JPH03100383A - クライオポンプおよび真空排気装置 - Google Patents

クライオポンプおよび真空排気装置

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JPH03100383A
JPH03100383A JP23486089A JP23486089A JPH03100383A JP H03100383 A JPH03100383 A JP H03100383A JP 23486089 A JP23486089 A JP 23486089A JP 23486089 A JP23486089 A JP 23486089A JP H03100383 A JPH03100383 A JP H03100383A
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Shinji Osako
信治 大迫
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) この発明は、極高真空に到達可能としたクライオポンプ
と、該クライオポンプを用いた真空排気装置に関するも
のである。
(従来の技術) 現在、10”Pa以下のいわゆる極高真空を得る排気手
段としては、以下に述べるようなポンプを排気の主ポン
プとして用いる方法が知られている。
(1)  スパッタイオンポンプとチタンゲッターポン
プを組み合わせた方法。
(2)  デイフュージョンポンプとチタンゲッターポ
ンプを組み合わせた方法。
(3)  クライオポンプまたはクライオポンプと上記
の幾つかのポンプを組み合わせた方法。
これらの方法の中で、(3)のクライオポンプによるも
のが排気速度、排気容量の点で最も優れており、将来の
極高真空の実用化にとって最短距離にあるといえる。
(発明が解決しようとする課題) 現在までにクライオポンプによって極高真空を得た報告
は幾つかある。しかしながら、それらのクライオポンプ
は全て液体窒素を冷却(4K)するようにした冷凍機、
またはHe液化機を用いていた。これらの冷凍機または
液化機は構造が複雑であり、運転操作も難しく、また価
格が高いために実用的な極高真空の排気システムを構築
するには不向きである欠点があった。
一方、現在真空工業においては、G−M、ソルベイ、ス
ターリングなどの名称で呼ばれる熱サイクルを応用した
小型冷凍機を用いたクライオポンプが広く用いられてい
る。これらのクライオポンプは、構造が単純で操作が容
易であり、価格も安く、容易に入手ができるが、液体窒
素の到達温度8 が約10にであるのでIQ  Pa程度の超高真空領域
までの排気には用いることが出来てもそれ以下の極高真
空領域には使用できないと一般には考えられていた。
この発明の目的は、上記の問題点を解決し、構造が簡単
で、運転操作も容易であり、かつ安価であると共に、極
高真空領域までの排気が可能なりライオポンプを提供す
ることにある。
又、この発明の他の目的は、前記クライオポンプを用い
て、極高真空領域まで到達できる真空排気装置を提供す
ることにある。
(課題を解決する為の手段) そこでこの発明は、ポンプ容器、更には真空容器の容器
壁およびシール部分におけるガス放出およびリークを低
減することにより、極高真空領域への到達を可能にした
即ちこの発明のクライオポンプは、金属製のポンプ容器
内に、気体を吸着排気する為の冷却面を設置してなるク
ライオポンプにおいて、(1)前記冷却面は、吸着剤が
貼付けられていると共に、G−M、ソルベイ、スターリ
ングなどのサイクル名で知られた、約10に程度の到達
温度の機械式冷凍機と連結されており、 (2)前記ポンプ容器は、真空内露出面が平滑に加工さ
れ、および/または緻密な酸化膜で被覆されており、 (3)前記ポンプ容器のシール面は、金属ガスケットま
たは補助真空構造を介在させたシール構造としてある、 ことを特徴としたものである。
又、この発明の真空排気装置は、前記クライオポンプを
真空容器に接続してあり、 (1)前記真空容器が金属製で構成され、かつ真空内露
出面が平滑に加工され、および/または緻密な酸化膜で
被覆されており、 (2)前記真空容器のシール面は、金属ガスケットまた
は補助真空構造を介在させたシール構造としてある、 ことを特徴としたものである。
前記において、冷却面に貼付けられた吸着剤としては、
活性炭が主として用いられるが、他の低温吸着剤(例え
ばモレキュラーシーブなど)とすることもできる。
又、ポンプ容器および真空容器は、加熱処理などにより
吸蔵ガスが充分に取除かれたアルミニウム合金(例えば
A3052アルミニウム合金)や、ステンレス鋼(例え
ば303304,5US31B)を用いて構成するのが
望ましい。
このようなポンプ容器および真空容器の真空内露出面の
平滑化は、複合電解研磨や電解砥粒研磨などによって超
鏡面に仕上げることが望ましい。
又、前記真空内露出面を緻密な酸化膜で被覆するときは
、アルゴンと酸素の混合ガス又は酸素ガス雰囲気中で加
熱し、真空内露出面に酸化膜を構成させると良い。
次に、ポンプ容器および真空容器のシール面に介在させ
る金属ガスケットとしては、商品名ヘリコツレックス(
ヘリコツレックス社製)と呼ばれる金属製0リングや、
インジウムワイヤーガスケット、或いは無酸素銅板や、
純アルミニウム板で環状に形成されたガスケットを用い
ることができる。又、シール面に補助真空構造を介在さ
せたシール構造とする場合には、ガスケットには金属製
ではなくエラストマーガスケットを用いることができる
が、補助真空部の内側は金属ガスケットとすることが望
ましい。
(作  用) 次に、この発明のクライオポンプが、極高真空領域に到
達できることを説明する。
クライオポンプで排気された真空チャンバー内の圧力P
は、以下の(1)式で表される。
1/2   (+) P−Q/S+Ps (T6/TS) ここで、Qはチャンバー内へのリーク、透過やガス放出
などによる気体侵入流量、Sは排気速度、P は活性炭
上の吸着平衡圧、Tcは排気中のガスの温度、T8は活
性炭の表面温度である。また、(1)式におけるP8は
、Aを吸着熱に関係した定数、Bをガス吸着量に関係し
た定数として、l o gP  −−A/Ts+B  
  (2)と表わすことができる。
(1)式において、圧力Pは真空チャンバー内へ漏れ、
透過或いはガス放出などで気体が侵入して来る流jiQ
と排気速度Sの比で決まる第2項1/2と、活性炭上の
気体の吸着平衡圧で決まる第2項1/2 P  (T  /T  )   との和になっている。
第O9 1項は活性炭の表面温度T8には依存せず一定の値とな
るが、第2項は(2)式に示されるように温度T8に強
く依存する。
(1)式の圧力を、活性炭表面温度T8の逆数の関数と
してグラフに示したものが第4図である。
(1)式において温度が高くなる程、第2項で表される
圧力成分の占める割合が高くなり、第1項は無視できる
ようになる。従って、対数で表した圧力は第4図にAの
記号で示した部分のように直線的に上昇する。
逆に(1)式において温度が下がると、第2項は小さく
なり、温度に無関係に一定な第1項が支配的になる。第
4図では低温側で圧力が一定になっているBで示される
部分がこれに相当する。
以上の考察より、クライオポンプの到達できる圧力はガ
ス放出が大きく、(1)式の第1項が支配的である時に
は温度にはよらない。このような場合には、4にの冷凍
機を用いても、IOKの冷凍機を用いても到達圧力は変
らないと言うことができる。
第5図は、発明者らが測定したクライオポンプ(到達温
度的10にの機械式冷凍機を用いたもの)の温度と圧力
の関係の一例である。第4図と対照すると、(1)式の
第2項の寄与による圧力は、この冷凍機の動作温度であ
る約10Kにおいても、1O−11Paより遥かに低く
なることが予測でき、ガス放出やリークなどチャンバー
内に流入する気体を少なくすれば、圧力に対する(1)
式第1項の寄与が減少して、第2項の寄与のみの値に近
付くので、10”Pa程度の極高真空は、10にの冷凍
機においても充分可能と見込まれる。従って、1o −
11p aおよび1O−12Pa程度の圧力領域におい
ては、4にの冷凍機を用いようと、IOKの冷凍機を用
いようと、到達圧力を決定するのは(1)式の第1項で
あり、到達圧力を下げるには、前記気体侵入流量Qで表
されるガス放出やリーク、透過などポンプ容器内に漏れ
込む気体を少なくすることが本質的であると結論できる
この発明においては、ガス放出を少なくするべく、真空
内露出面が滑らかに加工され、および/または緻密な酸
化膜を表面に、制御された条件にて生成された、金属製
ポンプ容器を用い、ガス放出と大気側からの漏れを極少
とするために、全てのシール部にメタルガスケット又は
補助真空構造を介在させたので、(1)式の第1項の成
分を小さくでき、極高真空領域への到達を可能にできる
。この発明の真空排気装置においても同様である。
(実施例) 第1図(a)において、10がクライオポンプであって
、内部に冷却面11を備えている。前記冷却面11は、
現在真空工業界で最も多く使用されているG−Mサイク
ルの冷凍機12で冷却されるもので、冷凍機12はコン
プレッサーユニット13で駆動されるようになっている
。このクライオポンプ10はHe5H2、Neなどの蒸
気圧の比較的高い気体を低温吸着排気する為に、前記冷
却面11の表面には活性炭11aが貼付けられている。
ポンプ容器14及び真空容器20の大部分はA3052
アルミニウム合金で作られ、真空内露出面は滑らかに加
工された後にアルゴンと酸素の混合ガス中で高温に加熱
することにより緻密な酸化膜で被覆してあり、ガス吸着
が少ない安定な表面となっている。ポンプ容器14、真
空容器20の材料には、5US304や5US316な
どのステンレス鋼を用いることも可能である。表面は複
合電解研磨、電解砥粒研磨などによって超鏡面に仕上げ
て、ガス吸着実行面積を減らし、酸素中で加熱すること
により安定な酸化膜を生成することもガス放出の低減に
は有効である。
ポンプ容器14と真空容器20間、ポンプ容器底部の冷
凍機12の取り付は部、真空容器20に取り付けられた
真空計34や荒引きバルブ31などのフランジ40のシ
ール部には、商品名ヘリコツレックスと呼ばれるメタル
性のOリング44を介在させて緊締しである。前記Oリ
ング44はインジウムワイヤーガスケットまたは無酸素
銅や、純アルミなどの板で作られたメタルシートガスケ
ットとすることもできる。或いは第1図(b)に示すよ
うにフランジ40のシール部に2重にガスケット4L 
42を配置し、内側のガスケット41と外側のガスケッ
ト42の間の空間を補助真空領域45として、該補助真
空領域45を中間排気管43を通じてメカニカルポンプ
50などで補助排気する事により、大気側から高真空側
へのリークや気体の透過を防ぐ構造とすることもてきる
。この場合には、ガスケット41.42は金属製で無く
、エラストマーガスケットとすることもてきるが、ガス
放出を少なくする観点からは内側のガスケット41は金
属製とするのが望ましい。
また、クライオポンプ10の作動時に真空容器20の荒
引き系を遮断する荒引きバルブ31は、金属ガスケット
を用いたメタルシールバブルが使用されている。更に、
クライオポンプ10か室温へ昇温する際の大量の吸着気
体の再放出による内圧の上昇に対して、真空容器20や
ポンプ容器14を破壊から守る為に通常設けられる防爆
弁32も、メタルシールバルブが用いられている。この
メタルシールバルブは薄い金属やガラスなどの隔壁が圧
力上昇時に破壊して内圧を開放するタイプの破壊弁とす
ることもできる。これら防爆弁32や荒引きバルブ31
は、第1図(C)のように弁33の大気側をメカニカル
ポンプ50などの補助ポンプで排気する事によって大気
側からのリークを避ける構造とすることもできる。この
場合には、弁33のシールガスケットは金属製で無くエ
ラストマーガスケットとする事もできるが、ガス放出を
少なくする観点からは金属製のガスケットを用いるのが
望ましい。
真空容器20とクライオポンプ10との間には、場合に
よってはゲートバルブなどの主排気弁30が設けられる
こともある。この主排気弁30の弁体シールは、大気側
からの直接のリークの恐れが無い為、エラストマーガス
ケットを用いることも可能であるが、ガス放出を極少に
するためには、メタルシールが望ましい。また、この主
排気弁の真空内露出表面も、ポンプ容器14や真空容器
20と同様、ガス放出の少ない金属材料を用い、表面に
酸化膜処理などのガス放出低減対策を施すのが望ましい
第2図は第1図(a)に示した実施例における到達圧力
の履歴を示す。排気開始より70日[1に真空リークと
真空計へ流れ込む暗電流が発見され、これらを取り除い
た結果、3から5X10”Paの極高真空が繰り返し得
られた。
第3図は第1図(a)に示した実施例の真空排気装置の
大気圧からの排気特性の典型例を示す。チャンバーを大
気圧迄戻した後、28時間放置し、排気開始して途中1
6時間のベーキングを行い、90時間後に3X10−1
1Paの到達圧力が得られた。
(発明の効果) 以上に説明したように、この発明のクライオポ4゜ ンプおよび真空排気装置によれば、高価で複雑な4にの
冷凍機を用いることなく、現在真空工業で広く使われて
いる小型冷凍機を用いた構成で、10”Pa、或いはそ
れ以下の極高真空領域まで到達可能にできる効果があり
、かつ構造を簡単にして運転操作も容易にできる効果が
ある。
【図面の簡単な説明】
第1図(a)は本発明の実施例の系統図、第1図(b)
はフランジシール部の別の実施例の断面図、第1図(C
)はバルブシールの別の実施例の系統図、第2図は第1
図の実施例における初回排気からの到達圧力の履歴を示
すグラフ、第3図は同じく第1図の実施例における排気
特性の1例を示すグラフ、第4図はクライオポンプの圧
力のクライオ面温度に対しての変化を示す概念図、第5
図は発明者が実測した従来のクライオポンプにおける圧
力のクライオ面温度に対する変化を示すグラフである。 10・・・クライオポンプ 11・・・冷却面     11a・・・活性炭12・
・・G−M冷凍機 13・・・コンプレッサーユニット

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 金属製のポンプ容器内に、気体を吸着排気する為の
    冷却面を設置してなるクライオポンプにおいて、 (1)前記冷却面は、吸着剤が貼付けられていると共に
    、G−M、ソルベイ、スターリングなどのサイクル名で
    知られた、約10K程度の到達温度の機械式冷凍機と連
    結されており、 (2)前記ポンプ容器は、真空内露出面が平滑に加工さ
    れ、および/または緻密な酸化膜で被覆されており、 (3)前記ポンプ容器のシール面は、金属ガスケットま
    たは補助真空構造を介在させたシール構造としてある、 ことを特徴としたクライオポンプ 2 請求項1に記載したクライオポンプを真空容器に接
    続してあり、 (1)前記真空容器が金属製で構成され、かつ真空内露
    出面が平滑に加工され、および/または緻密な酸化膜で
    被覆されており、 (2)前記真空容器のシール面は、金属ガスケットまた
    は補助真空構造を介在させたシール構造としてある、 ことを特徴とした真空排気装置
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003505690A (ja) * 1999-07-27 2003-02-12 インフィコン ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング フォイル漏洩探知室

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JP2003505690A (ja) * 1999-07-27 2003-02-12 インフィコン ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング フォイル漏洩探知室

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