JPS647269Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本考案はターボ分子ポンプを排気手段に用いる
リークデテクタの感度を向上させるための機構に
関する。

［従来の技術］ リークデテクタは、真空容器等の各種試験体に
つきその漏れを調べるためのものであるが、後述
するように、その有効作動域が高真空領域にある
ことから、従来よりその排気手段としてターボ分
子ポンプが一般的に用いられている。

ここにおいてターボ分子ポンプは、通常、ロー
タとこれを囲む円筒状ケーシングとの間に、一端
が吸気口に連通し他端が排気口に連通する環状通
路を形成し、同環状通路に、前記ロータの外周か
ら突設したロータ翼群と前記ケーシングの内周か
ら突設したステーク翼群とを交互に配置して構成
される。そして、このようにして内部に収容され
た翼群は、まず自由運動によつて前記吸気口に入
射される気体分子を初段のロータ翼でたたいて初
段のステータ翼に送り、このステータ翼に当つて
はねかえつた気体分子を次段のロータ翼で更に次
段のステータ翼に当てるという具合に順次圧縮し
て、前記排気口から排出させる排気作用を営むも
のとなる。

第１図は、かかるターボ分子ポンプを利用した
リークデテクタの排気システムを示している。す
なわち、従来の排気システムでは、ターボ分子ポ
ンプ１と補助ポンプ２とを直列に介挿してなる真
空排気系路３の始端を被試験体４内に臨ませてお
き、前記両ポンプ１，２を運転することによつ
て、真空排気系路３内を２×10^-4Torr〜
10^-9Torrの高真空、または超高真空状態にする
ようにしている。そして、この真空排気系路３に
おけるターボ分子ポンプ１よりも前段側にリーク
デテクタを構成する質量分析計管５の被分析ガス
取入口５ａを開口させている。その他、図におい
て６はこの質量分析計５の圧力を測定する真空計
である。そして、この真空計６は２×10^-4Torr
以上の圧力になつたときに質量分析計５のイオン
源のフイラメントへの通電を遮断する保護機能を
有している。また、７は前記真空排気系路３の始
端近傍部に介挿したスロツトルバルブ、８はバル
ブ９を介し前記真空排気系路３のスロツトルバル
ブ７よりも前段部に接続された粗引ポンプであ
る。

しかして、このような構成を具備したものであ
ると、次のようにしてリークテストを行なうこと
ができる。まず、その粗引ポンプ８を用いて大気
圧から１×10^-2Torrの圧力領域まで予備排気を
行なつた後、バルブ９を閉じてスロツトルバルブ
７を開成させる。しかる後、プローブガスである
ヘリウムガスを被試験体４のクラツク状になつた
リーク個所に吹付ける。すると、被試験体４の内
外の圧力差によつて前記ヘリウムガス（以下、プ
ローブガスがヘリウムガスである場合を代表例に
とつて説明をすすめる）がリーク個所を通して被
試験体４内に漏入する。そして、このヘリウムガ
スはスロツトルバルブ７を経由して質量分析計管
５に流入すると同時に、ターボ分子ポンプ１と補
助真空ポンプ２とによつて大気中に排出される。
そして、質量分析計５に流入したヘリウムガス
は、他の気体分子とともにイオン源内で熱電子衝
撃によつて陽イオン化され、周知の磁場偏向形質
量分析計の原理に従い、イオンのｍ／ｅ（ｍ＝気
体の原子質量数、ｅ＝イオンの荷電量）ごとに分
離される。すなわち、ヘリウムリークデテクタの
質量分析計管５は、ｍ／ｅ＝４のヘリウムイオン
のみがイオンコレクタに到達するように設計され
ているので、ヘリウムイオンはここで自由電子を
受け取り元の中性の分子にもどる。その結果、イ
オンコレクタではヘリウムイオン量に比例したい
わゆるイオン電流が得られることとなり、このイ
オン電流を測定することによつてヘリウムガスの
リーク量を察知することができる訳である。

［考案が解決しようとする問題点］ ところで、前記質量分析計５におけるイオン源
での熱電子放射量、即ち、電子電流を一定とする
と、生成ヘリウムイオンの量は、イオン源に入射
するヘリウムガス分子の量、つまり、ヘリウムガ
スの圧力に比例する。従つて、かかる質量分析計
５の個有感度Ｒは、ヘリウムガスの分圧をＰ
（Torr）とし、イオン電流をＩ（Ａ）とすると、 Ｒ＝Ｉ／Ｐ（Ａ／Torr） ……(1) なる式で表わされる。

また、前記質量分析計５は本質的に２×
10^-4Torr以下の圧力、すなわち高真空領域でな
ければ動作しないため、前述のようにターボ分子
ポンプ１を用いて高真空に排気する分けである
が、ここでターボ分子ポンプ１の排気速度をＳ
（ｌ／sec）、ヘリウムガスのリーク量をＱ
（Torr・ｌ／sec）とすると、前述したヘリウム
ガスの分圧Ｐは、 Ｐ＝Ｑ／Ｓ（Torr） ……(2) なる式で表わされる。

したがつて、これらの式(1)，(2)から明らかとな
るように、ヘリウムガスのリーク量Ｑを一定とす
ると、前記排気速度Ｓが小さくなるほど質量分析
計５でのヘリウムガスの分圧Ｐが上昇し、リーク
デテクタの感度が向上する。換言すれば、リーク
デテクタの感度はターボ分子ポンプ１の排気速度
Ｓに支配されることになる。

しかしながら、前記排気速度Ｓを小さくし過ぎ
ると、高真空空間を構成している壁面からの放出
ガスが排気し切れなくなり、質量分析計５部の全
圧が上昇してしまうので、前記排気速度Ｓを無制
限に小さくして感度を向上されるというわけには
いかない。質量分析計５部の全圧が高真空領域を
保つ程度に排気速度を設定する必要が有る訳であ
る。

従つて、質量分析計５の被分析ガス取入口５ａ
を真空排気系路３のターボ分子ポンプ１よりも前
段側に開口させた従来のリークデテクタの感度
は、この点に限界があつた。

［問題点を解決するための手段］ 本考案者は、かかる限界を打破すべく鋭意研究
を重ねた結果、ターボ分子ポンプによる気体分子
圧縮系路の途中に質量分析計の被分析ガス取入口
を開口させ、圧力の高くなつたヘリウムガスを前
記質量分析計へ流入させ得るようにすることによ
つて、リークデテクタの感度を飛躍的に向上させ
ることができることを見出した。しかして、かか
る考えを現実化する方策としては、例えば、ター
ボ分子ポンプのケーシングの中段部に該ケーシン
グの内外を連通させる中間開口部を設け、この中
間開口部に質量分析計の被分析ガス取入口を連着
することが考えられる。しかし、これだけでは、
その中間開口部のコンダクタンスによりロータ・
ステータ翼群の何段かが短絡されるので、ターボ
分子ポンプの機能、すなわち、気体分子の圧縮作
用が低下することとなり、リークデテクタの感度
を理論通り向上させることが難しい問題が残る。

そこで本考案では、被試験体からプローブガス
をターボ分子ポンプで排気するとともに、このプ
ローブガスを質量分析計に導入してそのリリーク
量を定量するようにしたリークデテクタにおい
て、前記ターボ分子ポンプに、翼の長いロータ群
とステータ群とを交互に配列して構成される前段
気体分子圧縮機構と、翼の短いロータ群とステー
タ群とを交互に配列して構成される後段気体分子
圧縮機構とを収容するとともに、両者の間に前記
ロータ群と前記ステータ群とが存在しない自由空
間を設け、この自由空間に連通する中間開口部と
前記質量分析計の被分析ガス取入口とを連通する
ことで、上記の問題点を回避しつつリークデテク
タの感度の飛躍的な改善を可能ならしめている。

［作用］ ターボ分子ポンプでは、その内部を通る気体流
量（圧力×排気速度）が一定であるから、気体分
子圧縮機構により圧力が上昇される排気口側に行
くに従つて、その排気速度を小さくするようロー
タ・ステータ翼の翼長を次第に短くするのが通例
である。しかして、ターボ分子ポンプに上記のよ
うに、翼の長いロータ群とステータ群とを交互に
配列して構成される吸気口側の前段気体分子圧縮
機構（該機構側では圧力が低く排気速度が大きく
なる）と、翼の短いロータ群とステータ群とを交
互に配列して構成される排気口側の後段気体分子
圧縮機構（該機構側では圧力が高く排気速度が小
さくなる）とを収容し、かつ両者の間にロータ群
とステータ群とが共に存在しない自由空間を設け
て、該空間に中間開口部を連通させたものである
と、この中間開口部の存在によりロータ群とステ
ータ群との何段かが短絡されるという不具合がな
い上に、該中間開口部にはターボ分子ポンプの吸
気口側と排気口側との中間的な排気特性が得られ
る。つまり、吸気口側よりも排気速度が小さく、
しかも排気口側に比較して高真空が確保されるこ
とになる。従つて、この中間開口部と質量分析計
の被分析ガス取入口とを連通して、ここからプロ
ーブガスを導入するようにすれば、質量分析計の
作動の前提条件である高真空領域の保持が満足さ
れると同時に、その感度に直結する排気速度の低
下が実現されることになるため、リークデテクタ
の感度を従来より合理的でかつ飛躍的に向上する
ことができる。

［実施例］ 以下、本考案の一実施例につき、第２図、第３
図を参照して説明する。なお、第１図に示した従
来例と同一の部分には同一の記号を付して説明を
省略する。

ターボ分子ポンプ１１と補助真空ポンプ２とを
直列に介挿した真空排気系路３を有してなるリー
クデテクタにおいて、前記ターボ分子ポンプ１１
による気体分子圧縮系路の途中に質量分析計５の
被分析ガス取入口５ａを開口させている。詳述す
れば、ターボ分子ポンプ１１は、第３図に示すよ
うにベースフレーム２１にモータ部２２を支持さ
せ、このモータ部２２の駆動軸２２ａにロータ２
３を固着している。ロータ２３は前記モータ部２
２の上半部を包囲する円筒状のもので、その外周
上段部に、多数枚の翼の長いロータ翼２４ａ…を
円周方向に等角間隔をあけて配列してなる羽根車
状のロータ翼群２４を多段に設けるとともに、外
周下段部に、多数枚の翼の短いロータ翼２５ａ…
を円周方向に等角間隔をあけて配列してなる羽根
車状のロータ翼群２５を多段に設けてある。ま
た、下端部を前記ベースフレーム２１に気密に連
着させて前記ロータ２３を包囲する円筒状のケー
シング２６を設け、このケーシング２６の内周上
段部に、多数枚の翼の長いステータ翼２７ａ…を
円周方向に特角間隔をあけて配列してなるステー
タ翼群２７を、前記ロータ翼群２４，２４間にそ
れぞれ位置させて多段に設けるとともに、内周下
段部に、多数枚の翼の短いステータ翼２８ａ…を
円周方向に等角間隔をあけて配列してなるステー
タ翼群２８を、前記ロータ翼群２５，２５間にそ
れぞれ位置させて多段に設けている。すなわち、
前記ロータ２３と前記ケーシング２６との間に形
成される環状通路２９内の上半部分に、前記ロー
タ翼群２４と前記ステータ翼群２７とを所要段数
交互に配列させてなる前段気体分子圧縮機構３１
を設けるとともに、前記環状通路２９の下半部分
に、前記ロータ翼群２５と前記ステータ翼群２８
とを所要段数交互に配列させてなる後段気体分子
圧縮機構３２を設けている。そして、前記両気体
分子圧縮機構３１，３２間にロータ翼群およびス
テータ翼群が存在しない環状の自由空間３３が形
成されている。

また、前記ケーシング２６の上端開口部を吸気
口３４とするとともに、該ケーシング２６の中段
部分に前記自由空間３３に連通する中間開口部３
５を設けて、さらに、前記ベースフレーム２１に
前記補助真空ポンプ２に連通する排気口３６を設
けている。

そして、前記ロータ翼群２４，２５および前記
ステータ翼群２７，２８の段数は、前記ロータ２
３を高速回転させて、前述したような気体分子の
圧縮作用を営ませた場合に、前記自由空間３３の
部分において、窒素ガスで10⁴〜10⁵、ヘリウムガ
スで10¹〜10³程度の圧縮状態が得られ、前記排気
口３６の部分において、窒素ガスで10⁸、ヘリウ
ムガスで10⁴程度の圧縮状態が得られるように設
定されている。かくして、前記自由空間３３に連
通する中間開口部３５には、前記質量分析計５の
被分析ガス取入口５ａを連着している。

このような構成のものであれば、従来のリーク
デテクタと同様な操作によつてリークテストを行
うことができるが、本考案に係る中間開口部３５
を有するターボ分子ポンプ１１を用いた場合、圧
力の高く（排気速度が小さく）なつた、自由空間
３３内のヘリウムガスを質量分析計５へ導入する
ことができるので、リークデテクタとしての感度
を飛躍的に向上させることができるものである。

より具体的に説明すれば、次のようである。す
なわち、ターボ分子ポンプ１１は補助真空ポンプ
２の到達圧力に一定の支配を受け、仮に補助真空
ポンプ２の到達圧力を１×10^-2Torrとすると、
前記ターボ分子ポンプ１１の吸気口３４で圧縮比
だけ圧力が低下するので、およそ１×10^-10Torr
が全圧での到達圧力となる。したがつて、全圧を
構成するガスをN₂と仮定すると、全圧縮比が
１／２になる点に質量分析計５の分析ガス取入口
５ａを開開口させた場合、ここでの全圧は１×
10^-6Torrになり、質量分析計５が動作するのに
十分な圧力となる。また、この点でのヘリウムガ
スの圧縮比も１／２となるので、吸気口２７部よ
りもヘリウムガスの圧力が10²程上昇する。

しかして、この実施例を第１図に示す従来例と
比較した場合、次のようになる。今、ターボ分子
ポンプ１，１１の排気速度Ｓをそれぞれ100（ｌ／
sec）とし、被試験体４のリーク量Ｑを１×10^-9
（Torr・ｌ／sec）とすると、従来例における質
量分析計５部で得られるヘリウム分圧Ｐは、１×
10^-9（Torr・ｌ／sec）／100（ｌ／sec）＝１×
10^-11（Torr）となる。これに対して、本考案に
基づく実施例では、ターボ分子ポンプ１１の圧縮
作用によつて、質量分析計５に流入するヘリウム
ガスの圧力が10²程上昇する。つまり、この実施
例によると、（１×10^-11）×（１×10²）＝１×10^-9
（Torr）と100倍のヘリウム分圧Ｐが得られるこ
とになる。従つて、従来のものに比べて100倍以
上の高感度を得ることが可能になる。

［考案の効果］ 本考案は、以上のように構成であるから、ロー
タ翼群およびステータ翼群の何段かが短絡される
という不都合を招くことなくターボ分子ポンプに
中間開口部を設けて、この中間開口部からプロー
ブガスを質量分析計の被分析ガス取入口に導入さ
せたことによつて、ターボ分子ポンプを排気手段
とするリークデテクタの感度を飛躍的に向上させ
ることができたものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来例を示すリークデテクタの回路図
である。第２図は本考案の一実施例を示す同回路
図であり、第３図はそのターボ分子ポンプの内部
構造を示す断面図である。 ４……被試験体、５……質量分析計、５ａ……
被分析ガス取入口、１１……ターボ分子ポンプ、
２３……ロータ、２６……ケーシング、２４……
翼の長いロータ翼群、２５……翼の短いロータ翼
群、２７……翼の長いステータ翼群、２８……翼
の短いステータ翼群、２９……環状通路、３１…
…前段気体分子圧縮機構、３２……後段気体分子
圧縮機構、３３……自由空間、３５……中間開口
部。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 被試験体からプローブガスをターボ分子ポンプ
   で排気するとともに、このプローブガスを質量分
   析計に導入してそのリーク量を定量するようにし
   たリークデテクタにおいて、前記ターボ分子ポン
   プに、翼の長いロータ群とステータ群とを交互に
   配列して構成される前段気体分子圧縮機構と、翼
   の短いロータ群とステータ群とを交互に配列して
   構成される後段気体分子圧縮機構とを収容すると
   ともに、両者の間に前記ロータ群と前記ステータ
   群とが存在しない自由空間を設け、この自由空間
   に連通する中間開口部と前記質量分析計の被分析
   ガス取入口とを連通したことを特徴とするリーク
   デテクタの感度向上機構。