JP5495145B2 - イオンポンプシステム - Google Patents

Description

本発明は，複数の円盤状電極を有するイオンポンプシステムなどに関する。本発明は，ゲッター面のすべての部分で電場と磁場とを有効に活用することができ，これにより排気効率を格段に向上させることができるイオンポンプシステムなどに関する。

国際公開２００９／１０１８１４号パンフレット（下記特許文献１）では，複数の電極層を有するイオンポンプシステムが提案された。この公報の図１８，図２０及び図２１には，内側ケーシングに設けられた磁石と，外側ケーシングに設けられた磁石とを有するイオンポンプシステムが開示されている。

国際公開２００９／１０１８１４号パンフレット

国際公開２００９／１０１８１４号パンフレットに開示されたイオンポンプシステムは，従来のイオンポンプに比べて高い排気効率を有するものであった。しかしながら，このイオンポンプシステムは，ケーシング内に電場とゲッター面とが存在するにもかかわらず，有効な磁場が存在しない部分であるサドルポイントが必然的に存在するという問題があった。

たとえば，従来のイオンポンプシステムでは，電極が設けられている部分には，有効磁束が存在せず，サドルポイントとなっていた。

そこで，本発明は，ゲッター面のすべての部分で電場と磁場とを有効に活用することができ，これにより排気効率を格段に向上させることができるイオンポンプシステムを提供することを目的とする。

本発明は，基本的には，内側ケーシングから円盤状電極を複数設け，さらに外側ケーシングからも円盤状電極を複数設けることで，サドルポイントを消滅させ，ゲッター面のすべての部分で電場と磁場とを有効に活用することができ，これにより排気効率を格段に向上させることができるという知見に基づくものである。

本発明の第１の側面は，外側ケーシング１１と，外側ケーシング１１内部に設けられた内側ケーシング１２と，を有するイオンポンプシステムに関する。そして，外側ケーシング１１は，複数の外周電極２１を有する。複数の外周電極２１は，所定の間隔をもって，内側ケーシング１２へ向けて外側ケーシング１１に取り付けられた円盤状の電極である。一方，内側ケーシング１２は，複数の内周電極２２を有する。複数の内周電極２２は，所定の間隔をもって，外側ケーシング１１へ向けて内側ケーシング１２に取り付けられた円盤状の電極である。複数の外周電極２１と複数の内周電極２２とは，平行である。複数の外周電極２１の最も内側ケーシング１２に近い部分２３（外周電極の内周部分）は，複数の内周電極２２の最も外側ケーシング１１に近い部分２４（内周電極の外周部分）よりも内側ケーシング１２に近い位置に存在する。

このような構成を有するので，外周電極２１と内周電極２２との間に電束が生ずる。また，外側ケーシング１１及び内側ケーシング１２上のすべての箇所に磁束が生ずる事となる。よって，本発明は，ゲッター面のすべての部分で電場と磁場とを有効に活用することができ，これにより排気効率を格段に向上させることができる。

本発明の好ましい態様は，内側磁石３１をさらに有するものである。内側磁石３１は，内側ケーシング１２のうち外側ケーシング１１と逆側の空間３２に設けられ，外側ケーシング１１と内側ケーシング１２間の空間に磁場を与えるものである。

内側磁石３１を有するものは，イオンポンプシステム外へ磁束がもれる事態を軽減することができる。

本発明の好ましい態様は，外側磁石３３をさらに有するものである。そして，外側磁石３３は，外側ケーシング１１に設けられ，外側ケーシング１１と内側ケーシング１２間の空間に磁場を与えるものである。

本発明の好ましい態様は，内側ケーシング１２がメッシュ状部分を有し，これにより，メッシュ状部分を通じて前記内側ケーシング１２の内側及び外側に存在するガスが移動できるものである。

本発明は，内側ケーシングから円盤状電極を複数設け，さらに外側ケーシングからも円盤状電極を複数設ける。これにより，サドルポイントを消滅させることができるため，ゲッター面のすべての部分で電場と磁場とを有効に活用することができ，排気効率を格段に向上させることができる。

図１は，本発明のイオンポンプシステムを示す概略図である。 図２は，図１のイオンポンプシステムの電束と磁束の様子を示す図である。 図３は，図１において，外周電極と内周電極が存在しなかった場合を示す参考図である。 図４は，磁束発生源として内側磁石を有するイオンポンプシステムを示す概略図である。 図５は，磁束発生源として外側磁石を有するイオンポンプシステムを示す概略図である。 図６は，内側ケーシングがメッシュにより構成されるイオンポンプシステムを示す概略図である。 図７は，側面のみならず底面と上面にも外側磁石が存在するイオンポンプを示す概略図である。

図１は，本発明のイオンポンプシステムを示す概略図である。図１に示されるように，本発明のイオンポンプシステムは，外側ケーシング１１と，外側ケーシング１１内部に設けられた内側ケーシング１２とを有する。そして，外側ケーシング１１は，複数の外周電極２１を有する。複数の外周電極２１は，所定の間隔をもって，内側ケーシング１２へ向けて外側ケーシング１１に取り付けられた円盤状の電極である。一方，内側ケーシング１２は，複数の内周電極２２を有する。複数の内周電極２２は，所定の間隔をもって，外側ケーシング１１へ向けて内側ケーシング１２に取り付けられた円盤状の電極である。複数の外周電極２１と複数の内周電極２２とは，平行である。外周電極２１の部分のうち最も内側ケーシング１２に近い部分２３（外周電極の内周部分）は，複数の内周電極２２の最も外側ケーシング１１に近い部分２４（内周電極の外周部分）よりも内側ケーシング１２に近い位置に存在する。図１に示す例は，内側磁石３１をさらに有する。内側磁石３１は，内側ケーシング１２のうち外側ケーシング１１と逆側の空間３２に設けられ，外側ケーシング１１と内側ケーシング１２間の空間に磁場を与えるものである。また，図１に示す例は，外側磁石３３をさらに有する。外側磁石３３は，外側ケーシング１１に設けられ，外側ケーシング１１と内側ケーシング１２間の空間に磁場を与えるものである。図１において，符号４１及び符号４２は，接続用フランジを意味する。以下，各要素について説明する。なお，以下説明する要素以外の構成については，イオンポンプにおいて既に知られた構成を適宜採用することができる。

外側ケーシング１１は，イオンポンプシステムの枠体である。外側ケーシング１１の形状として，円筒状のものがあげられる。この枠体内に，各種電極などが形成されていてもよい。また，電極を駆動するための配線などが設けられており，駆動信号源から駆動信号を受け，内部の電極に伝播できるものが好ましい。さらに，外側ケーシング１１が電極として機能しても良い。なお，外側ケーシング１１の外部に外側ケーシング１１を覆う要素が存在しても良い。なお，外側磁石３３は通常外側ケーシング１１の内部に設けられる。しかしながら，図１に示されるように，外側磁石３３が外側ケーシング１１の外側に設けられても構わない。なお，外側ケーシング１１の材質として，アルミニウム，チタン，又はステンレスなど公知のものがあげられる。これらの材質の中では，表面にチタンが蒸着されたアルミニウムは，外側ケーシング１１内壁そのものを電極として用いることができるので好ましい。このようにすることで，イオンポンプシステムを軽くすることができるとともに，構造をシンプルにして，小さくすることもできる。

内側ケーシング１２は，外側ケーシング１１内部に設けられたケーシングである。内側ケーシングの例は，国際公開２００９／１０１８１４号パンフレットの図１６，及び図２０に開示されたものである。内側ケーシング１２は，ある程度磁束を透過する性質であることが好ましい。

外周電極２１は，所定の間隔をもって，内側ケーシング１２へ向けて外側ケーシング１１に取り付けられた円盤状の電極である。外周電極２１が設置される間隔は一定であることが好ましい。すなわち，外周電極２１は，外側ケーシング１１上に等間隔に設けられるものが好ましい。その間隔は，イオンポンプの大きさ，電極に印加する電圧に応じて適宜調整すればよい。

外周電極２１は，円盤状の電極である。そして，外周電極２１の外周が外側ケーシング１１に取り付けられる。一方，外周電極２１は，中心付近に円状の切り欠き部を有している。このため，外周電極２１は，内側ケーシング１２に接触しない。内側ケーシング１２と外側ケーシング１１との距離をｄとする。そして，外周電極２１の長さをｌ_ｏとする。ｌ_ｏは，外側ケーシング１１から，外周電極２１のうち内側ケーシング１２に最も近い部分２３（外周電極の内周部分）までの距離といえる。この場合，ｌ_ｏは，０．５５ｄ以上０．９５ｄ以下があげられ，０．６ｄ以上０．９ｄ以下でもよく，０．７ｄ以上０．９ｄ以下でもよいし，０．７ｄ以上０．８５ｄ以下でもよい。すなわち，ｌ_ｏが小さいと，外周電極２１と内周電極２２との間に電束が十分に生じない。一方，ｌ_ｏが大きいと，ケーシング内をガスが移動しにくくなり排気効率が下がることとなる。外周電極の材質は，導電性の部分を有するものであれば，公知の材料を適宜用いることができる。

内周電極２２は，所定の間隔をもって，外側ケーシング１１へ向けて内側ケーシング１２に取り付けられた円盤状の電極である。内周電極２２が設置される間隔は一定であることが好ましい。すなわち，内周電極２２は，内側ケーシング１２上に等間隔に設けられるものが好ましい。その間隔は，外周電極２１の間隔と同一であることが好ましく，イオンポンプの大きさ，電極に印加する電圧に応じて適宜調整すればよい。

内周電極２２は，円盤状の電極である。そして，内周電極２２の内周が内側ケーシング１２に取り付けられる。内周電極２２は，外側ケーシング１１に接触しない。そして，内周電極２２の長さをｌ_ｉとする。ｌ_ｉは，内側ケーシング１２から，内周電極２２のうち外側ケーシング１１に最も近い部分２４（内周電極の外内周部分）までの距離といえる。この場合，ｌ_ｉは，０．５５ｄ以上０．９５ｄ以下があげられ，０．６ｄ以上０．９ｄ以下でもよく，０．７ｄ以上０．９ｄ以下でもよいし，０．７ｄ以上０．８５ｄ以下でもよい。すなわち，ｌ_ｉが小さいと，内周電極２２と内周電極２２との間に電束が十分に生じない。一方，ｌ_ｉが大きいと，ケーシング内をガスが移動しにくくなり排気効率が下がることとなる。外周電極の材質は，導電性の部分を有するものであれば，公知の材料を適宜用いることができる。

外周電極２１と内周電極２２は，一方が陽極であり，残りが陰極である。本発明においては，陰極及び陽極の極性を変化させられるものが好ましい。このような極性の変化は，駆動手段の駆動電圧を変化させることで容易に達成できる。

外周電極２１と内周電極２２は，円盤状である。一方，これらの電極は，円盤状に複数の孔を有するものであってもよい。円盤が複数の孔を有するため，ケーシング内においてガスが効果的に流動することとなる。それぞれの孔の大きさは，０．０１ｄ以上０．３ｄ以下があげられ，０．０５ｄ以上０．２ｄ以下でもよい。孔は対称的な位置に設けられることが好ましい。孔の数は，１つの円盤状に２個以上１００個以下存在することが好ましい。

図１に示されるように，外周電極２１と内周電極２２は，平行となるように設置されることが好ましい。そして，外周電極２１と内周電極２２とは，図１に示されるように交互かつ等間隔に存在することが好ましい。

図１に示す例は，内側磁石３１をさらに有する。内側磁石３１は，内側ケーシング１２のうち外側ケーシング１１と逆側の空間３２に設けられ，外側ケーシング１１と内側ケーシング１２間の空間に磁場を与えるものである。磁石は，イオンポンプに用いられる公知のものを適宜用いることができる。具体的には，磁石が，電磁コイルであってもよいし，永久磁石を用いてもよい。内側磁石３１は，内側ケーシング１２の中心軸に平行な方向（中心軸の長手方向）に空間を空けて並んだ複数の円筒状永久磁石である。すなわち，図１に示されるように，この態様の内側磁石３１は，リング状の永久磁石を複数並べるというものである。この態様のイオンポンプシステムは，ひとつの円筒状の磁石を用いるのではなく，複数個の円筒状磁石に分割し，所定のスペースをあけてそれらを設置するので，イオンポンプシステムを軽くすることができるとともに，効率的な磁場を得ることができる。また，このような構成を採用するので，内側のポンプ部の磁石群と外側イオンポンプの磁石群の干渉効果により生ずる磁場配置構造を最適化し，より効率の高い排気動作を実現することができる。図１に示す例は，内側磁石３１同士の間に磁場整流器を有する。

また，図１に示す例は，外側磁石３３をさらに有する。外側磁石３３は，外側ケーシング１１に設けられ，外側ケーシング１１と内側ケーシング１２間の空間に磁場を与えるものである。外側磁石３３は，内部磁石３１と同様のものを用いることができる。ただし，外側磁石３３は，内部磁石３１よりも磁力が小さいものであることが好ましい。内部磁石３１由来の磁束は，通常外側ケーシング１１の外部へ漏れない。このため，内部磁石３１は，比較的強度の強い磁石とすることができる。一方，外部磁石３３の磁力が強いと，外部磁石３３の磁束が漏れないように，外部磁石３３を遮磁器で覆う必要が生ずる。よって，外側磁石３３は，内部磁石３１よりも磁力が小さいものであることが好ましい。外側磁石３３の磁力は，たとえば内部磁石３１の０．１倍以上１倍以下があげられ，０．５倍以上０．９倍でもよい。勿論，外側磁石３３と内部磁石３１との磁力が同程度であっても良い。

図２は，図１のイオンポンプシステムの電束と磁束の様子を示す図である。図３は，図１において，外周電極２１と内周電極２２が存在しなかった場合を示す参考図である。

図３に示されるように，外周電極２１と内周電極２２が存在しない場合，有効な磁束が存在しない部分が生ずる。この例は，外側ケーシング１１と内側ケーシング１２とが電極として機能する。すると，この例は，外側ケーシング１１と内側ケーシング１２との間に電束が生ずる。この際，外側ケーシング１１と内側ケーシング１２との距離が比較的遠いので，電束の強度は比較的弱いものとなる。この結果，図３に示すイオンポンプシステムの排気効率が低下する。

一方，図２に示す例では，図３において有効な磁束が存在しない部分についても磁束が生ずる事となる。これにより，真空排気維持に関与する電極の有効面積を２倍〜３倍に増やすことができる。

本発明のイオンポンプシステムは，公知のイオンポンプと同様に動作させることができる。イオンポンプの動作原理は公知である。イオンポンプの動作原理を以下簡単に説明する。イオンポンプの陰極−陽極間に数ｋＶ程度の電圧を印加する。すると，陰極から一次電子が放出される。陰極から放射された一次電子は，陽極に引きつけられつつ，永久磁石から与えられる磁場の影響を受ける。このため，一次電子は，旋回して長い螺旋運動を描き，陽極に至る。この途中で，一次電子は中性のガス分子と衝突し，多数の正イオンと二次電子を生成する。生成した二次電子は更に螺旋運動を行って，他のガス分子と衝突して正イオンと電子を生成する。そして，各イオンなどは電極に吸着される。よって，本発明においても，外周電極２１と内周電極２２に電位差を生じさせると，陰極から一次電子が放出され，上記した原理によりガスが電極に吸着される。

本発明のイオンポンプシステムは，上記の構成のほか，イオンポンプに用いられる公知の構成を適宜採用することができる。たとえば，適宜，加熱装置や冷却装置などが取り付けられていてもよい。冷却装置により冷却を行うことで，ガスの捕集効率を向上させることができる。一方，加熱装置で各電極を加熱することで，真空状態を維持することにより電極に捕捉されたガスを放出することができる。

次に，上記とは別の実施態様に関する本発明のイオンポンプシステムを説明する。図４は，磁束発生源として内側磁石を有するイオンポンプシステムを示す概略図である。この態様は，ケーシング内に磁束を与える磁束源として内側磁石３１を有するものである。内側磁石３１は，内側ケーシング１２のうち外側ケーシング１１と逆側の空間３２に設けられ，外側ケーシング１１と内側ケーシング１２間の空間に磁場を与えるものである。図４に示される例では，外側磁石は存在しない。この態様のイオンポンプシステムは，外側磁石が存在しないため，イオンポンプシステム外へ磁束がもれる事態を軽減することができる。

この態様のイオンポンプシステムにおいて，内周電極２２の長さｌ_ｉと外周電極２１の長さｌ_ｏとは同一であってもよい。一方，この態様のイオンポンプシステムは，外側ケーシング１１付近の電束が弱まる可能性がある。このため，この態様のイオンポンプシステムは，内周電極２２の長さｌ_ｉを外周電極２１の長さｌ_ｏより長くすることが好ましい。内周電極２２の長さｌ_ｉは，外周電極２１の長さｌ_ｏの１．０５倍以上１．５倍以下があげられ，１．１倍以上１．３倍以下でもよい。

次に，上記とは別の実施態様に関する本発明のイオンポンプシステムを説明する。図５は，磁束発生源として外側磁石を有するイオンポンプシステムを示す概略図である。図５に示される例では，内側磁石は存在しない。この態様のイオンポンプシステムは，内側磁石が存在しないため，内側ケーシング１２の直径を小さくすることができるため，電極面積を広くすることができる。

この態様のイオンポンプシステムにおいて，内周電極２２の長さｌ_ｉと外周電極２１の長さｌ_ｏとは同一であってもよい。一方，この態様のイオンポンプシステムは，内側ケーシング１２付近の電束が弱まる可能性がある。このため，この態様のイオンポンプシステムは，外周電極２１の長さｌ_ｏを内周電極２２の長さｌ_ｉより長くすることが好ましい。外周電極２１の長さｌ_ｏは，内周電極２２の長さｌ_ｉの１．０５倍以上１．５倍以下があげられ，１．１倍以上１．３倍以下でもよい。なお，図５の態様においては，内側ケーシング１２は円筒状ではなく棒状であってもよい。

図６は，内側ケーシングがメッシュにより構成されるイオンポンプシステムを示す概略図である。このイオンポンプシステムは，内側ケーシング１２がメッシュ状部分を有する以外は，これまで説明したあらゆる要素を採用できる。そして，このイオンポンプシステムは，内側ケーシング１２がメッシュ状部分を有しするので，メッシュ状部分を通じて内側ケーシング１２の内側及び外側に存在するガスが移動できる。メッシュ部分の例は，内周電極及び外周電極の存在する領域全体である。メッシュは，複数の規則正しい孔を有する網目状のものである。メッシュの孔の大きさは，適宜調整すればよい。

図７は，側面のみならず底面と上面にも外側磁石が存在するイオンポンプを示す概略図である。図１では，外部磁石３３が円筒状の外側ケーシングの側面に存在している。この外部磁石３３の例は，外側ケーシングを囲む円筒状の磁石である。そして，図７に示す例では，側面のみならず底面と上面にも外側磁石が存在する。この底面と上面に存在する外側磁石の例は，内側ケーシング１２及び外側ケーシング１１と同心円となるような外側磁石である。図７の例では，底面と上面に存在する外側磁石がそれぞれ二重丸状に存在する。このように，底面と上面にも外側磁石が存在することで，外側ケーシング内部の磁力を強くすることができる。

本発明のイオンポンプシステムは，真空装置産業や，物質活性化の分野などにおいて好適に利用されうる。また，本発明の電磁場発生装置は，物質活性化の分野などにおいて好適に利用されうる。

１１ 外側ケーシング
１２ 内側ケーシング
２１ 外周電極
２２ 内周電極
２３ 外周電極の内周部分
２４ 内周電極の外内周部分
３１ 内側磁石
３２ 内側ケーシングの内部空間
３３ 外側磁石

Claims (4)

1. 外側ケーシング（１１）と，前記外側ケーシング（１１）内部に設けられた内側ケーシング（１２）と，を有するイオンポンプシステムであって，
   
   前記外側ケーシング（１１）は，複数の外周電極（２１）を有し，
   前記複数の外周電極（２１）は所定の間隔をもって，前記内側ケーシング（１２）へ向けて前記外側ケーシング（１１）に取り付けられた円盤状の電極であり，
   
   前記内側ケーシング（１２）は，複数の内周電極（２２）を有し，
   前記複数の内周電極（２２）は所定の間隔をもって，前記外側ケーシング（１１）へ向けて前記内側ケーシング（１２）に取り付けられた円盤状の電極であり，
   
   前記複数の外周電極（２１）と前記複数の内周電極（２２）とは，平行であり，
   前記複数の外周電極（２１）の最も内側ケーシング(１２)に近い部分（２３）は，前記複数の内周電極（２２）の最も外側ケーシング（１１）に近い部分（２４）よりも前記内側ケーシング（１２）に近い位置に存在する，
   
   イオンポンプシステム。
   
2. 請求項１に記載のイオンポンプシステムであって，
   内側磁石（３１）を，さらに有し，
   前記内側磁石（３１）は，前記内側ケーシング（１２）のうち前記外側ケーシング（１１）と逆側の空間（３２）に設けられ，前記外側ケーシング（１１）と前記内側ケーシング（１２）間の空間に磁場を与えるものである，
   イオンポンプシステム。
   
3. 請求項１又は請求項２に記載のイオンポンプシステムであって，
   外側磁石（３３）を，さらに有し，
   前記外側磁石（３３）は，前記外側ケーシング（１１）に設けられ，前記外側ケーシング（１１）と前記内側ケーシング（１２）間の空間に磁場を与えるものである，
   イオンポンプシステム。
   
4. 請求項１に記載のイオンポンプシステムであって，
   前記内側ケーシング（１２）は，メッシュ状部分を有し，これにより，前記メッシュ状部分を通じて前記内側ケーシング（１２）の内側及び外側に存在するガスが移動できる，
   イオンポンプシステム。
   

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