンプを提供することが本発明の目的である。

本発明によれば、前記の目的は、ゲッタポンプ及びイオンポンプを具備する複合排気システムであって、ゲッタポンプ及びイオンポンプは、同じフランジに取り付けられ、フランジの同じ側の２つの異なる箇所に配置されるシステムにより達成される。

本発明の排気システムの略断面図。 本発明の排気システムの第１の実施形態の簡易化された斜視図。 図２のシステムのＩＩＩ−ＩＩＩ’線に沿った断面図。 本発明の他の実施形態の簡易化された斜視図。 図４の実施形態のＶ−Ｖ’線に沿った断面図。

本発明は、図面を参照しつつ以下において詳細に説明される。

図１は、本発明の排気システムの略断面図を示す。システム１０は、ゲッタポンプ１２及びイオンポンプ１３が取り付けられるフランジ１１を具備する。ゲッタポンプ１２及びイオンポンプ１３は、フランジ１１の同じ側の２つの異なる箇所に配置される。

図２及び図３は、本発明の排気システムの第１の実施形態を示す。これらの図面がその最も簡易な構成であるイオンポンプ、すなわち１つだけの円筒形陽極が存在するイオンポンプを示すことに注目されるが、陽極要素は１つよりも多いこともある。

ゲッタポンプ１２は、様々な外形を有するＮＥＧ材料で作られると共に様々な形状により組み立てられる要素から形成されてもよい。ゲッタポンプ１２は、一連のディスク１２１、１２１’，……で構成され、ディスク１２１、１２１’，……は、中央サポート１２２に積み重ねられるＮＥＧ材料で作られ、例えば金属リング１２３（図１では見えない）により互いに離間されて保たれる。例えばセラミック（アルミナが好ましい）で作られる中央サポート１２２は、中空であり、加熱要素をその内部に収容する。（図面には示されない）。その加熱要素は、例えば同様にセラミック材料で作られるサポートの孔を通過するように作られる金属線抵抗器から形成されてもよい（その孔は、サポートの軸線に平行であり、サポートに対する貫通孔である。）。一般的に、サポート１２２は、コネクタ１２４に固定され、そのコネクタ１２４には、電気フィードスルーが設けられ、その電気フィードスルーは通常、セラミックにより作られ、ろう付けによってフランジ１１に固定される。図内に示されるゲッタポンプは、その気体吸着速度を最大化するためにＮＥＧ要素の周りに遮蔽物を有さない。しかしながら、ゲッタポンプは、例えば真空室内へのゲッタポンプの導入の間にゲッタポンプを取り扱うとき、ＮＥＧ要素によって失われるおそれのある金属粒子を保持するために、ＮＥＧ材料で作られる要素の組立体の周りに配置される（例えば孔の開けられた板又は格子状の）金属遮蔽物を具備してもよい。ディスク１２１、１２１’……は、ＮＥＧ材料から形成される焼結させられた粉末で作られてもよく、したがって、比較的小型である場合がある。しかし、それらは、材料の露出される表面積のサイズを増加するために、そしてそれにより、ポンプの気体吸着特性を増加するために、多孔質であることが好ましい。ＮＥＧ材料で作られる多孔質要素は、例えば本願出願人名義の特許文献９で説明される工程により製造されてもよい。本発明のために有用であるＮＥＧゲッタポンプ又はＮＥＧ材料のための他の実施形態は、例えば両方共に本願出願人名義の特許文献９及び特許文献１などの様々な公報において説明される。

イオンポンプ１３は、従来のイオンポンプにおいて繰り返されているものの形式の単一の部材から形成される。このポンプは、開口端が設けられる中空円筒体の形状の単一の陽極要素１３１を具備し、一般的に金属である導電材料で作られる。円筒体は、コネクタ１２４に似たコネクタ１３３によりフランジ１１に固定されるマウント１３２によって所定の位置に保持され、次いで、フランジから絶縁される１又は複数の電気フィードスルーが設けられる。陽極要素１３１の軸線は、フランジの内表面に平行である。チタニウム、タンタラム又はモリブデンで作られる２つの電極１３４，１３４’は、陽極要素１３１の開口端に面し、それらから少し離れて（約１ｍｍ）配置される。陽極要素１３１と電極１３４，１３４’とで形成される組立体は、２つの角柱形状の中空要素１３５，１３５’同士の間に配置される。これらの要素の空洞（ｃａｖｉｔｙ）は、外向きに開いており、すなわち陽極要素１３１が配置される側とは反対のフランジの側から開いており、２つの空洞から形成される集合体は、永久磁石１３６のための座部を画定する。したがって、排気システムが真空室に接続されたとき、永久磁石１３６は、真空室に対して外側のフランジ１１の側に配置される。

磁石１３６は、例えば、ネオジム−鉄−ホウ素型又はサマリウム−コバルト型の高磁場を発生するのに適した任意の既知の永久磁石であってよい。磁石１３６は単に、座部に挿入され、ゲッタポンプの又は本発明のシステムが接続される真空室の加熱のときに、磁石が消磁されることから防ぐために容易に取り除かれることができる。好ましくは、２つの要素１３５，１３５’の壁、具体的には電極１３４，１３４’の近くにあると共にそれらに対して平行である壁（概して長方形である）は、磁石１３６によって発生される磁場を遮蔽しないように、例えば約０．５〜１．５ｍｍの範囲の減少させられた厚さを有する。陽極要素１３１のマウント１３２は、電源供給が陽極要素自体まで到達可能にするために中空である。磁石１３６は、コネクタ１３３への電気ワイヤの接続を可能にするために孔が開けられている。単一のワイヤは場合により、陽極要素１３１に電源供給するために設けられてもよく、さらに、真空室内の圧力を測定するために必要とされる電気的接続が存在してもよい。電極１３４、１３４’は、所定の位置に電極を保持する簡易な機械的機能を有するマウント１３７，１３７’によって支持されて示される。このことは、２つの電極がフランジの電位に保たれるときに可能である。あるいは、２つの電極は次いで、電源供給されてもよい（そして、互いに対して同じ電位に、かつ、陽極要素１３１の電位に対して負の電位に、保たれる）。この場合において、マウント１３７，１３７’は次いで、コネクタ１３３内に備えられるフィードスルーにさらにワイヤを供給することによって接続されてもよい。あるいは、同じ電位にそれらを維持するときに、接触部（図内には示されていない）を通して互いに２つの電極を電気的に接続することと、前記接触部をコネクタ１３３の単一のフィードスルーに電気的に接続することとが可能であり、したがって、機械的な機能のみをマウント１３７，１３７’に任せることが可能である。

好ましくは、磁石は、永久型の磁石であり、例えば、サマリウム−コバルト型又は鉄−ホウ素−ネオジム型の周知の磁石の間から選ばれる。本発明のポンプの構成を前提として、（ゲッタ材料を活性化し若しくは再活性化するための、又は排気システムが接続される真空室を脱気するための）加熱段階の間に、磁石は、磁石が消磁されることから防ぐためにその座部から簡単に取り除かれることができる。

図４及び図５は、イオンポンプ１３が３５０℃よりも高い、つまり真空室内に配置されるゲッタポンプのゲッタ材料の最も一般的な活性化温度よりも高い、キュリー温度を有する永久磁石２３６が設けられる本発明の別の実施形態を示す。

図面に示されるように、磁石はＵ字形をしており、陽極要素２３１及び一対の電極２３４，２３４’がそれに挿入される。その高いキュリー温度に起因して、磁石２３６は、ゲッタポンプ１２のゲッタ材料の活性化温度に耐えることができ、それにより、排気システムが真空室に接続されたとき、真空室に対して内側のフランジ１１の側に配置されることができる。この構成は、フランジ上に磁石を配置するための如何なる座部も必要としないので、特に有利である。磁石２３６は、例えばネジ、バネ等によって、いくつかの考えられるやり方でフランジに固定されることができる。

好ましくは、いわゆる“アルニコ（Ａｌｎｉｃｏ）”型の永久磁石が使用される。アルニコは、少量の銅及びチタニウムの付加の可能性を有する、アルミニウム（質量で８〜１２％）、ニッケル（質量で１５〜２６％）、コバルト（質量で５〜２４％）を基とした組成を表す頭文字であり、その組成の残りは、鉄から生成される。非常に高い磁場を発生することに加えて、アルニコ磁石は、約８００℃という、全ての磁性材料の中で最も高いキュリー温度を有するもののうちの１つであり、それにより、ゲッタポンプが受けるであろう任意の熱的処理に耐えることができる。

２つのポンプ、具体的にはイオンポンプの非常に小さいサイズを前提として、本発明のシステムは、１２５ｍｍよりも小さい直径を有する単一の円形フランジ（ＣＦ１００としてこの分野で既知であるフランジの型に相当する）、又は１００ｘ１５０ｍｍよりも小さいサイズを有する長方形フランジの上に固定されるように、１００ｘ５０ｍｍよりも大きくない長方形領域をフランジ１１の上に占有することができる。フランジはこの分野で既知の材料、例えばＡＩＳＩ３１６Ｌスチール又はＡＩＳＩ３０４Ｌスチールで作られる。

Claims (5)

1. ゲッタポンプ（１２）及びイオンポンプ（１３）を具備する複合排気システム（１０）であって、
   前記ゲッタポンプ（１２）及び前記イオンポンプ（１３）が、同じフランジ（１１）に取り付けられ、フランジの同じ側の２つの異なる箇所に配置される、
   複合排気システム（１０）。
2. イオンポンプ（１３）の作用のために必要とされる磁石（１３６）が、排気システムが真空室に接続されたときに、フランジ（１１）内であり真空室に対して外側のフランジ（１１）の側に形成される座部に配置される、
   請求項１に記載のシステム。
3. イオンポンプ（１３）の作用のために必要とされる磁石（２３６）が、排気システム（１０）が真空室に接続されたときに、真空室に対して内側のフランジの側に配置される、
   請求項１に記載のシステム。
4. 磁石（２３６）が、永久型の磁石であり、３５０℃よりも高いキュリー温度を有する、
   請求項３に記載のシステム。
5. ゲッタポンプ（１２）が、中央サポート（１２２）に積み重ねられる非蒸発性ゲッタ材料で作られる一連のディスク（１２１、１２１’……）から形成される
   請求項１〜４のいずれか１項に記載のシステム。

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