JPS6133265Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 産業上の利用分野 本考案はイオンポンプを有する排気装置に関す
る。

従来の技術 超高真空、或いは油蒸気汚染のない清浄真空の
作成に欠く事の出来ないポンプとしてイオンポン
プがある。このイオンポンプの内、例えばスパツ
タイオンポンプでは対向する二枚のチタン陰極
と、その間に小さな中空円筒状セルに区割された
陽極との間に、イオンポンプコントロール用電源
（以後制御電源と称す）から高電圧を印加すると
共に、該両電極組立の外側に配置した永久磁石に
より電場と同一方向に磁場を与え、高真空領域に
まで放電を持続させ、ポンプ室内の圧力を減じて
いる。

このポンプの動作原理は、低圧下において、陰
極陽極間に高電圧を印加すると、冷陰極から電子
が放出されて陽極に引付けられる。この電子は電
界放出電子か宇宙線等によつて発生した電子及び
その電子が陰極表面を衝撃する事によつて発生し
た２次電子で、陽極の空洞内で螺施運動を行な
い、この運動の途中で残留するガス分子と衝突し
てイオンが生成される。そのイオンは陰極面に向
い、陰極表面の原子をスパツタし、同時に、自身
は表面下数原子層まで潜り込む事もある。このス
パツタされた原子は陽極内面或いは反対側の陰極
面に積つて、蒸着膜面を作り、活発なガスと反応
する。

この様に、スパツタリングによつて生成された
蒸着膜と気体の反応、及びイオンの陰極面への潜
り込みと希ガスを含む全気体の埋め込みの２つの
機構によりイオンポンプのポンプ作用が行なわれ
る。

さて、この様なイオンポンプと粗引きポンプ及
び真空負荷等から成る排気装置において、イオン
ポンプを作動させる場合、該イオンポンプが直ぐ
に正常な排気動作に入らない。

それは、イオンポンプが次の様な排気特性を持
つているからである。

イオンポンプは圧力によつて放電モードが変
り、10^-2〜10^-4Torr圧力領域において制御電源か
ら高電圧が印加されると、陽極セル内空間から外
側にまで広がつたグロー放電を起こし、該放電に
よる大電流が流れる。即ち、この圧力領域におい
ては放電は陽極内に集束せず、第１図のスパツタ
イオンポンプの圧力−ポンプ内消費電力特性曲線
Ｃに示す様に、ポンプ内で消費される電力は極大
に達する（この状態を起動段階と称す。）この様
にポンプ内で消費される電力が増えるとポンプ自
体が加熱され、該加熱よりポンプ内が温度上昇
し、その為、陽極、陰極及びポンプ内壁の表面に
吸着していたガスや内に含まれていたガスがポン
プ内部にどんどん出て来る。その為、イオンポン
プ内の真空度が低下してポンプ作用が低下し、こ
の排気量が前記放出されるガスの量に追いつかな
い。従つて、イオンポンプはなかなか正常な排気
動作（該放出ガスが無くなつた状態でのポンプ作
用による排気動作）に移れなくなる。

尚、この起動段階においては、第１図のスパツ
タイオンポンプの圧力−排気速度特性曲線Ａ，圧
力−両電極間（陰極と陽極の間）の印加電圧特性
曲線Ｂに示す様に、ポンプの排気速度が非常に遅
く、又、両電極間に印加される電圧も低い。尚、
前記第１図の特性曲線Ａ，Ｂ，Ｃは排気すべきガ
スの種類によつてもその傾向は変わらない。ここ
で、第１図に示す各特性曲線Ａ，Ｂ，Ｃについて
若干の説明をする。先ず、イオンポンプにおける
圧力に対するポンプ内消費電力の関係については
次の様に説明される。イオンポンプにおける圧力
に対する陽極電圧は通常第４図ａに示す様に、
10^-3以下の圧力領域では一定であるが、10^-3以上
の領域では急激に低下する。又、該圧力に対する
放電電流は通常第４図ｂに示す様に、10^-4以下の
圧力領域では圧力に比例して上昇するが、10^-4以
上の圧力領域では一定となる。従つて、イオンポ
ンプにおける圧力に対するポンプ内消費電力はＣ
に示す様に、10^-3前後の圧力で極大となり、10^-4
以下及び10^-2以上の圧力領域においては下降す
る。又、イオンポンプにおける圧力に対する電極
間の印加電圧の関係については次の様に説明され
る。10^-4以下の圧力領域においては、イオンポン
プ内ではペニング放電が発生しており、放電電流
が小さいので、Ｂに示す様に、制御電源からの高
電圧は余り電圧降下なく両極間に一定の電圧が印
加される。しかし、10^-4以上の圧力領域において
はイオンポンプ内ではグロー放電が発生してお
り、放電電流が大きいので、Ｂに示す様に、制御
電源からの高電圧が大きく電圧降下し両電極間に
印加される。更に、イオンポンプにおける圧力に
対する排気速度の関係については次の様に説明さ
れる。10^-4〜10^-7の圧力領域ではペニング放電が
ポンプ全体で発生しており、スパツタリングが極
めて激しいので、Ａに示す様に、排気速度が最大
となる。10^-8以下の圧力領域ではペニング領域が
弱まるので、スパツタリングも弱まり、Ａに示す
様に排気速度は低下する。10^-4以上の圧力領域に
おいては、グロー放電が発生しており、イオン生
成が低下するので、圧力に見合つた量のガスを排
気出来ないので、Ａに示す様に、排気速度が低下
する。

前述のように、一般にこの様な起動段階におい
ては、上記イオンポンプの排気動作の最中に、上
記ポンプ内の消費電力による加熱によつて、ポン
プの陰極、陽極及び内壁からガスが出てきてしま
う。このガスによりポンプ内のガス圧が高くな
り、イオンポンプ内の圧力が10^-3以上になると、
前記第４図ａに示す様に、陽極電圧が急激に降下
するので、イオンのエネルギーが小さくなり、陰
極等に当るイオンのスパツター作用が低下し、第
１図Ａからも明らかなようにポンプ作用が低下し
てしまう。そこで次に、このような加熱によるガ
スの発生を押えるため、イオンポンプの制御電源
をオフにして両極に印加されている電圧を切り、
イオンポンプの動作を停止させる。そのため、イ
オンポンプは徐々に冷えてき、ポンプ内壁等より
のガスの発生は弱まるため、常時接続している粗
引ポンプによる排気によりイオンポンプ内の圧力
はイオンポンプ作用を回復できる程度にまで低下
する。そこで、次に、再びイオンポンプの制御電
源をオンの状態にし、両極に高電圧を印加して上
記イオンポンプの排気動作を行なわせる。このよ
うにすると、初期の状態においては充分なイオン
ポンプ排気作用により排気が促進されるが、前述
したようにポンプ内の消費電力によりポンプ内が
徐々に昇温するため、再度ポンプ内壁等よりのガ
スの発生が多くなるため、イオンポンプ内の圧力
が10^-3Torr以上に上がつて来たら、イオンポン
プの制御電源をオフの状態にし、ポンプの温度を
下げ、再度ポンプ作用を回復させる。

この様な、一連の動作を繰り返すと、回を重ね
る毎に、脱ガス量が少なくなり、逐には、イオン
ポンプの排気量が該脱ガス量より多くなる。そし
て、脱ガスが無くなり、イオンポンプは正常な排
気動作に入る。

該正常な排気動作に入る時期に来ると、ポンプ
内の圧力が10^-4Torrとなり、放電状態がグロー
放電からペニング放電へと移る。そして、排気が
進み圧力が10^-4〜10^-7Torrになると、陽極電圧は
最大値に達し、放電は安定し、陽極セル全体でペ
ニング放電が起こる為、スパツタリングは激しく
起こり、排気速度は第１図の圧力−排気速度特性
曲線Ａに示す様に、最大となる。又、この圧力領
域では、第１図の圧力−両電極間の印加電圧特性
曲線Ｂに示す様に両電極間に印加される電圧も高
くなる。尚、ポンプの圧力が10^-8以下に達する
と、ペニング放電が弱まり、排気速度は低下す
る。

考案が解決しようとする問題点 さて、上記した様な一連の動作を、操作者がイ
オンポンプの加熱の度合を観察しつつ制御電源を
オン・オフする操作は、極めて厄介で、又、人為
的な操作なので、画一的操作が出来なく、過熱に
より磁石の損傷等の不慮事故を起こす事がある。

本考案はこの様な欠点を解決し、新規な排気装
置を提供する事を目的としたものである。

問題点を解決するための手段 そこで、本案は、イオンポンプに温度検出器を
取り付け、該温度検出器からの温度信号に応じ
て、該イオンポンプ内の温度がポンプ自体が充分
脱ガスされ且つ過熱により装置が損傷しない程度
の第１設定値に達した時前記高圧電源をオフに
し、該オフ後該イオンポンプ内の温度が前記第１
設定値より小さい第２設定値に達した時に前記高
圧電源をオンにする制御手段を設け、該制御手段
により該オフ・オンの一連の動作を複数回繰り返
す様に構成した。

実施例 第２図は本考案の一実施例を示し排気装置の概
略図で、図中１は被排気系９の排気を行なうスパ
ツタイオンポンプの如きイオンポンプで、第３図
に示す様に、対向する二枚のチタン陰極２ａ，２
ｂと、その間に小さな中空円筒状セルに区割され
た陽極３を有し、該陽極と前記各陰極間にはイオ
ンポンプをコントロールする為の制御電源４から
高電圧が印加されており、又、該両電極組立体の
外側には電場と同一方向に磁場を印加し得る様に
永久磁石５が配置されている。該イオンポンプの
適当な場所に、イオンポンプ内の温度を検出する
温度検出器６が取り付けられており、該検出器か
らの温度に応じた信号は前記制御電源４に供給さ
れる。７は粗引きポンプで、バルブ８を介して前
記被排気系９の粗引きを行なう。

この様な排気装置において、予め、実験によ
り、起動段階において、制御電源４をオンの状態
にして高電圧を陽極３と陰極２ａ，２ｂ間に印加
し、イオンポンプ内の消費電力により該イオンポ
ンプを加熱する。この電源がオンの状態にある時
に、該イオンポンプが充分脱ガスされ、而も、過
熱により装置が損傷しない程度の温度（例えば
100℃）に達したらその温度を測定しておく。こ
の場合の装置の損傷とは、イオンポンプ内が100
℃程度になると、イオンポンプ内にガスが充満し
ているので、ポンプ内壁や両電極表面にガスの酸
化物が付着し（即ち、ポンプ内壁や両電極表面の
劣化）、ポンプ内壁にはガスが吸着し易くなり、
又、スパツタ作用が低下する事である。そして直
ぐ前記制御電源４をオフの状態にする。このオフ
の状態にある時に、該ポンプ内の温度は下がつて
来るが、該電源を再びオンしても、すぐには前記
温度（100℃）迄には昇温しそうにない程度迄ポ
ンプが冷えた段階でその温度値（例えば80℃）を
測定しておく。

そして、前記電源４をオンの状態にしている時
に達するポンプの温度を第１の設定温度、オフの
状態にしている時に達するポンプの温度を第２の
設定温度とし、温度検出器６からの温度信号が第
１の設定温度に達した時、該制御電源４がオフさ
れ、該温度検出器６からの温度信号が第２の設定
温度に達した時、該制御電源４がオンされる様に
該制御電源４を設定する。

さて、被排気系９の圧力が10^-2Torr迄は粗引
きポンプ７により排気する。そして、被排気系９
の圧力が10^-2Torrに達すると、イオンポンプ１
の陽極３と各陰極２ａ，２ｂの間に制御電源４か
ら高電圧を印加する。そうすると、前記した様
に、スパツタリングによつて生成された蒸着膜と
気体の反応、及びイオンの陰極面への潜り込みと
希ガスを含む全気体の埋め込みの２つの機構によ
るポンプ作用によりイオンポンプ内で排気動作が
行なわれるが、その間、該ポンプ内で消費されれ
る電力により該ポンプ内が加熱され、該加熱によ
りポンプ内壁，陽極３，陰極１ａ，１ｂの表面及
び内部からガスが盛んに放出される。この際、イ
オンポンプ内が相当の高温となり、該ポンプが過
熱される段階へ進み、第１の設定温度（100℃）
に達すると、温度検出器６は該温度をキヤツチ
し、制御電源４をオフする様なシグナルを該電源
に供給する。該電源がオフされている間に、イオ
ンポンプ内の温度が下がつて行き（イオンポンプ
が冷えて来て）該ポンプ内の温度が第２の設定温
度（80℃）に達すると、温度検出器６が該温度を
キヤツチし、制御電源４をオンする様なシグナル
を該電源に供給する。該オンにより、前記した様
にイオンポンプ内でイオンポンプのポンプ作用に
よる排気動作が行なわれるが、その間、該ポンプ
内で消費される電力により該ポンプ内が加熱さ
れ、該加熱により前記した様なガス放出が行なわ
れる。該ポンプの加熱中に該ポンプ内の温度が第
１設定温度に達すると、前記の様に温度検出器６
の信号により制御電源はオフの状態となる。そし
て、該ポンプの温度が下がつて来て、第２の設定
温度に達すると、温度検出器６の信号により制御
電源はオンの状態となる。而して、この様な制御
電源のオンオフによる動作を繰り返して行くと、
制御電源４をオンの状態の時に、放出ガスの量が
イオンポンプのポンプ作用による排気量より少な
くなり、逐には放出ガスがなくなる。この様な動
作により、ポンプ内の圧力が10^-4Torrを越えて
低くなり、前記第１図に示す様に、ポンプ内で消
費される電力が低下してポンプが過熱される可能
性が無くなる。又、両電極間に印加される電圧が
高くなり、そして、ポンプ内の排気速度も高くな
り、イオンポンプは完全に正常な排気動作に入
る。

考案の効果 本考案は人為的ではなく、温度検出器からの信
号に基づいて制御電源を自動的にコントロールし
ているので、労力が少なくて済み、又、画一的操
作が出来、過熱による装置の損傷等の不慮の事故
を防止出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図はスパツタイオンポンプの典型的圧力−
排気速度、圧力−両電極間の印加電圧、圧力−ポ
ンプ内消費電力特性曲線を表す図、第２図は本考
案の一実施例を示す排気装置、第３図はスパツタ
イオンポンプの概略図、第４図ａ，ｂは夫々イオ
ンポンプの圧力に対する陽極電圧、放電電流の関
係を示した図である。 １：イオンポンプ、４：制御電源、６：温度検
出器、９：被排気系。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 高圧電源によつて制御されるイオンポンプによ
   り被排気系を排気する装置において、前記イオン
   ポンプに温度検出器を取り付け、該温度検出器か
   らの温度信号に応じて、該イオンポンプ内の温度
   がポンプ自体が充分脱ガスされ且つ過熱により装
   置が損傷しない程度の第１設定値に達した時前記
   高圧電源をオフにし、該オフ後該イオンポンプ内
   の温度が前記第１設定値より小さい第２設定値に
   達した時前記高圧電源をオンにする制御装置を設
   け、該制御装置により該オフ・オンの一連の動作
   を複数回繰り返す様に構成した事を特徴とする排
   気装置。