JP7362048B2

JP7362048B2 - 真空排気方法及び装置

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Publication number: JP7362048B2
Application number: JP2019140672A
Authority: JP
Inventors: 寛志阪井; 永治加古; 貴広山口; 和広飯村; 紀夫佐藤; 一郎峯; 尚美海老原; 真一山口
Original assignee: R-DEC CO., LTD.; Fujikin Inc; Inter University Research Institute Corp High Energy Accelerator Research Organization
Current assignee: R-DEC CO., LTD.; Fujikin Inc; Inter University Research Institute Corp High Energy Accelerator Research Organization
Priority date: 2019-07-31
Filing date: 2019-07-31
Publication date: 2023-10-17
Anticipated expiration: 2039-07-31
Also published as: JP2021025417A

Description

特許法第３０条第２項適用２０１８年８月９日、第１５回日本加速器学会年会、ポスターセッション２０１８年１０月２日、ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｐａｓｊ．ｊｐ／ｗｅｂ＿ｐｕｂｌｉｓｈ／ｐａｓｊ２０１８／ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ／ＰＤＦ／ＴＨＰ１／ＴＨＰ１１１．ｐｄｆ

本発明は、空間内を排気して真空空間を形成する際に、空間内に残存する塵埃が浮遊することのないように排気を行う方法及び装置に関する。

＜超伝導加速空洞とは＞高エネルギー加速器研究機構（ＫＥＫ）では現在、国際リニアコライダ（ＩＬＣ）、Ｓｕｐｅｒ－ＫＥＫＢ等の素粒子実験用加速器や、エネルギー回収型ライナック（ＥＲＬ）等の放射光源用加速器といった、次世代加速器の開発を進めている。これら次世代加速器にとって、非常に電力ロスの少ない超伝導を用いた加速空洞である超伝導加速空洞が重要な構成要素である。その極めて重要な特徴は空洞の抵抗壁損失が超伝導状態であるため極めて小さく、少ない投入パワーで非常に大きなビーム加速を行えるというものである。

加速空洞は、Ｎｂ（ニオブ）等で作製されており、４Ｋ～２Ｋの極低温におかれて超伝導状態となり、空洞内を走る電子ビームは高周波（１．３ＧＨｚ）で加速される。加速器のビームラインに沿って多数の加速空洞を直列に連結配置する際にはあらかじめ、個々の加速空洞をクライオモジュールと呼ばれる断熱槽に入れる必要がある。クライオモジュールの一例として、図１１に、特開２０１９－０２１５０８号公報（特許文献４）に開示されたクライオモジュールの断面図を挙げる。加速空洞４０１は、９個のセルと両端のビームパイプ４０３とフランジとで構成される。クライオモジュール４００は、加速空洞４０１と、加速空洞４０１の９個のセルを内包する筒状の冷媒槽４０２と、冷媒槽４０２の外壁に接続された冷媒ガス導入手段４０４と、冷媒槽４０２の外壁に接続された蒸発ガス排出手段４０５と、冷媒槽４０２を周方向に囲む周波数調整機構４０６と、を備え、ビームパイプ４０３は冷媒槽４０２を長手方向に連通する。加速空洞４０１は、冷媒槽４０２に導入された液体ヘリウムに浸漬して極低温にまで冷却され、超伝導状態となる。

＜塵埃浮遊のない真空排気の必要性＞超伝導加速空洞において、空洞内へのダスト（微小な埃や異物）の混入は、空洞内面からの電子の電界放出（Ｆｉｅｌｄｅｍｉｓｓｉｏｎ）を誘起し、大量の放射線を発生させ、性能劣化を引き起こす原因となる。運転時には、空洞内の電場は数十ＭＶ／ｍと非常に大きいので、直径サブμｍ～数１０μｍのダストが１つ空洞内面に付着しているだけで、そこから電界放出が誘起されて、空洞性能が大幅に劣化してしまう可能性がある。これらダストの混入を回避するために、これまでに縦測定と呼ばれる空洞単体の性能評価試験では、ＩＳＯｃｌａｓｓ４以上のクリーン度を持つクリーンルーム内で空洞表面処理及び空洞の組立て作業を行い、ダスト混入の回避に対して細心の注意をしており、縦測定で３５ＭＶ／ｍ以上の高い加速勾配を持つ空洞性能を実現してきた。ここで、空洞表面処理の作業は、例えば、１００μｍ厚の電解研磨、７５０℃・３時間のアニール、２０μｍ厚の仕上げ電解研磨、５０℃・１時間の超音波洗浄、８ＭＰａ・７時間の超純水洗浄、１５０℃・４８時間のベーキングを含む。また、空洞の組立て作業は、例えば、パーツ組立直前のイオンガンの使用、簡易クリーンブースの設置を含む。

これらの空洞を、加速器のビームラインに組込む際には、空洞をクライオモジュールと呼ばれる断熱槽に入れる必要がある。すなわち、縦測定で性能が出た超伝導加速空洞を加速器建設現場でクライオモジュールに入れるべく再度、空洞組立作業を行う必要がある。そして、この組込作業において、縦測定で確認済みの空洞性能が劣化しないことが望ましいのであるが、残念ながら現在、クライオモジュールでの電界放出による性能劣化が、世界中の超伝導加速空洞の性能劣化の重要な原因であると認識されており、その改善が急務
である。これらの改善のために、真空作業として、周りの環境や作業者によらず、塵埃の巻き上げず、空洞へのダストの混入を許さない、自動化された真空排気方法及び装置を確立して、空洞単体の組立作業やクライオモジュールの組立作業の際に、ダストの混入や浮遊を確実に防ぐ必要がある。そして、一たびそのような自動化された真空排気方法及び装置を確立できれば、その用途は加速器用の超伝導加速空洞にとどまらず、より一般に、半導体製造工程等で利用される任意の真空空間を形成する際に、空間内に残存するダストが浮遊することのないように排気を行う方法及び装置として、利用可能なものとなるであろう。

＜従来技術＞実開平７－４１１５８号公報（特許文献１）には、真空容器内での排気初期の乱流の発生を防ぎ、塵埃の舞い上りを防止すると共に、所定圧力までの排気を短時間で行うことを目的として、図８に示すように、真空容器１０１と排気系１０２が弁装置１０３を介して連結してあり、弁装置１０３は流体シリンダー１１０のピストンロッド１０９の移動により開度が変化する弁機構を有し、ピストンロッド１０９の移動は流体の流量制御により制御される、排気装置及び弁装置の発明が開示されている。しかし、弁の開度については、「弁機構の開度を徐々に変化させて、時間の経過とともに開度を大きくする」（段落００１０）、「排気初期は小さい流量で排気して塵埃の舞い上りを防止し、かつ時間の経過とともに流量を増大させて、排気に要する時間を短縮する」（段落００１１）と記載されているのみで、対象とする塵埃のサイズや、塵埃の舞い上りを確実に防止できる排気の流量の範囲や、その流量範囲を実現する具体的な自動制御の方法及び装置については記載がない。また、塵埃の舞い上りを防止するパージの方法及び装置についての記載もない。

実全平３－７８９８２号公報（特許文献２）には、図９に示すように、真空チャンバ２０１と、チャンバ内を常圧から真空に排気するポンプ２０６との間に、ラフィングバルブ２０７を有するラフィングライン２０９を接続した、真空装置におけるスローラフ機構において、ラフィングライン２０９における塵埃の舞い上がりを防止する目的で、ラフィングラインにバイパスラインを設ける代わりに、ラフィングバルブ２０７と直列にコンダクタンスバルブ２０８を設ける発明が開示されている。しかし、該コンダクタンスバルブの操作については、「コンダクタンスバルブの操作により、ラフィングラインのコンダクタンスを所望通りに変化させることができ、排気量を自由に制御することが可能となる」（頁４）と記載されているのみで、対象とする塵埃のサイズや、塵埃の舞い上りを確実に防止できる排気の流量の範囲や、その流量範囲を実現する具体的な自動制御の方法及び装置については記載がない。また、塵埃の舞い上りを防止するパージの方法及び装置についての記載もない。

実全昭５３－１１７５５８号公報（特許文献３）には、図１０に示すように、ペルジャ３０１内を真空形成するための排気装置において、排気初期段階における塵埃の舞い上がりを防止するために、低速排気装置３０７と高速排気装置３０４を設け、真空形成の際に、ペルジャ３０１内が１．３ｋＰａから０．１３ｋＰａの真空度となった時に、弁３０２の切替により、空気の排気量を少なくとも２段階に切り替える発明が開示されている。しかし、対象とする塵埃のサイズや、塵埃の舞い上りを確実に防止できる排気量の変動量の範囲や、その排気量の変動量の範囲を実現するための、具体的な弁又は排気装置の自動制御の方法及び装置については記載がない。また、塵埃の舞い上りを防止するパージの方法及び装置についての記載もない。

実開平７－４１１５８号公報実全平３－７８９８２号公報実全昭５３－１１７５５８号公報特開２０１９－０２１５０８号公報

従って、本発明の課題は、加速器に用いる超伝導加速空洞等の、容器の内部を、塵埃の巻き上げや浮遊及び容器内への混入を起こさずに、かつ自動制御で、真空排気する方法及び装置を提供することである。本発明の更なる課題は、塵埃の巻き上げや浮遊及び容器内への混入を起こさずに、かつ自動制御で、容器内にパージガスを導入する方法及び装置を提供することである。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の第１の形態は、排気ポートを備えた容器に接続され、該容器の内部を真空状態とするための真空排気装置であり、前記排気ポートにその一端が接続される親流路と、前記親流路の他端を分岐して、並列に設けられる第１の流路及び第２の流路と、前記の、第１の流路及び第２の流路を合流して接続される排気手段と、前記親流路の内部の圧力を計測するための圧力計測手段と、を有し、前記第１の流路は、第１の開閉弁を有し、前記第２の流路は、第２の開閉弁と流量調整器を直列に有し、前記の、第１の開閉弁、第２の開閉弁、流量調整器及び排気手段の制御を行う制御機構を備え、該制御機構は、前記圧力計測手段により計測される計測圧力が低真空状態の所定の圧力となるまでの間、第１の開閉弁を閉鎖状態に第２の開閉弁を開放状態に保って、第２の流路を流れる気体の流量を前記流量調整器を用いて調整し、前記計測圧力が低真空状態の所定の圧力になった後、第１の開閉弁を開くことで、前記容器の内部が高真空状態となるように前記制御を行うように構成されていることを特徴とする真空排気装置である。

本発明の第２の形態は、前記親流路の内部を浮遊するダストの量を粒子径別にリアルタイムで計測するためのダスト量計測手段を有し、前記制御機構は、該ダスト量計測手段により計測される、粒子径が所定の粒子径以上であるダストの量が、常に検出限界未満であるように前記制御を行う真空排気装置である。

本発明の第３の形態は、前記制御機構は、前記計測圧力が低真空状態の所定の圧力となるまでの間、前記第２の流路を流れる気体の流量がスロー流量範囲に含まれる一定値であるように、前記流量調整器を制御する真空排気装置である。

本発明の第４の形態は、前記制御機構は、前記計測圧力が低真空状態の所定の圧力となるまでの間、どの１分間における、前記第２の流路を流れる気体の流量の変動量も、流量変動量上限値以下であるように、前記流量調整器を制御する真空排気装置である。

本発明の第５の形態は、前記制御機構は、前記の第１の開閉弁又は第２の開閉弁の、閉鎖状態からの開放動作又は開放状態からの閉鎖動作を、最小スロー開閉時間以上の時間をかけて完了する真空排気装置である。

本発明の第６の形態は、パージガスを前記容器の内部に供給するための第３の流路を有し、該第３の流路は、第２の流量調整器を有する真空排気装置である。

本発明の第７の形態は、前記制御機構は、前記第３の流路を流れる気体の流量がパージ流量範囲に含まれ、かつ、どの１分間における該流量の変動量もパージ流量変動量上限値以下であるように、前記第２の流量調整器の制御を行う真空排気装置である。

本発明の第８の形態は、排気ポートを備えた容器の内部を真空状態とするための真空排気方法であり、前記排気ポートにその一端が接続される親流路と、前記親流路の他端を分岐して、並列に設けられる第１の流路及び第２の流路と、前記の、第１の流路及び第２の流路を合流して接続される排気手段と、前記第２の流路に配置される流量調整器と、を設け、前記親流路の内部の圧力を計測して、計測される圧力である計測圧力が低真空状態の所定の圧力となるまでの間、第１の流路を閉鎖状態に、第２の流路を連通状態に保って、第２の流路を流れる気体の流量を、前記流量調整器を用いて調整し、前記計測圧力が低真空状態の所定の圧力になった後、第１の流路を連通状態にすることで、前記容器の内部が高真空状態となるように気体の流れの制御を行うことを特徴とする真空排気方法である。

本発明の第９の形態は、前記親流路の内部を浮遊するダストの量を粒子径別にリアルタイムで計測し、計測される、粒子径が所定の粒子径以上であるダストの量が、常に検出限界未満であるように前記制御を行う真空排気方法である。

本発明の第１０の形態は、パージガスを前記容器の内部に供給するための第３の流路を設け、該第３の流路に第２の流量調整器を設ける真空排気方法である。

本発明の第１の形態によれば、排気ポートを備えた容器に接続され、該容器の内部を真空状態とするための真空排気装置であり、前記排気ポートにその一端が接続される親流路と、前記親流路の他端を分岐して、並列に設けられる第１の流路及び第２の流路と、前記の、第１の流路及び第２の流路を合流して接続される排気手段と、前記親流路の内部の圧力を計測するための圧力計測手段と、を有し、前記第１の流路は、第１の開閉弁を有し、前記第２の流路は、第２の開閉弁と流量調整器を直列に有し、前記の、第１の開閉弁、第２の開閉弁、流量調整器及び排気手段の制御を行う制御機構を備え、該制御機構は、前記圧力計測手段により計測される計測圧力が低真空状態の所定の圧力となるまでの間、第１の開閉弁を閉鎖状態に第２の開閉弁を開放状態に保って、第２の流路を流れる気体の流量を前記流量調整器を用いて調整し、前記計測圧力が低真空状態の所定の圧力になった後、第１の開閉弁を開くことで、前記容器の内部が高真空状態となるように前記制御を行うように構成されていることを特徴とする真空排気装置を提供することができる。

本形態の真空排気装置は、通常排気を行うための第１の流路と、制御排気を行うための第２の流路を有し、これらの流路は別箇に容器に接続されるのではなく、容器に接続される親流路の他端を分岐して、第１の流路と第２の流路を並列に設けているものである。したがって、ダスト混入のリスクの高い人的作業である容器と真空排気装置の接続作業の回数を、親流路と容器を接続する作業の１回のみに減らすことができ、第１の流路と第２の流路をそれぞれ容器に接続する場合に比べて半分に削減することができる。接続箇所の数が減るゆえ、接続作業も容易となり、作業時間も短縮されるから、容器内等の空間へのダスト混入のリスクを減らすことができる。

本形態の真空排気装置は、圧力計測手段により計測される計測圧力が低真空状態の所定の圧力となるまでの間は、第２の流路を用いて制御排気を行うことで乱流の発生を抑制してダストの舞い上がりと浮遊を防ぎ、計測圧力が前記所定の圧力となった後には、第１の流路を用いて通常排気を行うことで、容器の内部が高真空状態となるように排気を行う。前記所定の圧力は、限定されるものではないが、例えば、絶対圧で表して５０Ｐａ以上１００Ｐａ以下である。この制御排気を行うため、第２の流路には流量調整器が設けられる。ここで、流量調整器とは、単なるバタフライバルブ等の開度を調節できる開閉弁ではなく、流量調整器を通過する気体の質量流量の影響を受ける物理量（圧力、温度、速度、又はそれらの差など）を計測して質量流量の観測値を計算し、計算された質量流量の観測値と予め設定された質量流量の設定値とを比較し、その比較結果に基づいてフィードバック
制御を行い、質量流量の観測値が設定値と一致するように、流量調整器に内蔵された開閉弁等の開度等をリアルタイムに制御して、流量を精密に調節する手段のことを言う。上記の意味での流量調整器は、マスフローコントローラ（ＭＦＣ）と呼ばれる。本形態では、排気の初期段階において流量調整器を用いた制御排気を行って、第２の流路及び親流路を流れる気体の流量を精密に制御するから、乱流の発生を抑制してダストの舞い上がりと浮遊、及び容器内への混入を防止することができる。

本発明の第２の形態によれば、前記親流路の内部を浮遊するダストの量を粒子径別にリアルタイムで計測するためのダスト量計測手段を有し、前記制御機構は、該ダスト量計測手段により計測される、粒子径が所定の粒子径以上であるダストの量が、常に検出限界未満であるように前記制御を行う真空排気装置を提供することができる。本形態の真空排気装置が有するダスト量計測手段は、流路内に設けられ、若しくは差し込まれ、流路内の気体の流れをほとんど妨げることなく、かつ仮に流路内が高真空状態であっても、例えばレーザー光が浮遊するダストにより散乱されて生じる散乱光を検出する手法であるレーザー光散乱方式等の手法により、ある瞬間に又は短い時間の間に、流路内のある体積領域に存在するダストの量を粒子径別に計測することができる。前期所定の粒子径は、本真空排気装置の使用目的に応じて設定される。例えば、容器が超伝導加速空洞の場合には、サブμｍスケールかそれ以上の粒子径を有するダストが１つでも空洞内壁に付着していると、空洞性能が著しく劣化するリスクがある。また、サブμｍスケールより小さなオーダーの粒子径を有するダストが空洞内壁に付着していても、空洞性能の劣化は比較的小さく、加えて、そのように微細なダストの場合には、加速器の運転前に空洞内面に短時間の高電圧パルスを付加することで放電により空洞内のコ？ミや埃を砕くパルスエージング等の方法により、付着したダストが空洞性能の劣化を引き起こすリスクを減じることができる。このような事情を考慮して、超伝導加速空洞の場合、前期所定の粒子径は、限定されるものではないが、例えば０．２５μｍ以上０．３μｍ未満に選ばれる。

「常に検出限界未満であるように前記制御を行う」とは、粒子径が所定の粒子径以上であるダストが、ダスト量計測手段によって全く検出されないように前記制御を行うという意味である。本発明の本形態においては、超伝導加速空洞等の容器は、同一の組立工程及び同一の表面処理工程を経て作製された、同一の形状と構成を有する容器が複数、好ましくは多数、存在していることが前提となっている。対象とする容器と上記の意味で同一の形状と構成を有する容器（Ｃとする）について、どのように前記制御を行えば、粒子径が所定の粒子径以上であるダストが、ダスト量計測手段によって全く検出されないようにしつつ、容器Ｃを高真空状態にすることができた、という成功情報、あるいは、どのように前記制御を行えば、上記のダストが検出されてしまった、という失敗情報に基づいて、流量等の制御は行われる。ここで、前記制御の対象には、必要ならば計測圧力と連動した、開閉弁の開閉操作の態様やタイミングや、流量調節器により調節される質量流量の時間変化態様が含まれる。

本発明の第３の形態によれば、前記制御機構は、前記計測圧力が低真空状態の所定の圧力となるまでの間、前記第２の流路を流れる気体の流量がスロー流量範囲に含まれる一定値であるように、前記流量調整器を制御する真空排気装置を提供することができる。本形態によれば、流量調整器を用いた制御排気の際に、第２の流路を流れる気体の流量をスロー流量範囲に含まれる一定値としてスロー排気を行うから、乱流の発生を抑制してダストの舞い上がりと浮遊、及び容器内への混入を防止することができる。
例えば、第２の流路が管径３／８インチ（９．５２５ｍｍ）の円管で構成される場合、後述する実験データに基づき、スロー流量範囲は０．１Ｌ／ｍｉｎ以上０．６Ｌ／ｍｉｎ以下と選ぶことができる。ここで流量とは気体の質量流量の意であり、単位「Ｌ／ｍｉｎ」は、質量流量に比例する、標準状態（０℃，１０１．３２５ｋＰａ）に換算した気体の体積流量を意味する。スロー流量範囲の上限として可能な値の最大値（上記の管径の場合
は０．６Ｌ／ｍｉｎ以上のある値）は、乱流の発生を抑制できるという条件に関係していると考えられるゆえ、菅径が変わった場合には、管径にほぼ比例して変化するであろう。なぜならば、管の直径をａ、標準状態に換算した体積流量をＢ、気体の動粘性係数をνとすると、このケースでは気体の圧力は大気圧に近いと仮定してよいから、レイノルズ数Ｒｅはｃを無次元の定数として
（式１）Ｒｅ＝ｃＢ／（νａ）
で与えられるところ、式１の右辺が臨界レイノルズ数に等しいと仮定することにより、乱流が発生し始める体積流量Ｂが、管径ａにほぼ比例することが導かれるからである。
スロー流量範囲の下限として可能な値の最小値（上記の場合は０．１Ｌ／ｍｉｎ以下のある値）は、管径ではなく、流量調整器の性能により定まる。流量調整器は一般に、設定流量が小さすぎると、実際の質量流量と設定流量の差又はその差の設定流量に対する割合を、十分に小さく保つように制御することが難しくなるという性質を有するからである。したがって、スロー流量範囲の下限として可能な値の最小値は必ずしも０．１Ｌ／ｍｉｎであるとは限らず、用いる流量調整器によっては、０．１Ｌ／ｍｉｎ未満であってもよく、例えば０．０５Ｌ／ｍｉｎでもよい。

本発明の第４の形態によれば、前記制御機構は、前記計測圧力が低真空状態の所定の圧力となるまでの間、どの１分間における、前記第２の流路を流れる気体の流量の変動量も、流量変動量上限値以下であるように、前記流量調整器を制御する真空排気装置を提供することができる。ここで流量の「変動量」とは、ある時間（このケースでは１分間）における流量の最大値と最小値の差のことである。本形態によれば、流量調整器を用いた制御排気の際に、第２の流路を流れる気体の流量の変動量を常に、流量変動量上限値以下であるように制御しながらスロー排気を行うから、乱流の発生を抑制してダストの舞い上がりと浮遊、及び容器内への混入を防止することができる。例えば、第２の流路が管径３／８インチ（９．５２５ｍｍ）の円管で構成される場合、後述する実験結果より、上記の流量変動量上限値を３Ｌ／ｍｉｎと選ぶことができる。流量変動量上限値として可能な値の最大値は３Ｌ／ｍｉｎ以上のある値となるはずであり、その最大値も、管径におよそ比例すると考えられる。

本発明の第５の形態によれば、前記制御機構は、前記の第１の開閉弁又は第２の開閉弁の、閉鎖状態からの開放動作又は開放状態からの閉鎖動作を、最小スロー開閉時間以上の時間をかけて完了する真空排気装置を提供することができる。本発明者は、制御排気中にダストの浮遊が確認されなくても、第２の流路を用いた制御排気から第１の流路を用いた通常排気に切り替える際の開閉弁の動作の直後に、ダストの浮遊がダスト量検出手段によって検出される場合があること、及び、この開閉弁の動作に起因するダストの浮遊は、開閉弁の動作を極めてゆっくりと行うことで抑制できることを発見した。本発明の本形態によれば、第１の開閉弁又は第２の開閉弁の、閉鎖状態からの開放動作又は開放状態からの閉鎖動作を、最小スロー開閉時間以上の時間をかけて完了するから、ダストの舞い上がりと浮遊、及び容器内への混入を防止することができる。後述する実験結果から、上記の最小スロー開閉時間は１ｍｉｎに選ぶことができる。ここで、「開閉弁」は、ゲートバルブ、アンクルバルブ、ニードルバルブ等、弁体が変位（重心移動及び／又は回転）することで弁の開度を調節するように構成された任意の弁を意味する。また、弁体の変位の制御は、例えば、制御電圧を加えて、制御電圧Ｖａのとき弁の開度が０％であり、制御電圧Ｖｂのとき弁の開度が１００％であり、制御電圧と弁体の変位と弁の開度が互いに単調な関係になるように構成して、制御電圧をＶａとＶｂの間で連続的に変化させて弁体の変位を制御してもよく、或いは、弁体の変位と弁の開度が単調な関係になるように構成し、弁体が小刻みに多数の（若しくは無数の）離散的な変位を取り得るようにし、ステッピングモータ等を用いて、加えた正電圧パルスと負電圧パルスの数の差により弁体の変位が決まるように構成して、弁の開度の制御を行ってもよい。また、実験結果に記載していないが、流量当たりの最小スロー開閉時間として、５ｍｉｎ／Ｌとすることもできる（例えば流量が
０．１Ｌ／ｍｉｎの場合、最小スロー開閉時間を０．５ｍｉｎと設定できる）。

本発明の第６の形態によれば、パージガスを前記容器の内部に供給するための第３の流路を有し、該第３の流路は、第２の流量調整器を有する真空排気装置を提供することができる。例えば、容器が超伝導加速空洞である場合、加速器の運転時には容器内は高真空状態に保たれ、Ｎｂ製の容器の内壁は極低温に冷やされて超伝導状態となる。加速器の運転終了後、仮に容器内に大気を導入するならば、反応性の高い大気中の酸素や水蒸気が容器内壁の表面の、Ｎｂの数十原子層からなる原子間領域に侵入し若しくは化学結合して、表面状態が変化してしまい、次回の加速器の運転時に極低温まで冷却しても容器内壁表面の超伝導状態を実現できなくなってしまう。本形態の真空排気装置は、パージガスを前記容器の内部に供給するための第３の流路を有するから、加速器の運転終了後に容器内に大気を導入する替わりに、不活性ガスである窒素（Ｎ₂）、又は、ヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）等の希ガスからなるパージガスを導入して、パージガスの分子又は原子により容器内壁の表面の上記原子間領域を飽和させて、前記の表面状態の変化を防止することができる。更に、本形態の真空排気装置は、第３の流路に第２の流量調整器を有するから、第２の流量調整器によりパージガスの流量を制御して、パージガスの導入に伴うダストの舞い上がりと浮遊、及び容器内への混入を防止することができる。

本発明の第７の形態によれば、前記制御機構は、前記第３の流路を流れる気体の流量がパージ流量範囲に含まれ、かつ、どの１分間における該流量の変動量もパージ流量変動量上限値以下であるように、前記第２の流量調整器の制御を行う真空排気装置を提供することができる。例えば、第３の流路が管径１／４インチ（６．２５ｍｍ）の円管で構成される場合、後述する実験結果に基づき、ダストの舞い上がりと浮遊、及び容器内への混入を防止することができる、上記のパージ流量範囲は例えば０．１Ｌ／ｍｉｎ以上２．７Ｌ／ｍｉｎ以下と選ぶことができ、パージ流量変動量上限値は例えば０．２Ｌ／ｍｉｎに選ぶことができる。パージ流量範囲の上限値、及びパージ流量変動量上限値として可能な値の最大値はいずれも、管径におよそ比例すると考えられる。また、パージ流量範囲の下限として可能な値の最小値は、第２の流量調整器の性能によって決まる。

本発明の第８の形態によれば、排気ポートを備えた容器の内部を真空状態とするための真空排気方法であり、前記排気ポートにその一端が接続される親流路と、前記親流路の他端を分岐して、並列に設けられる第１の流路及び第２の流路と、前記の、第１の流路及び第２の流路を合流して接続される排気手段と、前記第２の流路に配置される流量調整器と、を設け、前記親流路の内部の圧力を計測して、計測される圧力である計測圧力が低真空状態の所定の圧力となるまでの間、第１の流路を閉鎖状態に、第２の流路を連通状態に保って、第２の流路を流れる気体の流量を、前記流量調整器を用いて調整し、前記計測圧力が低真空状態の所定の圧力になった後、第２の流路を閉鎖状態にし、第１の流路を連通状態にすることで、前記容器の内部が高真空状態となるように気体の流れの自動制御を行うことを特徴とする真空排気方法を提供することができる。

本形態の真空排気方法は、通常排気を行うための第１の流路と、制御排気を行うための第２の流路を設け、これらの流路を別箇に容器に接続するのではなく、容器に親流路を接続し、その他端を分岐して、第１の流路と第２の流路を並列に設けるものである。したがって、ダスト混入のリスクの高い人的作業である接続作業の回数を、親流路と容器を接続する作業の１回のみに減らすことができ、第１の流路と第２の流路をそれぞれ容器に接続する場合に比べて半分に削減することができる。接続箇所の数が減るゆえ、接続作業も容易となり、作業時間も短縮されるから、容器内等の空間へのダスト混入のリスクを減らすことができる。

本形態の真空排気方法は、親流路の内部の圧力を計測し、計測される計測圧力が低真空
状態の所定の圧力となるまでの間は、第２の流路を用いて制御排気を行うことで乱流の発生を抑制してダストの舞い上がりと浮遊を防ぎ、計測圧力が前記所定の圧力となった後には、第１の流路を用いて通常排気を行うことで、容器の内部が高真空状態となるように排気を行う。前記所定の圧力は、限定されるものではないが、例えば、絶対圧で表して５０Ｐａ以上１００Ｐａ以下である。この制御排気を行うため、第２の流路に流量調整器を設ける。ここで、流量調整器は、既述のマスフローコントローラを意味する。本形態では、排気の初期段階において流量調整器を用いた制御排気を行って、第２の流路及び親流路を流れる気体の流量を精密に制御するから、乱流の発生を抑制してダストの舞い上がりと浮遊、及び容器内への混入を防止することができる。

本発明の第９の形態によれば、前記親流路の内部を浮遊するダストの量を粒子径別にリアルタイムで計測し、計測される、粒子径が所定の粒子径以上であるダストの量が、常に検出限界未満であるように前記制御を行う真空排気方法を提供することができる。本形態の効果については、本発明の第２の形態の効果の記載を参照されたい。

本発明の第１０の形態によれば、パージガスを前記容器の内部に供給するための第３の流路を設け、該第３の流路に第２の流量調整器を設ける真空排気方法を提供することができる。本形態の効果については、本発明の第６の形態の効果の記載を参照されたい。

図１は、本発明の真空排気装置を用いて、超伝導加速空洞内を真空排気する様子を示す外観写真図である。図２は、本発明の１つの実施形態の真空排気装置の構成図である。図３は、本発明の別の１つの実施形態の真空排気装置の構成図である。図４は、本発明の装置で真空排気及びパージを行った際の、気体の圧力、流量、及びダスト量の測定結果を示すグラフ図である。図５は、本発明の装置で真空排気及びパージを行った際の、気体の圧力、流量、及びダスト量の別の測定結果を示すグラフ図である。図６は、ダスト量計測手段のテストの際に計測されたダスト量の測定結果を示すグラフ図である。図７は、本発明の一実施形態に係る真空排気装置の自動制御画面及び流量設定画面の写真図である。図８は、従来技術による真空排気装置及び弁装置の説明図である。図９は、別の従来技術による真空装置におけるスローラフ機構の説明図である。図１０は、更に別の従来技術による排気装置の説明図である。図１１は、特許文献４に記載のクライオモジュールの断面図である。

次に、本発明の真空排気方法及び装置を実施するための形態を、図面と表を参照しながら詳細に説明する。

本発明は、加速器に用いる超伝導加速空洞の組立時など、容器を高真空状態にするための真空作業において、スローな排気とパージを行い、ダストの巻き上げを起こさず空洞への混入をなくすための方法及び装置である。装置の概要とともにどのようにダストの混入の回避を実現するのかという方法について述べる。その後に、本装置を用いた真空排気時およびパージ時のゴミ混入の試験結果を説明し、本装置を用いてスローパージを行う際のディフューザの必要性について付記する。最後に、本装置による自動制御と操作画面について説明する。

＜１．装置の構成と排気及びパージの方法＞
図１は、本発明の一実施形態に係る真空排気装置１を用いて、超伝導加速空洞（容器２）の真空排気を行っている様子を示す外観写真図である。容器２の排気ポート２ａには、真空排気装置１の親流路Ｆ０が、バルブを介したフランジにより接続されている。真空排気装置１は、第２の流路を流れる気体の質量流量を制御するための流量調整器３と、排気手段４を有する。

図２は、スローな真空排気を行うための、本発明の一実施形態に係る真空排気装置１の構成を簡略化して示した説明図である。真空排気装置１は、排気ポート２ａを備えた容器２に接続され、容器２の内部を真空状態とするための装置であり、排気ポート２ａにその一端が接続される親流路Ｆ０と、親流路Ｆ０の他端を分岐して、並列に設けられる第１の流路Ｆ１及び第２の流路Ｆ２と、第１の流路Ｆ１及び第２の流路Ｆ２を合流して接続される排気手段４と、親流路Ｆ０の内部の圧力を計測するための圧力計測手段６と、を有し、第１の流路Ｆ１は、第１の開閉弁Ｖ１を有し、第２の流路Ｆ２は、第２の開閉弁Ｖ２と流量調整器３を直列に有し、第１の開閉弁Ｖ１、第２の開閉弁Ｖ２、流量調整器３及び排気手段４の制御を行う制御機構５を備え、制御機構５は、圧力計測手段６により計測される計測圧力が低真空状態の所定の圧力となるまでの間、第１の開閉弁Ｖ１を閉鎖状態に第２の開閉弁Ｖ２を開放状態に保って、第２の流路Ｆ２を流れる気体の流量を流量調整器３を用いて調整し、前記計測圧力が低真空状態の所定の圧力になった後、第２の開閉弁Ｖ２を閉じて第１の開閉弁Ｖ１を開くことで、容器２の内部が高真空状態となるように前記制御を行うように構成されていることを特徴とする装置である。
圧力計測手段６としては、例えば、大気圧から超高真空（１０^-7Ｐａ程度）まで測定が可能なクリスタルイオンゲージや、大気圧から高真空（１０^-3Ｐａ程度）まで測定が可能なキャパシタンスゲージやピラニゲージなどを用いることができる。

本実施形態の真空排気装置１は、親流路Ｆ０の内部を浮遊するダストの量を粒子径別にリアルタイムで計測するためのダスト量計測手段７を有し、制御機構５は、ダスト量計測手段７により計測される、粒子径が所定の粒子径以上であるダストの量が、常に検出限界未満であるように前記制御を行う。ダスト量計測手段７としては、例えば真空パーティクルモニタ（ＩＳＰＭ－Ｉ－ＩＣＦ，（株）ウィックス）を用いることができる。この真空パーティクルモニタは、５ｃｍ³程度の体積領域にレーザー光を当てて、レーザー光散乱方式により浮遊するダストの量を計測し、真空中でパーティクルの測定が可能であり、０．３μｍ以上の直径（パーティクルサイズ）のダスト量の測定を、粒子径により複数の区分に分けて行うことが可能である。対応粒子速度は４ｍ／ｓ以下であり、反応時間は１ｓ未満である。

図３は、スローな真空排気及びスローなパージを行うための、本発明の一実施形態に係る真空排気装置１の構成図である。スローな真空排気を行うための構成については、図２に示した実施形態と共通点が多いから、相違点を中心に説明する。排気手段４は、スクロールポンプ４ｂとターボ分子ポンプ４ａからなり、これらと超伝導加速空洞（容器２）までは、親流路Ｆ０及び第１の流路Ｆ１に沿って、直径４０ｍｍ（φ４０）のステンレス鋼材（ＳＵＳ）のパイプでつながれており、最終的にはこのラインで、絶対圧で１０^-5Ｐａ程度の高真空を確保する。真空度は、クリスタルイオンゲージ６で測定する。この装置の要は、流量調整器３を有するスロー排気用のバイパスライン（第２の流路Ｆ２）と、流量調整器３１を有するスローパージ用のライン（第３の流路Ｆ３）である。２つの流量調整器３、３１としては、例えばマスフローコントローラであるＦＣＳ（ＦｌｏｗＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍ；ＦＣＳ－Ｔ１０００Ｆ、（株）フジキン）を用いることができる。このＦＣＳは、６０ＳＬＭの０．５％～１００％の範囲で質量流量を設定流量に対して±１％以内に制御でき、応答性は２％～１００％の範囲で１秒以内、０．５％~２％の範囲では１０秒以内である。真空排気とパージの際に空洞内にダストが移動するかどう
かは、親流路Ｆ０に設けたダスト量計測手段７又は／及びダスト量計測手段７１で測定する。ダスト量計測手段７、７１としては、上記の真空パーティクルモニターを用いることができる。排気対象である超伝導加速空洞（容器２）と、本装置１の親流路Ｆ０とは、ダスト量計測手段７の先にあるバルブを介したフランジ（排気ポート２ａ）で接続を行う。スクロールポンプ４ｂとしては、例えばドライ真空ポンプ（ＮｅｏＤｒｙ１５Ｅ，樫山工業（株））を用いることができる。このドライ真空ポンプは、排気速度２５０Ｌ／ｍｉｎ，到達真空度１．０Ｐａである。ターボ分子ポンプ４ａとしては、例えばＴＭＰ（ＴＭＰ－Ｂ３００，（株）島津製作所）を用いることができる。このＴＭＰは、排気速度が２２０～２８０Ｌ／ｓ，到達圧力が１０^-6Ｐａのオーダー（ベーキング後は１０^-8Ｐａのオーダー）である。

スロー排気の際は、親流路Ｆ０及び第１の流路Ｆ１の一部のバルブ（図３の開閉弁Ｖ４，Ｖ３，Ｖ１）を閉め、開閉弁Ｖ５，Ｖ２を開けて、Ｖ２下流の流量調整器３を通るライン（第２の流路Ｆ２、直径３／８インチ（９．５２５ｍｍ））にバイパスし、排気量を流量調整器でコントロールすることでスローな真空排気を実現する。特に、クリスタルイオンゲージ（圧力計測手段６）により測定された計測圧力が、低真空状態の所定の圧力（例えば１００Ｐａ）以下となった場合には、開閉弁Ｖ１をゆっくり開き、Ｖ２をゆっくり閉じることで、φ４０（直径４０ｍｍ）の配管のライン（第１の流路Ｆ１）による通常排気に切り替え、高真空までの真空排気を実現する。

スローパージの際は、粗排気ラインの一部のバルブ（図３の開閉弁Ｖ５，Ｖ２，Ｖ１）を閉じ、開閉弁Ｖ４，Ｖ３を開けて、開閉弁Ｖ３の上流にある第２の流量調整器３１を通るライン（第３の流路Ｆ３、直径１／４インチ（６．３５ｍｍ））から窒素等のパージガスを流し、スローパージを実現する。さらに、図３にあるようにパージガスをディフューザ８１ｂに通した後に、もう一度バイパスラインに通してディフューザ８１ａを通過させることで、パージ中のダスト混入を回避する。

本実施形態に係る真空排気装置１は、第１の流路Ｆ１と第２の流路Ｆ２が合流する親流路Ｆ０の領域に、当該領域の気体の圧力を計測するためのイオンゲージ６１、分圧を読み取るための四重極質量分析計９、及び／又は、当該領域に浮遊するダストの量を計測するための第２のダスト量計測手段７１を有してもよい。

＜２．ダスト混入回避実験の結果（設定流量が一定の場合）＞
スロー排気時及びスローパージ時にダストの混入がないかを確かめるために、図３に示した本発明の一実施形態に係る真空排気装置１に、実際に、超伝導加速空洞（容器２）を接続し、この空洞の真空引きおよびパージの実験を行った。空洞の内容積は約３０Ｌである。空洞にダストが入るかどうかを監視するために、本装置１の、空洞の手前に真空パーティクルモニタ（ダスト量計測手段７）を設けており、スロー排気時及びスローパージ時のダストパーティクルの動きが測定可能である。なお、ここで用いている超伝導加速空洞（ＥＲＬの９ｃｅｌｌ空洞）はすでに空洞内面に超純水による洗浄が行われ、その後、ＩＳＯｃｌａｓｓ４のクリーンルーム内で乾燥し、縦測定で空洞性能が確認済みのもので、内面はクリーンな環境を維持している。また、空洞と真空排気装置１の接続は、ＩＳＯｃｌａｓｓ４のクリーンルーム内で行われ、接続に際しても、空洞外面、接続用のベローズの内面、そしてネジを取り外した際のフランジの穴などすべてにイオンガンにて、粒径０．３μｍレベルのパーティクルが検出されなくなるまでｂｌｏｗするなど、システム内にダストが入らないように作業を行い、接続を行った。測定も、ＩＳＯｃｌａｓｓ４のクリーンルーム内で行っている。もちろん、真空排気装置１内部の清浄度も、接続前に検査して確認済である。

図４が、上記のスロー排気およびスローパージの実験を行った際の、ダスト量計測等の
結果である。図（４Ａ）は、クリスタルイオンゲージ６が示す気体の圧力（絶対圧）Ｐ、及び流量調節器３における流量の測定結果を示すグラフ図であり、図（４Ｂ）は、ダスト量計測手段７におけるダスト量の測定結果を上記の絶対圧とともに示すグラフ図である。本実験では、流量が０．２Ｌ／ｍｉｎで一定のスローなパージを実現している（図（４Ａ）の曲線Ｆｓｐ）。またスロー排気も０．６Ｌ／ｍｉｎでほぼ一定に制御されていることがわかる（図（４Ａ）の曲線Ｆｓｖ）。図（４Ｂ）は同時刻のでのダスト量の測定結果を示している。スローパージ及びスロー排気中でこの流量コントロール下では空洞への塵埃の混入が見られないことがわかった。すなわち、本装置を用いて、超伝導加速空洞への塵埃の混入を防止できていることがわかる。

図（４Ｂ）では、スロー排気時に１００Ｐａ以下になった時点でスロー排気から通常排気に切り替えて、真空排気を行って、その後、１０^-2Ｐａ以下まで到達していることがわかる。本実験ではその後、更に真空を引き続け、１０^-5Ｐａまでの高真空を実現した。なお、このスロー排気時から通常排気への切り替えに際し、塵埃の混入がない結果が図（４Ｂ）のように見られているが、これは後述するように、バルブの開閉速度を制御して、バルブをスローに開閉することで実現している。

図３に示す真空パーティクルモニタ（ダスト量計測手段７）は、レーザー光散乱方式により浮遊するダストの量を計測し、真空中でパーティクルの測定が可能であり、０．３μｍ～３．６μｍの範囲の直径（パーティクルサイズ）を有するダストパーティクルの量を粒子径別に計測することが可能である。本実験では、０．３～０．５μｍ，０．５～１．０μｍ，１．０～２．０μｍ，２．０～３．０μｍ，３．０～３．６μｍ，３．６μｍ以上，の６つの粒子径範囲別に、ダスト量を計測し、いずれの粒子径範囲においても浮遊するダストパーティクルは検出されなかった。

＜３．ダスト混入回避実験の結果（設定流量が変化する場合）＞
次に、流量を変化させながら、図４と同様にしてスローパージ及びスロー排気の実験を行った。図（５Ａ）及び図（５Ｂ）がその結果である。０．１５Ｌ／ｍｉｎの流量からスタートし、１分が経過するごとに０．１５Ｌ／ｍｉｎずつ流量調節器７の設定流量を不連続に増やして流量をコントロールし、スローパージを行った（図（５Ａ）の曲線Ｆｓｐ）。絶対圧Ｐが大気圧近くになり、２．７０Ｌ／ｍｉｎの流量を流していたが、そのときにも空洞へのパーティクルの混入はなかった。また、図示は省略するが、０．２Ｌ／ｍｉｎの流量からスタートし、１分が経過するごとに０．２Ｌ／ｍｉｎずつ流量調節器７の設定流量を不連続に増やしてスローパージを行った場合にも、絶対圧が大気圧近くになっても空洞へのパーティクルの混入はなかった。これらにより、本装置を用いれば、２０分程度の所要時間で、ダストの混入なく、大気圧に到達可能なスローパージの運転ができることがわかった。
次に、上記のスローパージの後、３．０Ｌ／ｍｉｎの流量から始めて、１分が経過するごとに３．０Ｌ／ｍｉｎずつ流量調節器７の設定流量を不連続に増やして流量をコントロールし、スロー排気を行った（図（５Ａ）の曲線Ｆｓｖ）。スロー排気の開始から３分程度で流量が少なくなり、あとは流量が少ないままま、スロー排気を行うこととなったが、この時にもダストが空洞へ入ることはなかった。このままスロー排気を続けて、スロー排気の開始から４５分後に絶対圧が約１００Ｐａ程度になったため、スロー排気のライン（第２の流路Ｆ２）から通常排気のライン（第１の流路Ｆ１）への切替を行った。こうすることでコンダクタンスを稼ぎ、より高真空に到達することができる。この切替は、単にＶ１を開放することで行うことができるが、余分な流れを作らない観点から、本実施形態では、まずバルブＶ２を閉め、その後、Ｖ１を開けることにより行う。このバルブの操作中に、図（５Ｂ）の曲線Ｄに示すように、粒子径０．３～０．５μｍのダストパーティクルのカウントが見られた。０．５μｍ以上の粒子径範囲のダストパーティクルは検出されなかった。このバルブＶ２の閉鎖動作とＶ１の開放動作の所要時間は、いずれも０．１秒程
度の短い時間であった。

＜４．バルブの開閉速度とダスト量の関係（スロー排気時）＞
バルブの操作時に浮遊するダストパーティクルが検出されたため、スロー排気時、及びスローパージ時に、流路を切り替える際、主に操作するバルブの開閉速度を変えたときに、ダスト量検出手段７で検出されるダストパーティクルの量がどう変わるかを実験で調べた。バルブの開度は、弁体の変位を制御する制御電圧をゆっくりと変化させてコントロールした。開閉速度が「遅い」場合には、１分以上の開閉時間をかけてバルブをゆっくりとｏｐｅｎし、若しくは、ｃｌｏｓｅした。開閉速度が「普通」の場合には、１０秒程度の開閉時間でバルブをｏｐｅｎ若しくはｃｌｏｓｅした。開閉速度が「速い」場合には、５秒程度の開閉時間でバルブをｏｐｅｎ若しくはｃｌｏｓｅした。
スロー排気時には、真空時の図３のバルブＶ１について測定を行った。その結果を表１に示す。

Ｖ１をｏｐｅｎする前にはＶ２をｃｌｏｓｅした状態で測定した。また、Ｖ１をｃｌｏｓｅする前にはＶ２をｏｐｅｎした状態で測定した。ダストパーティクルは、開閉速度が「速い」場合で、かつ、粒子径０．３～０．５μｍの範囲のみ検出され、最大３２カウントも見られた。開閉速度が「遅い」場合と「普通」の場合には、ダストパーティクルは検出されなかった。バルブは、Ｖ２はニードルバルブであり、Ｖ２のｏｐｅｎ／ｃｌｏｓｅ時には、開閉速度によらず、ダストパーティクルは検出されなかった。Ｖ１はゲートバルブであり、上記の通り、Ｖ１のｏｐｅｎ／ｃｌｏｓｅ時には、開閉速度が「速い」場合に、ダストパーティクルがカウントされた。スロー排気時には、ダストの混入を防止するために、バルブの開閉速度を「遅い」又は「普通」とすることが必要であり、より好ましくは、「遅い」開閉速度を用いることが望ましい。

＜５．バルブの開閉速度とダスト量の関係（スローパージ時）＞
同様にして、スローパージ時には、大気圧時および真空時の、図３のバルブＶ４及びＶ５について開閉速度を変えてダスト量の測定を行った。その結果を表２及び表３に示す。

表２に示すように、パージ時の、大気圧におけるバルブＶ４，Ｖ５の開閉動作では、開閉速度が「速い」場合で１００個程度、「普通」の場合で１０個程度のダストパーティクルがカウントされたが、「遅い」場合にはダストパーティクルが検出されなかった。ダストパーティクルは、粒子径０．３～０．５μｍの範囲のみ検出された。

表３に示すように、パージ時の、真空状態におけるバルブＶ４，Ｖ５の開閉動作では、開閉速度が「遅い」場合と「普通」の場合にはダストパーティクルが検出されなかったが、「速い」場合には検出された。ダストパーティクルは、粒子径０．３～０．５μｍの範囲のみ検出された。表３に示す真空状態のほうが、表２に示す大気圧状態より、ダストパーティクルが検出されにくいことがわかる。また、真空状態でも大気圧状態でも、開閉速度が「遅い」場合には、ダストパーティクルが検出されなかった。

バルブは、Ｖ４はアングルバルブ、Ｖ５はゲートバルブであり、これらのｏｐｅｎ／ｃｌｏｓｅ時にはいずれも、開閉速度が「速い」場合に、ダストパーティクルがカウントされた。スローパージ時には、ダストの混入を防止するために、バルブの開閉速度を「遅い」又は「普通」とすることが必要であり、より好ましくは、「遅い」開閉速度を用いることが望ましい。

＜６．スローパージの際のディフューザの必要性＞
図６は、前記の真空パーティクルモニタの性能テストの際に計測されたダスト量の測定結果を示すグラフ図である。性能テストにおいては、内容積約３０Ｌの内表面及び外表面を清浄に保った金属容器とＮ２ボンベを直接、フィルターを通さずにステンレス管で接続し、ステンレス管に真空パーティクルモニタを設け、該金属容器内及びステンレス管の内部を真空に引いてから、Ｎ２ボンベの開閉弁をｏｐｅｎして１１０秒間パージを行い、該開閉弁をｃｌｏｓｅした。図６に示すように、粒子径０．２５μｍ以上のパーティクルの合計数として、毎秒５０個以上のカウントが見られている。特に、このパーティクルのカウントが４時間以上も続いていることがわかり、パージ時にダストが混入し、なおかつそれをずっと巻き上げ続けている様子がここではわかる。ダストパーティクルをパージ時（及び真空排気時）に巻き上げないような、スローなバージ（及び真空排気）の必要性はここからきている。なお、本真空排気装置において、パージライン（第３の流路）に２つのディフューザを設けたのは、スローパージ時のダストパーティクルの巻き上げ、浮遊、及
び容器への混入を可能な限り減らすためである。

＜７．本真空排気装置による自動制御と操作画面＞
本発明の一実施形態に係る真空排気装置は、内容積が約３０Ｌである超伝導加速空洞を８個直列に接続してなる容器（内容積が約２４０Ｌ）を自動制御でスロー排気及びスローパージするための装置であり、１２インチのタッチパネルを有する。該タッチバネルに表示される画面は主に、メニュー画面、自動制御画面、手動制御画面、スロー排気流量設定画面、スローパージ流量設定画面、メンテナンス画面、流量制御情報画面、アラームログ画面の８画面から構成される。メニュー画面上に表示された７つのボタンのいずれかにタッチすることにより、他の７つの画面へと移行することができる。

自動制御画面の例を図（７Ａ）に示した。原則として本装置では、安全のため操作スイッチボタンを押しながら、画面に表示された各ボタンを押すことにより、対応する機器の操作ができるのであるが、自動制御画面では、四重極質量分析計につながるバルブＶ８以外の機器を個別に操作することはできない。メニューボタンを押すと、メニュー画面に移行する。ゲージウィンドウは、各真空計（クリスタルイオンゲージＩＧ、キャパシタンスゲージＣＧ、ピラニゲージＰＧ）の計測圧力を表示する。一般にクリスタルイオンゲージＩＧは高真空領域を、キャパシタンスゲージＣＧは中真空領域から低真空領域を、ピラニゲージＰＧは低真空領域以上の領域を計測する。ＭＦＣウィンドウは、各流量調整器（ＭＦＣ、ＭＦＣ２）の計測流量を示す。流量制御ウィンドウには、各制御の開始ボタンが表示されている。各制御は、対応するＩ／Ｌランプが点灯している場合にのみ、開始することが可能である。スロー排気の制御は、Ｉ／Ｌランプが点灯していればスロー排気開始ボタンを押すことにより開始され、制御中は緑点滅し、制御完了時は緑点灯となる。メイン排気（通常排気）の制御は、Ｉ／Ｌランプが点灯していればメイン排気開始ボタンを押すことにより開始され、制御中は緑点滅し、制御完了時は緑点灯となる。スローパージの制御は、Ｉ／Ｌランプが点灯していればスローパージ開始ボタンを押すことにより開始され、制御中は緑点滅し、制御完了時は緑点灯となる。

なお、スロー排気の制御は、容器内が大気圧状態から始めて絶対圧が１００Ｐａ程度となるまで４～７時間かけてスロー排気を行うことを目的とする。また、メイン排気（通常排気）の制御は、スロー排気により容器内が１００Ｐａ程度の絶対圧に達すると自動的に若しくは手動で開始され、制御排気ラインから通常排気ラインに切り替えて、１０^-5Ｐａ程度の絶対圧の高真空状態となるまで真空排気することを目的とする。また、スローパージの制御は、容器内の真空を破ってメンテナンスに入りたいときに開始され、１０^-5Ｐａ程度の絶対圧の高真空状態から始めて大気圧状態となるまで、７時間程度をかけてパージガスを供給することを目的とする。

メニュー画面には、流路が表示され、流路上に各機器の表示ランプが配置されている。ＤＰ（ドライポンプ）については、ＯＮ指示時はＤＰランプが緑点灯し、運転中はＲランプが緑点灯し、トリップ（アラーム）時は、Ｔランプが赤点灯する。ＴＭＰ（ターボ分子ポンプ）については、ＯＮ指示時は、ＴＭＰランプが緑点灯し、定常運転中はＮランプが緑点灯し、加速中はＡランプが黄点滅し、減速中はＤランプが橙点滅し、異常時はＦランプが赤点灯する。Ｖ１～Ｖ８（バルブ）については、ＯＰＥＮ指示時はＶランプが緑点灯し、ＯＰＥＮ信号受信時はＯランプが緑点灯し、ＣＬＯＳＥ信号受信時はＣランプが黄色点灯し、ＯＰＥＮ、ＣＬＯＳＥ信号をどちらも受信していない場合はＯランプ、Ｃランプともに点滅する。ＰＧ、ＩＧ、ＣＧ（真空計）については、セットポイントＬ（ＬＯＷ）ＯＮ時はＬランプが緑点灯し、セットポイントＨ（ＨＩＧＨ）ＯＮ時はＨランプが黄色点灯する。ＭＦＣ、ＭＦＣ２（マスフローコントローラ）については、流量制御中は緑点灯する。各機器の接続パイプについては、真空排気中は、機器を接続しているパイプ図は緑になり、パージガス導入時は、機器を接続しているパイプ図は黄色になる。真空排気とパ
ージガス導入が同時に行われている場合は、パージ優先で黄色になる。なお、本実施形態におけるバルブの符号Ｖ１～Ｖ８は、図３に示した実施形態におけるものとは一致していないので注意されたい。

手動制御画面は、図（７Ａ）に示した自動制御画面と、メニューボタンとゲージウィンドウは共通である。各機器の表示ランプも共通であるが、ＭＦＣウィンドウは少し異なる。手動制御画面は、ＭＦＣ・ＭＦＣ２ウィンドウを有し、ＭＦＣとＭＦＣ２のそれぞれについて、ＰＶ欄とＳＶ欄を有し、ＰＶ欄は現在流量を表示し、
ＳＶ欄は数値表示部をタッチすると、流量設定画面が開く。設定変更後すぐに、設定流量が反映される。設定範囲は、ＭＦＣが０．０～６０ＳＬＭであり、ＭＦＣ２が０．０～３．０ＳＬＭである。各機器を操作したい場合には、安全のため操作スイッチボタンを押しながら、操作したいＤＰ、ＴＭＰ、Ｖ１～Ｖ８ボタンのいずれかを押す。機器のＯＮ時は緑点灯に、ＯＦＦ時はグレー表示になる。

自動制御画面又は手動制御画面において、安全のため操作スイッチを押しながら、操作したいバルブのボタンを押すと、当該バルブのバルブ操作設定画面がポップアップする。バルブ操作設定画面には、当該バルブをｏｐｅｎ／ｃｌｏｓｅするためのｏｐｅｎ／ｃｌｏｓｅボタンに加えて、当該バルブのデフォルトの開閉時間を設定するための開閉時間設定欄が表示される。ここで設定されたデフォルトの開閉時間は例えば、スロー排気又はスローパージの自動制御時に、流路を切り替える際、自動的にｏｐｅｎ／ｃｌｏｓｅされる当該バルブの開閉速度に反映される。

スロー排気流量設定画面の例を図（７Ｂ）に示す。セクションの数については、数値表示部をタッチして、例えば１～１０の範囲で設定する。設定したセクションの数が黄色表示になる。ＳｅｃｔｉｏｎＳＶ（ＳＬＭ）（セクション別設定値）については、各セクションの数値表示部をタッチして、０．０～６０．０ＳＬＭの範囲でＭＦＣの流量を設定する。なお、先頭の黄色表示流量をタッチすると、開始流量を設定できる。継続時間については、各セクションの設定した流量の、継続時間を設定する。最大で９９時間５９分５９秒の設定が可能である。合計時間欄には、各セクションの継続時間の合計時間が表示される。
スローパージ流量設定画面は、図（７Ｂ）に示したスロー排気流量設定画面とほぼ共通であり、ＭＦＣ２の流量設定を行うことができる。

表４は、本実施形態におけるスロー排気制御のフロー表である。スロー排気制御をスタート可能な条件は、（１）ＤＰ，ＴＭＰにアラームが発生していないこと、及び、（２
）ＣＧとＩＧの圧力が同条件であること（大気圧と大気圧、又は、真空と真空）、である。ステップＳＶ５で起動するＤＰは、大気圧から数Ｐａ（絶対圧）まで真空を引く能力を有する。ステップＳＶ７では、ＩＧによる計測圧力が所定の圧力（例えば１００Ｐａ（絶対圧））になったらＴＭＰを自動起動する。

エラー発生時には、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ７をｃｌｏｓｅし、ＭＦＣ及びＭＦＣ２の流量を０に設定し、他の機器は現状を維持する処理を行う。このエラー発生時の処理は、上記のスロー排気制御だけでなく、次に述べるメイン排気制御とスローパージ制御においても行われ、これらの制御に共通である。

表５は、本実施形態におけるメイン排気（通常排気）制御のフロー表である。メイン排気制御をスタート可能な条件は、（１）圧力が所定の圧力（例えば１００Ｐａ（絶対圧））に達してスロー排気が完了していること、（２）ＣＧとＩＧがいずれも真空であること、及び、（３）ＤＰがｒｕｎ、ＴＭＰがｎｏｒｍａｌであること、である。

表６は、本実施形態におけるスローパージ制御のフロー表である。スローパージ制御においては、空洞内にパージガス（Ｎ２）を供給するとともに、好ましくはＴＭＰに背面か
らパージガスを供給する。スローパージ制御をスタート可能な条件は、（１）各バルブにアラームが発生していないこと、である。

本発明の真空排気方法及び装置では、マスフローコントローラにより質量流量をコントロールしながら、スロー排気及び／又はスローパージを行うことで、塵埃を浮遊させず容器への混入を防ぐから、超伝導加速空洞等の容器内をクリーンな環境に保ち、真空空間を形成することが可能である。また、制御排気ラインと通常排気ラインの切替時のバルブの開閉動作もスローに行うことで、塵埃の浮遊を完全に抑制しつつ、高真空まで到達することが可能な真空排気方法及び装置を実現している。更に、これらをシステム化し、質量流量のコントロールやバルブの開閉操作等をすべてを自動で行うことで、熟練者による作業を不要とし、人的ミスによるバルブコントロールミスを回避し、誰でもクリーンな環境を保持した真空排気及びパージを行うことができる。

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲における種々の変形例、設計変更、別の実施例などをその技術的範囲内に包含することは云うまでもない。

本発明は、空間内を排気して真空空間を形成する際に、空間内に残存する塵埃が浮遊することのないように排気を行う方法及び装置の発明である。本発明は、加速器の超伝導加速空洞の排気に応用できる。超伝導加速空洞は、産業上の利用が待望される、エネルギー回収型ライナック（ＥＲＬ）等の放射光源用加速器といった、次世代加速器の重要な構成要素である。また、本発明の方法及び装置は、加速器用の超伝導加速空洞にとどまらず、より一般に、半導体製造工程等で利用される任意の真空空間を形成する際に、空間内に残存するダストが浮遊することのないように排気を行う際にも利用できる。本発明の方法及び装置は、産業上の幅広い利用可能性を有する。

１真空排気装置２容器
２ａ排気ポート３流量調整器
３１第２の流量調整器４排気手段
５制御機構６圧力計測手段
７ダスト量計測手段７１第２のダスト量計測手段
８パージガス供給手段８１ディフューザ
９四重極質量分析計Ｖ１第１の開閉弁
Ｖ２第２の開閉弁
Ｆ０親流路Ｆ１第１の流路
Ｆ２第２の流路Ｆ３第３の流路

Claims

排気ポートを備えた容器に接続され、該容器の内部を真空状態とするための真空排気装置であり、
前記排気ポートにその一端が接続される親流路と、
前記親流路の他端を分岐して、並列に設けられる第１の流路及び第２の流路と、
前記の、第１の流路及び第２の流路を合流して接続される排気手段と、
前記親流路の内部の圧力を計測するための圧力計測手段と、
前記親流路の内部を浮遊するダストの量を粒子径別にリアルタイムで計測するためのダスト量計測手段と、
を有し、
前記第１の流路は、第１の開閉弁を有し、
前記第２の流路は、第２の開閉弁と流量調整器を直列に有し、
前記の、第１の開閉弁、第２の開閉弁、流量調整器、排気手段及びダスト量計測手段の制御を行う制御機構を備え、
該制御機構は、前記圧力計測手段により計測される計測圧力が低真空状態の所定の圧力となるまでの間、第１の開閉弁を閉鎖状態に第２の開閉弁を開放状態に保って、第２の流路を流れる気体の流量を、前記流量調整器を用いて調整し、前記計測圧力が低真空状態の所定の圧力になった後、第２の開閉弁を閉じ、第１の開閉弁を開くことで、前記容器の内部が高真空状態となるように前記制御を行うように構成され、
前記ダスト量計測手段により計測される、粒子径が所定の粒子径以上であるダストの量が、常に検出限界未満であるように、計測圧力と連動した開閉弁の開閉操作の態様、及び／又は、流量調整器により調節される質量流量の時間変化態様の制御を行うことを特徴と
する真空排気装置。
前記制御機構は、前記計測圧力が低真空状態の所定の圧力となるまでの間、前記第２の流路を流れる気体の流量がスロー流量範囲に含まれる一定値であるように、前記流量調整器を制御する請求項１に記載の真空排気装置。
前記制御機構は、前記計測圧力が低真空状態の所定の圧力となるまでの間、どの１分間における、前記第２の流路を流れる気体の流量の変動量も、流量変動量上限値以下であるように、前記流量調整器を制御する請求項１又は２に記載の真空排気装置。
前記制御機構は、前記の第１の開閉弁又は第２の開閉弁の、閉鎖状態からの開放動作又は開放状態からの閉鎖動作を、最小スロー開閉時間以上の時間をかけて完了する請求項１～３のいずれか一項に記載の真空排気装置。
パージガスを前記容器の内部に供給するための第３の流路を有し、
該第３の流路は、第２の流量調整器を有する請求項１～４のいずれか一項に記載の真空排気装置。
前記制御機構は、前記第３の流路を流れる気体の流量がパージ流量範囲に含まれ、かつ、どの１分間における該流量の変動量もパージ流量変動量上限値以下であるように、前記第２の流量調整器の制御を行う請求項５に記載の真空排気装置。
排気ポートを備えた容器の内部を真空状態とするための真空排気方法であり、
前記排気ポートにその一端が接続される親流路と、
前記親流路の他端を分岐して、並列に設けられる第１の流路及び第２の流路と、
前記の、第１の流路及び第２の流路を合流して接続される排気手段と、
前記第１の流路に設けられる第１の開閉弁と、
前記第２の流路に互いに直列に設けられる第２の開閉弁及び流量調整器と、
を設け、
前記親流路の内部の圧力を計測して、計測される圧力である計測圧力が低真空状態の所定の圧力となるまでの間、第１の流路を閉鎖状態に、第２の流路を連通状態に保って、第２の流路を流れる気体の流量を、前記流量調整器を用いて調整し、前記計測圧力が低真空状態の所定の圧力になった後、第２の流路を閉鎖状態にし、第１の流路を連通状態にすることで、前記容器の内部が高真空状態となるように気体の流れの制御を行い、
前記親流路の内部を浮遊するダストの量を粒子径別にリアルタイムで計測し、計測される、粒子径が所定の粒子径以上であるダストの量が、常に検出限界未満であるように、計測圧力と連動した開閉弁の開閉操作の態様、及び／又は、流量調整器により調節される質量流量の時間変化態様の制御を行うことを特徴とする真空排気方法。
前記計測圧力が低真空状態の所定の圧力となるまでの間、前記第２の流路を流れる気体の流量がスロー流量範囲に含まれる一定値であるように、前記流量調整器を制御する請求項７に記載の真空排気方法。
前記計測圧力が低真空状態の所定の圧力となるまでの間、どの１分間における、前記第２の流路を流れる気体の流量の変動量も、流量変動量上限値以下であるように、前記流量調整器を制御する請求項７又は８に記載の真空排気方法。
前記の第１の開閉弁又は第２の開閉弁の、閉鎖状態からの開放動作又は開放状態からの閉鎖動作を、最小スロー開閉時間以上の時間をかけて完了する請求項７～９のいずれか一項に記載の真空排気方法。
パージガスを前記容器の内部に供給するための第３の流路を設け、該第３の流路に第２の流量調整器を設ける請求項７～１０のいずれか一項に記載の真空排気方法。