JP5711898B2 - 極高真空水素ポンプおよび熱電子制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、極高真空領域（１０^−８Ｐａより小さい圧力値を有する真空領域）で使用されるのに適し、低速電子線回折や光電子分光、オージェ電子分光、冷陰極電子銃、加速器等などの排気装置として広く使用される極高真空水素ポンプ、および当該極高真空水素ポンプに使用される熱電子制御装置に関する。

本明細書の記載で真空に関して使用される用語を定義する。「真空度が高い」は圧力の値が小さい（または低い）ことを意味し、「真空度が低い」は圧力の値が大きい（または高い）ことを意味する。また「高真空」とは圧力値が１×１０^−１〜１×１０^−５Ｐａの範囲の真空度を意味し、「超高真空」とは圧力値が１×１０^−５〜１×１０^−８Ｐａの範囲の真空度を意味し、極高真空とは１×１０^−８Ｐａより小さい圧力値を有する真空度の真空を意味する。

極高真空や超高真空のポンプの発達の経緯、および代表的な関連する従来の技術を以下に説明する。

ゲッター材・ゲッター合金について（到達真空度 １０^−１２Ｐａ）：
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。

ゲッターポンプについて（到達真空度 １０^−５Ｐａ以上の真空度）：
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。

イオンポンプについて（到達真空度 １０^−１０Ｐａ以上の真空度）：
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。

米国特許第２，３６８，０６０号公報 米国特許第２，８５５，３６８号公報 米国特許第３，２０３，９０１号公報 特公昭４６−３９８１１号公報 特公昭５３−１１４１号公報 米国特許第４，３１２，６６９号公報 特公昭５５−１２４５３８号公報 米国特許第５，９６１，７５０号公報 特開平１０−３２４９３７号公報 特表２００１−５１３０１７号公報 特開２００５−９１６号公報 米国特許第２，８５０，２２５号公報 米国特許第３，２３５，１７０号公報 米国特許第２，９９３，６３８号公報 特公昭３５−１６１３６号公報 米国特許第３，３１９，８７５号公報 特公昭４５−２７１４６号公報 米国特許第４，６３１，００２号公報 特開昭５９−６６０４６号公報 特公昭４２−１４２８０号公報

従来のスパッタイオンポンプは、極高真空領域に入ると、スパッタ作用のために必要な放電の安定および持続に必要な電子が不足するようになる。これは、残留ガスの減少によりイオン化による電子、イオンの陰極衝突による二次電子が減少するからである。従来のスパッタイオンポンプの極高真空領域での排気速度は、そのポンプの１０^−４Ｐａ台の排気速度に比べて１／５〜１／１０に降下する。また、陰極の表面から電界効果によって放出された電子は、放電を維持するには少なすぎる。電子が不足する極高真空領域では、分子が原子へ解離することやイオン化率が低下し、スパッタしなくなるので、化学反応も遅くなる。この結果、従来のスパッタイオンポンプによれば、極高真空域の水素分子を解離して排気する能力が劣るという問題を有していた。

また陰極の材料として使用される純金属の水素平衡圧は高い。そのため、イオン化電位の高い残留水素ガスを排気することは、望むようにできない。真空容器の壁から放出される水素は、真空度が高くなると、放出されやすくなる。そこで、常温において真空容器壁から放出される水素の遮断と真空容器壁への水素の吸収を効率的に行うことが望まれている。

極高真空排気装置に設けた非蒸発型ゲッターによれば、水素ガスを高温でも排気することができる。しかし、加熱するヒータの輻射熱で真空容器の内壁面や真空容器内の部品から主に水素を放出ガスとして出させることになり、その効率は良くない。また非蒸発型ゲッターによれば、化学的に不活性な希ガスや安定な有機化合物メタンを排気することができない。非蒸発型ゲッターでは、表面積を増やすためにゲッター材料（ジルコニウム合金等）を粉末にして圧接して形成しているため、使用中に粉末が舞い上がり、試料上に降り注いだり、絞りに詰まったりしていた。また従来の非蒸発型ゲッターには汚染と耐久性と高コストに問題があった。

さらにスパッタイオンポンプに使用される電極（陰極、陽極）の材料金属についての種類が限られ、また残留ガスの主成分である水素分子は軽いので、電極のスパッタ効率は極めて悪いものであった。

また最新のゲッター合金を適用しても多種類の残留ガスの特性に対応しきれない。化学反応で除けるものは解決に向かっているが、物理的埋め込みを利用するヘリウム、アルゴンの場合は、真空度が高くなるにつれて再放出される。特に、他の主力ポンプと同様に水素排気には多くの努力がなされたが、現在の表面分析装置の必要仕様や工業的要求には応じきれていない。

極高真空を実現するためには、長時間の高温ベークの工程と、真空容器からの水素ガス放出の低減の工程とを、長時間待つ必要がある。ところが、前者については、精密光学部品、半導体、および高級な永久磁石等は熱に弱く、極高真空を得るための長時間に及ぶハードな熱によるべークアウト（例えば２７０〜３５０℃）には耐えられない。そのため、べークアウト時間を短縮化することとべークアウト温度の低温化とを実現することが強く望まれている。

本発明の目的は、排気動作が極高真空領域に入っても排気速度を高く維持できる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、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。

本発明に係る極高真空水素ポンプおよび熱電子制御装置は、上記の目的を達成するため、次のように構成される。

本発明に係る極高真空水素ポンプは、
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開口部を有する素子容器と、この素子容器内に配置され、３つの陰極と円筒陽極とから構成される２階建て構造を有しかつ第１の陰極と第２の陰極の間および第２の陰極と第３の陰極の間に円筒陽極が配置される電極構造部と、この電極構造部の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電子銃とを備える極高真空水素ポンプにおいて、
電極構造部は、形状が異なる第１および第２の円筒陽極を備え、第１陰極と第２陰極の間に第１円筒陽極が配置されかつ第２陰極と第３陰極の間に第２円筒陽極が配置され、２階建て構造が非対称に形成され、
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、陰極と円筒陽極の間に発生したマグネトロン放電で陰極をスパッタすることにより水素を吸蔵するゲッター合金を陰極の表面と円筒陽極の表面と排気通路容器の内面に作製し続けて陰極の表面と円筒陽極の表面と排気通路容器の内面はポンプ作動中継続してゲッター合金の薄膜で覆われ、
電子銃は熱電子放出フィラメントを有する、
ように構成されている。

上記の極高真空水素ポンプでは、陰極と陽極から成る電極構造部は非対称な２階建て構造とし、これにより陰極部分の有効面積を増やし、各種の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（ペニング放電）によってスパッタし、これにより少なくとも２種類のゲッター合金を継続して２種の円筒陽極の各々の表面に作り続ける。また陰極の仕事関数を低く保つために、陰極の表面に炭化ジルコニウム（Ｚｒ_ｘＣ_ｙ）の合成を促進し、陰極等（電子銃、電子放出源）の電子放出を多くする。また炭化ジルコニウム（Ｚｒ_ｘＣ_ｙ）は誘電体であるため、容易にスパッタされず、陰極の表面上に留まる。
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、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ニ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ニ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よれば、陰極の表面処理と、水素を吸蔵するためのゲッター合金の合成と、不足電子の供給とを同時に行うように構成し、さらに、べークアウトの時間不足、温度不足を電子衝撃脱離で補うことにより、１０^−１２Ｐａよりも高い真空度である極高真空を維持することができる。
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。

本発明に係る極高真空水素ポンプの熱電子制御装置は、
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、
排気通路容器に取り付けられその内部空間に通じる開口部を有する素子容器と、この素子容器内に配置され、それぞれ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る３つの陰極と円筒陽極とから構成される非対称の２階建て構造を有しかつ第１の陰極と第２の陰極の間に第１の円筒陽極が配置されかつ第２の陰極と第３の陰極の間に第２の円筒陽極が配置される電極構造部と、この電極構造部の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、
排気素子では、陰極と円筒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、円筒陽極の表面、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。

本発明によれば次の効果を奏する。
（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。

本発明の第１実施形態に係る極高真空水素ポンプの内部構造を示す縦断面図である。 極高真空水素ポンプのポンプ素子の要部の斜視図である。 図２におけるイオンポンプ素子の縦断面と高電圧配線とを示す図である。 本実施形態に係る極高真空水素ポンプに用いることができる他の電子銃として２極型低加速熱電子銃を示す斜視図である。 本発明に係る極高真空水素ポンプを適用した表面分析装置用極高真空排気システムの例を示すシステム構成図である。 表面分析装置用極高真空排気システムの主要の動作を示したフローチャートである。 表面分析装置用極高真空排気システムの停電時の再起動の動作を示したフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係る極高真空水素ポンプを示す一部断面正面図である。 本発明に係る極高真空水素ポンプを適用した場合の真空排気特性のデータであり、全ガスについてのデータを示すグラフである。 本発明に係る極高真空水素ポンプを適用した場合の真空排気特性のデータであり、水素のみのデータを示すグラフである。 本発明に係る極高真空水素ポンプを適用した場合の真空排気特性のデータであり、水素のないデータを示すグラフである。

以下に、本発明の好適な実施形態（実施例）を添付図面に基づいて説明する。

図１を参照して本発明の第１の実施形態に係る極高真空水素ポンプの内部構造を説明する。

図１において、本実施形態に係る極高真空水素ポンプ１０（以下「ポンプ１０」と記す）は、内部空間を極高真空（１０^−８Ｐａより小さい圧力値の真空度）の状態に排気することが要求されている真空容器１１の排気口１２に接続されている。真空容器１１は、内部に例えば表面分析室を有し、表面分析装置として構成されている。真空容器１１には、上記の極高真空用のポンプ１０が接続される排気口１２以外に、超高真空ポンプ用の排気口１３と、真空計接続部１４とが設けられている。

上記の表面分析装置は、具体的には、例えば、半導体材料分析走査電子顕微鏡、Ａｕｇｅｒ（オージェ）電子顕微鏡、ＥＳＣＡ、トンネル走査電子顕微鏡等である。また真空容器１１は、その他に、例えば、走査型プローブ顕微鏡、冷陰極電界放出電子銃、原子レーザ、および加速器等で使用される真空チャンバにも適用することができる。

さらに図１において、ポンプ１０はその中央部に略円筒形の排気通路容器２１を備えている。排気通路容器２１の内部空間２１Ａは排気通路として機能する。当該排気通路容器２１の一方の端部（図１中左端部）には上記真空容器１１の排気口１２に接続される吸気口フランジ２２が設けられ、反端側の他方の端部（図１中右端部）には取付金具２３により蓋部材２４が気密構造にて設けられている。蓋部材２４の中央部には孔２４ａが形成され、さらに孔２４ａの部分には電子銃２５が設けられている。この電子銃２５は、図１に示した例では、１極型低加速熱電子銃である。電子銃２５は、熱電子放出フィラメント２６と、熱電子放出フィラメント２６を取り付けた基台２７と、外部の直流電源（図示せず）と電気コードを介して接続するための端子部２８を備えている。電子銃２５の熱電子放出フィラメント２６は、蓋部材２４の孔２４ａを通して排気通路容器２１の内部空間（排気通路）２１Ａに臨んでいる。電子銃２５に必要な電気が給電され、熱電子放出フィラメント２６が加熱されると、熱電子放出フィラメント２６から熱電子が放出される。熱電子放出フィラメント２６から放出された熱電子は、図１中、所定の電圧が印加された状態で、排気通路容器２１の右端部から排気通路容器２１の内部空間２１Ａに供給される。熱電子が供給される内部空間２１Ａは熱電子が通過する領域となる。

なお熱電子を供給する電子銃については、上記の１極型低加速熱電子銃２５の代わりに、または併用して、図４に示すような２極型低加速熱電子銃１００を用いることもできる。２極型低加速熱電子銃１００の構造については図４を参照して後述される。

ポンプ１０の中央に位置する排気通路容器２１において、図１中その上下の両側に排気素子３１Ａ，３１Ｂが設けられる。２つの排気素子３１Ａ，３１Ｂは、全体の配置関係として、排気通路容器２１の中心軸２１Ｂに対して線対称の位置に配置される。ただし２つの排気素子３１Ａ，３１Ｂの各々の構成要素の配置関係としては、図１に示すように、対称にはなっておらず、非対称である。排気素子３１Ａ，３１Ｂの構造については図２と図３を参照して説明する。２つの排気素子３１Ａ，３１Ｂの各々は、排気通路容器２１の円筒形の側壁部に取り付けられた箱形の素子容器３２の中に配置されている。図１では、上側の排気素子３１Ａでは例えば１５個の径の大きい円筒状陽極セル５１Ａが示される。１５個の大径の陽極セル５１Ａは、図２に示すように２層構造の排気素子３１Ａにおいて下側の第１層の円筒陽極５１を構成しており、例えば長方形領域に３×５の行列で配列されている。また下側の排気素子３１Ｂでは例えば径の小さい２４個の円筒状陽極セル５２Ａが示される。２４個の小径の陽極セル５２Ａは、同じく図２に示すように２層構造の排気素子３１Ｂにおいて上側の第２層の円筒陽極５２を構成しており、例えば長方形領域に４×６の行列で配列されている。

図２と図３において排気素子３１Ａ，３１Ｂの内部構造を示す。２つの排気素子３１Ａ，３１Ｂは共に同一の構造を有している。排気素子３１Ａ，３１Ｂは、断面コ字型の素子容器枠体３２Ａの内部空間の中に、３枚の陰極板４１，４２，４３を所要の間隔をあけて平行に配置し、さらに下側の２枚の陰極板４１，４２の間に第１層（第１の種類）の円筒陽極５１を配置し、上側の２枚の陰極板４２，４３の間に第２層（第２の種類）の円筒陽極５２を配置した構造を有している。なお図２では、図解の便宜上、素子容器３２を形成する右側端部壁と左側端部壁を除いて示しているので、素子容器３２は、素子容器枠体３２Ａとして示されている。また素子容器３２の手前側の部分は、上記の排気通路容器２１に接続される部分であり、開放された形状部分（開口部）を有し、排気通路容器２１の内部空間２１Ａと通じている。排気素子３１Ａ，３１Ｂにおける３枚の陰極板４１〜４３と２種の円筒陽極５１，５２とから成る電極構造部５０（陰極構造および陽極構造から構成される）は、２層の円筒陽極５１，５２を有する非対称な２階建て構造となっている。１階に位置する第１層の円筒陽極５１は前述した通りの例えば１５個の陽極セル５１Ａにより構成される。２階に位置する第２層の円筒陽極５２は前述した通りの例えば２４個の陽極セル５２Ａにより構成される。素子容器枠体３２Ａの外側には断面コ字型の永久磁石５３が配置される。永久磁石５３は、図２と図３において、上側端部５３ａがＮ極であり、下側端部５３ｂがＳ極である。素子容器３２は、永久磁石５３で覆われ、かつその上部分とその下部分とで挟まれている。永久磁石５３のＮ極部分（上側部分５３ａ）からＳ極部分（下側部分５３ｂ）へ向かって磁界が生じている。

上記の構造を有する排気素子３１Ａ，３１Ｂにおいて、図３に示すように、前述した素子容器３２の内部に配置される３枚の陰極板４１〜４３および２層の円筒陽極５１，５２、および素子容器３２の外側に配置される永久磁石５３の構造にて、３枚の陰極板４１〜４３はすべてアースＥに接続され、かつ第１層の円筒陽極５１と陰極板４１，４２との間には第１の高電圧電源５４によって高電圧が印加され、第２層の円筒陽極５２と陰極板４２，４３との間には第２の高電圧電源５５によって他の高電圧が印加されている。

上記の上下の２種類の円筒陽極５１，５２の各電圧状態は、対応する高電圧電源５４，５５によって別個に制御される。径の大きい円筒状陽極セル５１Ａから成る円筒陽極５１は主として希ガス（アルゴン、ヘリウム、ネオン、クリプトン、キセノン）を吸着し排気するポンプである。またもう一方の径の小さい円筒状陽極セル５２Ａから成る円筒陽極５２は主として水素、空気、炭化水素、水、二酸化炭素、一酸化炭素などの残留ガスを吸着し排気するポンプである。

図１において、上側の排気素子３１Ａは、前述した通り１階側（第１層）の円筒陽極５１が図中手前側になるように排気通路容器２１に取り付けられている。また下側の排気素子３１ｂは、前述した通り２階側（第２層）の円筒陽極５２が図中手前側になるように取り付けられている。また排気通路容器２１では高電圧導入端子５６が設けられている。高電圧導入端子５６は、高電圧導入碍子５７を介して高電圧電流導入部５８を備える。

排気通路容器２１に取り付けられた２つの排気素子３１Ａ，３１Ｂの各々で排気通路容器２１との接続部分は開放されている。図１で、領域６１，６２は熱電子放出フィラメント２６から放出された電子が排気素子３１Ａ，３１Ｂに向かって移動する電子通過域である。こうして熱電子放出フィラメント２６は、排気素子３１Ａ，３１Ｂの２階建ての円筒陽極５１，５２を臨む位置に配置されている。

後述するように、スクロールポンプ２０９やターボ分子ポンプ２０５の補助的動作に基づき上記の真空容器１１内の真空度が１０^−３Ｐａ台になったときに、高電圧直流電源５４，５５により高電圧を発生させ、当該高電圧を高電圧導入端子５６の高電圧電流導入部５８より高電圧導入碍子５７を経て、通電線５９，６０を介して、排気通路容器２１に取り付けられた２台の排気素子３１Ａ，３１Ｂの各々の円筒陽極５１と円筒陽極５２に導く。排気素子３１Ａ，３１Ｂの円筒陽極５１，５２の各陽極セル５１Ａ，５２Ａには所要のプラス電圧が印加され、かつ素子容器３２の外側に取り付けられた永久磁石５３の磁界が作用し、その結果、排気素子３１Ａ，３１Ｂにおいてマグネトロン放電（ぺニング放電）が開始される。これにより排気素子３１Ａ，３１Ｂは極高真空用真空ポンプとしての動作を開始し、吸気口フランジ２２を通して排気通路容器２１の内部空間２１Ａが極高真空となるように排気動作を行うようになる。この時、多量のゲッター合金を製造し、極高真空域の水素排気に備える。

電子銃２５の熱電子放出フィラメント２６は、ベークアウト（焼出）の作動の後半以降に使用される。熱電子放出フィラメント２６は通電により加熱され、電子を放出する。熱電子放出フィラメント２６から放出されかつ電界により加速された電子は円筒陽極５１，５２に向かって移動する。当該熱電子が円筒陽極５１，５２の全体に当たるように、その電子通過域６１，６２には他の部品を置かないようにする。

排気素子３１Ａ，３１Ｂに設けられた３つの陰極板４１〜４３の各々は、ゲッター合金薄膜を構成する材料金属を２種以上用いて作られている。円筒陽極５１，５２は、極高真空用のポンプ１０において、その中で発生させたペニング放電によりスパッタを行うことで作製したゲッター合金薄膜で覆われている。

ポンプ１０では、超高真空より高い真空度を有する極高真空の領域での排気を促進するため、電子銃２５の熱電子放出フィラメント２６から放出された熱電子を例えば８０〜８００Ｖの範囲に含まれる電圧によって加速して排気素子３１Ａ，３１Ｂに導入し、円筒陽極５１，５２での電流を１０〜２０００倍（１０μＡ〜２ｍＡ）流す。これにより円筒陽極５１，５２を活性化し、残留水素分子を水素原子に解離し、陰極板４１〜４３と円筒陽極５１，５２の表面上のゲッター合金薄膜（水素吸蔵特性を有する金属薄膜）に吸収させ、排気する。このゲッター合金薄膜は活性なガスに対してもゲッターとして働く。

一般的に、電子を放出するエミッター（熱電子源等）をマイナス電位に保ち例えば６００〜８００Ｖの電位差に基づいて電子を加速すると、電子衝撃脱離に基づいて脱ガスを行うことができる。しかし、この場合には、真空計に電子が入り込み、真空計が使用できなくなる。他方、電子衝撃効果は限定的になるが、エミッターをプラス電位に保てば、真空計のイオンコレクター（−）に電子が混入することはなくなる。脱ガス後、エミッターをプラス電位に保つ状態に保てば、水素ポンプの電子不足は解消される。

排気素子３１Ａ，３１Ｂの電極構造部５０に設けられた３枚の陰極板４１〜４３は、ゲッター合金薄膜を構成する２種以上の金属材料から作られる。具体的に、例えば、陰極板４１はタンタル（Ｔａ）と非磁性金属（通常ではモリブデン（Ｍｏ））とから成る金属材料で作られ、陰極板４２はジルコニウム（Ｚｒ）とアルミ二ウム（Ａｌ）とから成る金属材料で作られ、陰極板４３はチタニウム（Ｔｉ）と非磁性金属（通常ではインコネルまたはステンレス）とから成る金属材料で作られる。陰極板４１と陰極板４２は対で使用され、また陰極板４２と陰極板４３も対で使用される。

希ガスが多い場合も、使用する陰極は、同様にゲッター合金薄膜を構成する金属材料から形成される。この場合、陰極板４１と陰極板４２の対が使用される。

１つの排気素子当たり、永久磁石５３による磁場と、陰極板４１〜４３および円筒陽極５１，５２に基づく電場とを直交させ、１〜７ｋＶでぺニング放電させるポンプ１０において、残留ガス分析計の分圧の多少に応じて高電圧電源を制御することにより、要求残留ガスの分圧を制御することができる。つまり、本実施形態によるポンプ１０によれば、極高真空における真空の質の制御も可能としている。

ポンプ１０は、上記のごとく非対称な２階建て構造から成る排気素子３１Ａ，３１Ｂを備えている。各排気素子３１Ａ，３１Ｂの電極構造部５０は３枚の陰極板４１〜４３と２層（２種）の円筒陽極５１，５２とから構成される。上側の陰極板４３は活性ガス用のチタニウム（Ｔｉ）、触媒作用のある遷移金属でかつ非磁性、非腐食性、非酸化性のインコネル（またはステンレス）の陰極であり、中間の陰極板４２は水素排気用のジルコニウム（Ｚｒ）、ゲッター作用促進のためのアルミニウム（Ａｌ）の陰極であり、下側の陰極板４１は希ガスを埋め込むためのタンタル（Ｔａ）、多種の残留ガスに対応するためのゲッター金属のモリブデン（Ｍｏ）の陰極である。また円筒陽極５１は主に希ガス用の陽極であり、円筒陽極５２は主に水素と活性ガス排気用の陽極である。

上記の陰極板４１〜４３の陰極材料に関して、希ガスの排気についてはタンタル（Ｔａ）−モリブデン（Ｍｏ）ゲッター合金で行い、水素の排気についてはジルコニウム（Ｚｒ）−アルミニウム（Ａｌ）、およびチタニウム（Ｔｉ）−インコネルで行う。水素、窒素、酸素（空気）、炭化水素、水、二酸化炭素、一酸化炭素などの排気については、チタニウム（Ｔｉ）に微量遷移金属（インコネル）を加えたもので行う。インコネルは、水素分子を水素原子に解離する触媒作用を有している。

次に図４を参照してポンプ１０の他の電子銃１００を説明する。電子銃１００は、前述したように、２極型低加速熱電子銃である。電子銃１００は、中央部に位置する熱電子放出フィラメント１０１と、熱電子放出フィラメント１０１を囲むグリッド１０２とから構成される。熱電子放出フィラメント１０１は前述した熱電子放出フィラメント２６に対応している。熱電子放出フィラメント１０１の下端部にはフィラメント電源１０３が接続され、熱電子放出フィラメント１０１にはフィラメント電源１０３によって所要の電圧が印加される。フィラメント電源１０３の印加電圧によって熱電子放出フィラメント１０１からのエミッション電流を制御する。グリッド１０２には０〜１２０Ｖの範囲に含まれる電圧が印加される。ポンプ１０の排気素子３１Ａ，３１Ｂは、熱電子放出フィラメント１０１からのエミッション電流（熱電子）により活性化され、これによりスパッタ量が増加する。ポンプ１０内に流れる電流はエミッション電流に支配されるようになる。エミッション電流に基づいてポンプ１０による真空度の疎調整を行うことができる。フィラメント電源１０３のプラス極とアース１０４との間にはさらに電子加速電源１０５が接続される。この電子加速電源１０５によって電子衝撃の度合いやポンプ１０による真空度の微調整を行う。

熱電子放出フィラメント１０１がマイナス電位に設定されるときにはポンプ活性化効果と電子衝撃による脱ガス効果とが生じる。また熱電子放出フィラメント１０１がプラス電位に設定されるときにはポンプ活性化効果が生じる。

なお、上記で説明した電子銃１００の熱電子放出フィラメント１０１の電源に関する構成、その動作およびその制御は、先に説明した熱電子放出フィラメント２６についても同じである。相違する点は、フィラメント周囲にグリッド１０２が設けられているか否かの点だけである。

次に、図５〜図７を参照して、上記のポンプ１０を利用して構成された表面分析装置の極高真空排気システムを説明する。

図５を参照して極高真空排気システムの構成を説明する。１１は前述した真空容器であり、内部に表面分析室が設けられ、真空容器１１は表面分析装置を構成している。以下の説明では「表面分析装置１１」とも記す。真空容器１１は、排気口１２を介してポンプ１０が接続される。ポンプ１０との接続部１２には残留ガス分析計２０１が付設されている。また真空容器１１の排気口１３にはゲートバルブ２０２を介して試料導入室が設けられた真空容器２０３が接続されている。さらに真空容器１１の真空計接続部１４にはＸＨＶ真空計（極高真空計）２０４が接続されている。ＸＨＶ真空計２０４の計測する圧力範囲は１０^−２〜１０^−１１Ｐａである

試料導入室を内蔵する真空容器２０３には、その排気口にゲートバルブ２０４を介してターボ分子ポンプ２０５が接続される。ターボ分子ポンプ２０５は親機２０５Ａと子機２０５Ｂから構成される。この実施例では例えば複合ターボ分子ポンプが望ましい。また真空容器２０３には、さらに、空気または窒素のリークバルブ２０６と、バルブ２０７および接続管２０８を介してスクロールポンプ２０９とが付設されている。なお接続管２０８は、バルブ２１０を介してターボ分子ポンプ２０５の子機２０５Ｂと接続可能になっており、また空気または窒素のリークバルブ２１１が付設されている。さらに容器２０３にはＵＨＶ真空計（超高真空計）２１２が付設されている。ＵＨＶ真空計（Ｂ−Ａゲージ）２１２の計測する圧力範囲は１０^−２〜１０^−８Ｐａである。

上記において、ゲートバルブ２０２，２０４とバルブ２０６，２０７，２１０，２１１は開閉指令信号に基づいて電磁的に開閉動作を行うように構成され、さらにコンピュータ（マイコン）で構成された制御装置３０１によってその開閉状態が確認され、かつメモリ３０２に格納された真空排気制御プログラム３０３に基づいて上記開閉指令信号に従ってその開閉動作が制御されるように構成されている。ポンプ１０、ターボ分子ポンプ２０５の親機２０５Ａおよび子機２０５Ｂ、スクロールポンプ２０９の運転作動の開始・継続・停止の各作動状態は、同じく制御装置３０１の真空排気制御プログラム３０３に基づいて監視されかつ制御される。残留ガス分析計２０１の出力信号、ＸＨＶ真空計（エクストラクタゲージ）２０４の検出信号、およびＵＨＶ真空計２１２の検出信号は、制御装置３０１に入力される。これらの信号は、制御装置３０１のＣＰＵで真空制御プログラム３０３が実行されるとき、制御対象の動作状態に係る情報として参酌される。さらに、図示していないが、表面分析室の真空容器１１、試料導入室の真空容器２０３、およびポンプ１０には所要の箇所に周知のベーキング用ヒータが付設されている。これらのベーキング用ヒータの加熱動作も制御装置３０１によって適切なタイミングで制御される。

図６と図７に示したフローチャートを参照して表面分析装置１１における真空排気の作動を説明する。当該フローチャートは、制御装置３０１で実施される上記の真空排気制御プログラム３０３の制御の内容を示している。

最初の段階で、制御装置３０１は、ゲートバルブ２０２，２０４と他のバルブ２０６，２０７，２１０，２１１の各々の開閉の状態を確認する。そして、ゲートバルブ２０２とバルブ２０７を開き、ゲートバルブ２０４とバルブ２０６，２１０，２１１を閉じた状態にしてスクロールポンプ２０９を作動し（ステップＳ１１）、試料導入室の真空容器２０３と表面分析室の真空容器１１を真空排気する。スクロールポンプ２０９の作動を継続し、ＵＨＶ真空計２１２の検出信号に基づいてその圧力Ｐの状態を確認して圧力Ｐが設定値Ｐ１に達すると（判断ステップＳ１２でＹＥＳ）、バルブ２０７を閉じかつバルブ２１０を開き、さらに追加的に最初にターボ分子ポンプ２０５の子機２０５Ｂを作動させる（ステップＳ１３）。設定値Ｐ１はターボ分子ポンプ２０５の子機２０５Ｂの作動を開始させるための条件となる圧力（真空度）である。次いで、ターボ分子ポンプ２０５の子機２０５Ｂの作動を継続し、上記の圧力Ｐが設定値Ｐ２になると（判断ステップＳ１４でＹＥＳ）、さらに追加的にターボ分子ポンプ２０５の親機２０５Ａを作動させる（ステップＳ１５）。設定値Ｐ２はターボ分子ポンプ２０５の親機２０５Ａの作動を開始させるための条件となる圧力（真空度）である。ターボ分子ポンプ２０５の親機２０５Ａと子機２０５Ｂの回転速度が最大になるとき、ゲートバルブ２０４を開いて、スクロールポンプ２０９、ターボ分子ポンプ２０５の親機２０５Ａおよび子機２０５Ｂによって試料導入室の真空容器２０３と表面分析室の真空容器１１を真空排気する。スクロールポンプ９、ターボ分子ポンプ２０５の親機２０５Ａおよび子機２０５Ｂの作動を継続し、上記の圧力Ｐが設定値Ｐ３になると（判断ステップＳ１６でＹＥＳ）、次にポンプ１０を作動させる（ステップＳ１７）。このポンプ１０の作動は「前作動」に相当し、放電洗浄に係る作動である。上記の設定値Ｐ３は、ポンプ１０を前作動させるための条件となる圧力（真空度）である。前作動すなわち放電洗浄に係る作動は圧力条件が満たされるとき随時に行われる。次の判断ステップＳ１８において放電洗浄が終了か否かが判断される。判断ステップＳ１８でＹＥＳのとき、次にポンプ１０、表面分析室の真空容器１１、および試料導入室の真空容器２０３の各々のベーキング用ヒータが給電加熱され、ベークアウトが開始される（ステップＳ１９）。

具体的に、ＵＨＶ真空計２１２の検出信号に基づき圧力５×１０^−３Ｐａに到達したときにポンプ１０が作動を開し、圧力１×１０^−４Ｐａになったときにベーキング用ヒータを加熱作動させて上記べークアウトを開始し、ガス放出を開始する。この辺りの真空度で多量のゲッター合金を製造し、極高真空域の排気に備える。

ベークアウトを開始して（ステップＳ１９）１５〜２０時間を経過させ、加熱温度が２７０℃に到った頃、圧力が例えば５×１０^−６Ｐａ（設定値Ｐ４）に到達したとき（判断ステップＳ２０）、べークアウトを終了する（ステップＳ２１）。設定値Ｐ４は、ベークアウトを終了するための条件となる真空度である。ベークアウトが終了すると、自然冷却が開始される。さらに次のステップＳ２１では、ポンプ１０の作動状態を本来の真空排気作動とし、当該真空排気作動を継続する。このとき、表面分析室の真空容器１１に付設されたＸＨＶ真空計２０４の検出信号に基づき、真空容器１１の内部の真空度を監視する。また残留ガス分析計２０１も随時に動作する。ＸＨＶ真空計２０４の検出信号に基づき真空容器１１の内部圧力Ｐが設定値Ｐ５となったと判断したとき（判断ステップＳ２２）、次のステップＳ２３が実行される。設定値Ｐ５は、具体的に例えば１０^−７Ｐａの真空度であり、低加速熱電子銃２５を作動させるための条件となる真空度である。

ステップＳ２３では、電子銃２５が作動し、熱電子放出フィラメント２６からポンプ１０の排気素子３１Ａ，３１Ｂに対して電子が供給される。また測定機器の脱ガスが行われる。上記の残留ガス分析計２０１の検出信号に基づいて残留ガスが水素だけになったか否かを判断し、水素だけになったことを条件としてガス放出を終了する（判断ステップＳ２４）。このときの真空容器１１の内部圧力は２×１０^−７Ｐａ前後であり、容器温度は３０℃以下である。炭化水素が残留するときは、熱電子量を増加し、分解を促すようにする。

ＸＨＶ真空計２０４の検出信号に基づき真空容器１１の内部真空度Ｐが５×１０^−９Ｐａになったことを確認してゲートバルブ２０２を閉じかつ電子銃２５の作動を調整する。そしてターボ分子ポンプ２０５とスクロールポンプ２０９の各作動を停止する（ステップＳ２５）。その後は真空排気装置としてポンプ１０のみを作動させ、表面分析装置１１、すなわち表面分析計を内蔵する真空容器１１の内部真空度を高くし、真空容器１１の内部真空度は５×１０^−１１Ｐａを経て真空計測不能な極高真空度（１０^−１２Ｐａ）に到達する。

判断ステップＳ２６は、真空容器１１の内部真空度Ｐが設定値Ｐ６になったか否かを判断する。設定値Ｐ６は、電子銃２５の作動制御を調整するための条件となる真空度である。判断ステップＳ２６でＹＥＳのときに上記のごとく電子銃２５の作動を調整する。判断ステップＳ２６の次のステップＳ２７において、上記のごとく、真空容器１１の内部真空度が真空計測不能な極高真空度に到達する。そして、その時、真空容器１１、当該真空容器１１に内蔵される構成ユニットおよび構成部品からのガス放出の減少を待つ。そして、条件が満たされたときに、ゲートバルブ２０２を開き、試料導入室の真空容器２０３から分析対象である試料が表面分析室を内蔵する真空容器１１内に導入される。試料の導入が完了した後にゲートバルブ２０２は閉じ、表面分析装置１１において試料の表面計測等の仕事が行われる。当該仕事が終了すると、再びゲートバルブ２０２を開き、試料を真空容器１１から真空容器２０３に取り出す。その後、再びゲートバルブ２０２を閉じる。なおこの際、分析対象の試料が複数個ある場合には、試料導入と表面計測等の仕事を繰り返す。仕事が全て完了した状態で、ステップＳ２７から次の判断ステップＳ２８へ移行する。

判断ステップＳ２８では、極高真空排気装置すなわちポンプ１０の作動を停止するための信号が入力された否かが判断される。判断ステップＳ２８でＹＥＳであるときには、次のステップＳ２９に移行する。ステップＳ２９では、ポンプ１０、ターボ分子ポンプ２０５、スクロールポンプ２０９の各作動を停止する。この際、併せて、ＵＨＶ真空計２１２の動作を停止し、ゲートバルブ２０４を閉じ、Ｎ_２リークバルブ２０６，２１１を開く。なお、図５に示した表面分析装置１１の極高真空排気システムの全体を長期間停止させる場合には、ＸＨＶ真空計２０４の動作を停止し、さらに電子銃２５を停止し、電源をオフする。

次に図７を参照して上記の表面分析装置１１の極高真空排気システムのポンプ１０の性能評価と停電時等の再起動の制御動作の流れを説明する。前提として、図６に示した制御の流れにおいて、ステップＳ１７，Ｓ２１等によって作動状態にあったポンプ１０が停電等で停止してしまった状態にある。

最初の判断ステップＳ３１では、真空容器１１の内部圧力が設定値Ｐ７よりも小さいか否かが判断される。この設定値Ｐ７は、具体的には例えば５×１０^−７Ｐａ程度であり、ポンプ１０を再起動させることができる真空度である。判断ステップＳ３１でＮＯである場合には、真空容器１１等の内部真空度が５×１０^−７Ｐａよりも高い真空度であるので、ステップＳ３２に移行し、このステップＳ３２においてそれぞれの真空度に対応した再起動の制御が実行される。

判断ステップＳ３１でＹＥＳである場合には、真空容器１１等の内部真空度が５×１０^−７Ｐａに等しいまたは当該真空度よりも高いので、ポンプ１０の作動を開始し（ステップＳ３３）、さらに真空度を高める。しかしながらポンプ１０の排気能力が低下し、次の判断ステップＳ３４でＰ≧Ｐ７であると判断される場合には、電子銃２５を動作させて脱ガスを実行し、かつ残留ガス分析計２０１を動作させて残留ガス成分を確認する（ステップＳ３５）。電子銃２５を作動させ、脱ガスを行いながら、ポンプ１０の作動を継続する（ステップＳ３５）。その状態で、図６に示したフローチャートにおいて結合子Ｂを経由して判断ステップ２６に移行する。その後の動作の流れは、前述した通りである。

上記の構成では、スクロールポンプ２０９等のドライポンプを初段とし真空排気動作を行わせ、さらにタンデムにつないだ親機２０５Ａと子機２０５Ｂから成る複合ターボ分子ポンプ２０５によって真空排気の動作を行わせ、ペニング放電のためのプラズマを安定に点火させる真空を得るようにしている。スクロールポンプ２０９とターボ分子ポンプ２０５の作動による真空排気の段階での真空度は１０^−４Ｐａである。このときには、ゲートバルブ２０２は開かれて真空容器２０３と表面分析室の真空容器１１とは連通した状態にあり、２つの真空容器１１，２０３は共に真空排気される。

さらにその後に、真空容器１１に対して前述した本実施形態に係るポンプ１０を動作させ、極高真空への真空排気を行い、真空容器１１等の内部の真空度を極高真空のレベルに高める。その後、ポンプ１０、表面分析室の真空容器１１、および試料導入室の真空容器２０３について例えば２７０℃の温度でベークアウトを実施する（ステップＳ１９）。ベークアウトは１５時間から２０時間継続され、その後にベークアウトを停止し、極高真空を得るシステム構成とする。

ベークアウト後の残留ガスについては、水素、一酸化炭素とメタン、希ガスの３つのグループに分ける。「水素」は、ポンプ１０の排気素子３１Ａ，３１Ｂの陰極板４１〜４３でＺｒ−Ｔｉ合金を作製しつつ排気する。「希ガス」はターボ分子ポンプ２０５と陰極板４１〜４３でのＺｒ−Ｔａ合金、Ｔａ−Ｍｏ合金で排気する。また「炭化水素」は、ベークアウトしながらターボ分子ポンプ２０５（親機２０５Ａ、子機２０５Ｂ）で排気する。

水素の排気能力が不足する場合は、電子銃２５の熱電子放出フィラメント２６（熱電子源）から排気素子３１Ａ，３１Ｂに向けて電子を放射し、水素排気を加速する。この電子銃２５は、ポンプ１０での電流調節機能を有している。当該電流は、目的とする真空度の粗調整としての役目を果たし、電圧は微調整の役目を果たす。

ポンプ１０の排気素子３１Ａ，３１Ｂに臨む少し離れた位置に配置される熱電子放出フィラメント２６は、熱電子を８０〜２００Ｖに加速して排気素子３１Ａ，３１Ｂの内部にその開口部を介して照射し、ポンプ１０の放電電流を１０〜２０００倍多く流すことにより、極高真空排気用のポンプ１０の排気素子３１Ａ，３１Ｂを活性化する。これにより、主に水素分子を水素原子に解離し、陰極部および陽極部のゲッター合金薄膜（水素吸蔵合金の役目）に吸収させ、排気する。

本実施形態の構成によれば、ポンプ１０の排気素子３１Ａ，３１Ｂを非対称２階建て構造とし、陰極部分（陰極板４１〜４３）の全体の表面積を増やし、電子銃２５を設けて残留ガスの排気に対応した陰極を構成する合金ゲッター金属材料をスパッタし続けることにより、常に活性な薄膜を製造し、真空度を予め指定した通り自由に自動的に制御することができる。ガス導入ユニットを付属させ、残留ガス分析計２０１の検出信号に基づいて長時間一定の真空度に保つことに対応することもできる。

陰極板４１〜４３に関して、本実施形態で使用する陰極の材料は、ゲッター合金の組成金属材料にしてスパッタされて活性なゲッター合金薄膜を作製し続け、水素分子の解離、排気を可能とし、多くの二次電子を発生させるために、陰極表面に、仕事関数の小さい炭化ジルコニウム（Ｚｒ_ｘＣ_ｙ）を作製する。ジルコニウム（Ｚｒ）−アルミニウム（Ａｌ）合金、タンタル（Ｔａ）−モリブデン（Ｍｏ）合金、およびチタニウム（Ｔｉ）−非磁性遷移金属合金（インコネル）の３種類の陰極材料を使用して、２種類の活性な合金ゲッター薄膜を作製し続け、使用する。

放電を継続するのに不足する電子を補うために、排気素子３１Ａ，３１Ｂの円筒陽極を５１，５２に臨む離れた位置に配置された電子銃２５の熱電子フィラメント２６から熱電子をわずかに加速して導入し、ポンプ１０の放電電流を多く流すことによりポンプ１０を活性化し、電気的制御可能として、ガス分子減少によるポンプ性能降下を阻止し、主に水素分子を水素原子に解離し陰陽極に作製した触媒を含むゲッター合金および水素吸蔵合金に吸収させて排気する。

ここで最適なゲッター合金の製造方法を説明する。ポンプ１０内において発生させたプラズマ（放電）によってスパッタを繰り返すことで新鮮で最適なゲッター合金を製造することができる。また、真空度が良くなると活性なゲッター合金ができる、活性な排気特性の良いゲッター合金ができると真空度が良くなる、という好循環が生まれ、真空度は測定限界を超えてどんどん良くなる。例えば、窒素に最適な合金ゲッターができれば窒素と反応し、酸素に最適なゲッター合金ができれば酸素と反応する。残留ガスの水素については解離が必要なので、清浄金属表面の触媒効果や電子のエネルギーを必要とし、導入熱電子が排気促進剤としての役割を果たす。つまり、この場合、「残留ガスによるゲッター合金選択効果」が働く。

活性なガスとゲッター合金の化学反応生成物、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｔｉ_３Ｎ_４、Ｚｒ_３Ｎ_４、ＡｌＮ、ＴｉＣ、ＺｒＣ等は誘電体であるため、スパッタされにくく、系外に除かれる。特にＺｒＣは電子放出源として寄与する。

スパッタの際、周辺にもれた陰極を構成する金属粒子は、ポンプ１０の排気通路容器２１内の壁に付着し続け、常温で排気通路容器２１からの水素遮断と容器表面が水素吸蔵機能を持つ水素排気用の真空ポンプとなる。

上記のポンプ１０に基づくガスの排気では、個々のガスについて次のような現象が起きる。
（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。

次に、図８を参照して、本発明の第２実施形態に係る極高真空水素ポンプを説明する。この装置構成では、排気素子を１個として小型化している。
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。

図８において、２１は排気通路容器、２２は吸気口フランジ、３２は素子容器、５３は永久磁石、２６は熱電子放出フィラメント（１極型低加速熱電子銃２５）、５６は高電圧導入部、１０１は熱電子放出フィラメント（２極型低加速熱電子銃１００）、１０２はグリッド、４０１は電子通過域、４０２は取付金具である。図８の図示例では、１極型低加速熱電子銃２５と２極型低加速熱電子銃１００を、排気素子３１Ｃの円筒陽極５１，５２に臨むように設置している。放出された電子が円筒陽極の全体に当たるよう電子通過域４０１には真空部品を置かないようにする。

第２の実施形態の構成の場合にも、第１の実施形態の場合と同様に、２種類の合金ゲッターを維持できるので、性能を落とすことなく小型軽量化に対応できる。本実施形態では、電子銃２５等と高電圧導入部５６との位置関係は図８に示すように同じ側である。なお第１の実施形態で説明したように反対側に設けることもできる。また装置の大型化のためには排気素子の容器を４個に増やしたり、個数は２個であってもその長さを長くすることにより、到達真空度を高い高速排気を行うことができるという本発明の効果を得ることができる。

その他の変形例としては次の通りである。
（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。

本発明の実施形態に係る極高真空水素ポンプを適用した場合の真空排気特性のデータを図９〜図１１に示す。図９は残留ガス分析計２０１から得られる全ガスが検出されない場合についてのデータである。図１０は水素のみのデータである。図１１は水素のないデータである。

以上の実施形態で説明された構成、形状、大きさおよび配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎず、また数値および各構成の組成（材質）等については例示にすぎない。従って本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。

本発明に係る極高真空水素ポンプは、安定した極高真空（１０^−８Ｐａより小さい圧力の真空度）を必要する低速電子線回折や光電子分光、オージェ電子分光、冷陰極電子銃、加速器等などの排気システムの装置として広く利用される。

１０ 極高真空水素ポンプ
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 (7)

1. 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開口部を有する素子容器と、この素子容器内に配置され、３つの陰極と円筒陽極とから構成される２階建て構造を有しかつ第１の前記陰極と第２の前記陰極の間および第２の前記陰極と第３の前記陰極の間に前記円筒陽極が配置される電極構造部と、この電極構造部の前記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電子銃とを備える極高真空水素ポンプにおいて、
   前記電極構造部は、形状が異なる第１および第２の前記円筒陽極を備え、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かつ前記第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、前記２階建て構造が非対称に形成され、
   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、前記陰極と前記円筒陽極の間に発生したマグネトロン放電で前記陰極をスパッタすることにより水素を吸蔵する前記ゲッター合金を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に作製し続けて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、
   前記電子銃は熱電子放出フィラメントを有する、
   ことを特徴とする極高真空水素ポンプ。
2. 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。
3. 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ニ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１記載の極高真空水素ポンプ。
4. 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ニ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１記載の極高真空水素ポンプ。
5. 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１〜４のいずれか１項に記載の極高真空水素ポンプ。
6. 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。
7. 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、
   排気通路容器に取り付けられその内部空間に通じる開口部を有する素子容器と、この素子容器内に配置され、それぞれ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る３つの陰極と円筒陽極とから構成される非対称の２階建て構造を有しかつ第１の前記陰極と第２の前記陰極の間に第１の前記円筒陽極が配置されかつ第２の前記陰極と第３の前記陰極の間に第２の前記円筒陽極が配置される電極構造部と、この電極構造部の前記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、
   前記排気素子では、前記陰極と前記円筒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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