JPH1186777A

JPH1186777A - イオンポンプ

Info

Publication number: JPH1186777A
Application number: JP24434497A
Authority: JP
Inventors: Akinari Kasai; 昭成葛西; Fumio Watanabe; 文夫渡辺
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-09-09
Filing date: 1997-09-09
Publication date: 1999-03-30
Anticipated expiration: 2017-09-09
Also published as: JP3750767B2

Abstract

(57)【要約】【目的】不活性ガスに対する排気速度を増大し、活性
ガスと不活性ガス種の違いによる排気速度の差違を縮小
するとともに、低圧の超高真空における排気速度の低下
を防止し、低圧状態における再放出を抑えて、更に排気
後において陰極内部に溶解している排気分子を再放出さ
せて再生できるイオンポンプを提供する。【構成】真空中に残留する気体分子又は原子が、電子
の衝突によってイオン化され、このイオンが、陽極と陰
極の２極間に印加した電界の作用により加速されて前記
陰極表面に衝突して捕捉されることにより、真空中に残
留する気体分子又は原子の数を減じるイオンポンプにお
いて、前記加速電界の有無に拘らず、陰極材料自体に溶
解している水素原子又は炭素原子の熱拡散による表面酸
化物の還元除去と、前記捕捉気体イオンの陰極内部への
熱拡散及び真空中への再放出とを促進するための５００
℃以上の陰極昇温を行う手段を備えたイオンポンプであ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、真空中に残留する
気体分子又は原子を電子の衝突でイオン化し、該発生イ
オンを陰極と陽極の２極間に印加した電界の働きによっ
て加速して陰極表面に衝突させて捕捉することにより、
残留気体分子又は原子数を減じる構成のスパッターイオ
ンポンプ及びこれに類するイオンポンプに関する。

【０００２】

【従来の技術】電気的なコントロールだけで運転できる
イオンポンプは、超高真空、あるいは油汚染のない清浄
真空の作成には欠くことのできない真空ポンプとして広
く普及している。しかし、従来においては、真空中の残
留気体分子又は原子をイオン化し、このイオンを積極的
にポンピングするだけのイオンポンプはまだ現われてお
らず、現在入手できるイオンポンプはイオン衝撃時のス
パッター作用の２次現象を利用するスパッターイオンポ
ンプである。

【０００３】このスパッターイオンポンプは、その発明
者にちなんで名付けられたペニングセルで構成されてい
る。このセルは二つの平行な陰極とそれらの中間に置か
れた円筒状陽極とから成り、陽極の軸は陰極の平行面に
垂直である。数キロボルトの電界が陽極と陰極との間に
加えられ、キロガウス程度の磁界が陽極軸の方向に加え
られた放電によってポンプ作用が持続される。放電によ
って発生した電子は、円筒内の電界と磁界で形成される
ポテンシャルの谷間にトラップされ、螺旋運動をしなが
ら残留気体分子を効率良くイオン化する。残留気体分子
の排気は、発生イオンを電界の作用によって加速して陰
極に叩き込む（１）イオン注入作用と、イオン衝突時の
スパッターされた陰極材料原子により電極及びその周辺
に形成される新鮮な金属膜に、活性気体が吸着する
（２）化学吸着作用と、さらにはスパッターリングによ
って発生した中性破片分子と原子の巻き込み効果によっ
て気体分子を固体中に埋め込めこむ（３）堆積作用の３
つの作用によって排気されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前記従来の排
気作用において、（１）のイオン注入作用によって排気
されると、陰極上で先に埋め込まれたガス分子が、スパ
ッターの進行と共に再び表面に現れて再放出されてしま
うため、一時的に安定な捕捉にすぎないという問題を生
じる。

【０００５】この問題を解消するため、スパッターイオ
ンポンプの主な排気は、（２）化学吸着作用によって行
われている。（２）化学吸着作用による排気を行うため
に、陰極の材料として、真空中に残留する代表的なガス
分子、水素、メタン、水、窒素、一酸化炭素、酸素、二
酸化炭素を、水素化物、酸化物、窒化物、炭化物などの
化合物の形で陰極に化学吸着して固定することのできる
チタン金属等が用いられている。

【０００６】また、化学的に不活性なヘリウムやアルゴ
ンガスは主に、（３）堆積効果によって排気されてい
る。

【０００７】しかし、不活性ガスに対する排気速度は、
（２）化学吸着作用によって排気される窒素や酸素の排
気速度の１〜２％程度であり、この点は、イオンポンプ
の最大の欠点となっている。

【０００８】このような不活性ガスに対する排気速度が
小さいという問題を解決するために、（３）堆積効果を
増して不活性ガスに対する排気速度を増大させる方法が
試みられている。その方法の１つとして、陰極に凸凹を
形成し、イオンのスパッター効率を向上させて堆積速度
を増して再放出を防ぐ方法があげられる。

【０００９】また、２つ目の方法として、陰極をハネカ
ム格子状とし、また、前記陰極の裏側に中性スパッター
原子を堆積させる新たなコレクターを加えた３極構造と
し、エネルギーの高いイオンを減速させて、コレクター
を高速イオンが衝撃しないようにして再放出を防ぐ方法
があげられる。

【００１０】しかし、前述したような方法では、陰極の
構造が複雑となり、磁場の方向の深さが大きくなるの
で、より強い磁石が要求されるようになり、装置全体が
大型化して、装置のライフサイクルも短くなり、コスト
の増大を招くという問題を生じている。

【００１１】また、スパッターイオンポンプは、スパッ
ター収率の高いアルゴンガス等の高質量原子の分圧が高
い状態においてその効果が発揮できるのであって、圧力
が低くなってスパッター原子が少なくなった状態では、
排気速度は著しく低下するという問題を有する。特にヘ
リウムや水素の様な軽い原子又は分子の場合は、スパッ
ター収率が非常に小さく、前記原子又は分子自体も後方
散乱されやすいので、超高真空領域での排気速度は極端
に小さくなり、逆に低真空状態で排気したガスを再放出
するガス放出源となってしまう。

【００１２】一方、（１）のイオン注入作用による排気
は、従来において以下のような問題点を生じている。

【００１３】一般に、真空ポンプは、たびたび大気に曝
され、このときの大気中の活性な酸素が優先的に陰極表
面に化学的に吸着することによって、陰極表面は厚い酸
化層に被われる。この酸化層の厚さは、曝される時間、
湿度及び温度によって異なるが、１００オングストロー
ム以上に達する場合がある。

【００１４】前記酸化層は、水の吸着性が非常に高く、
かなりポーラスなため、大気中に存在するアルゴンや炭
化水素系なども同時に陰極表面に吸着される。

【００１５】例えば、従来において、イオンポンプから
の放出ガスを少なくするために、ポンプを含む真空装置
全体のベークが行われる。通常の排気を行うための２０
０℃〜４５０℃程度のベークを行うと、陰極表面に物理
吸着されている結合の弱いガス分子は、簡単に陰極から
脱離する。しかし、化学吸着によって陰極表面に形成さ
れた酸化膜は、４５０℃以下の低温のベークではイオン
ポンプから除去されず、逆に表面が緻密で強硬な酸化膜
に変質してしまう。そして、変質の過程で酸化層に取り
込まれた炭化水素は、炭化物などの形で陰極表面に残る
ことになる。

【００１６】また、数キロボルトで加速されたイオンが
固体表面に侵入できる深さは、せいぜい数１０オングス
トロームであるから、スパッターイオンポンプスタート
時の（１）イオン注入作用による排気は、この酸化層に
対して行われることになる。ところが、酸化層のガス溶
解度は、金属等に比べて１／１００〜１／１０００（岩
波書店「超高真空の物理」９８〜１００頁参照）と桁違
に小さいため、（１）イオン注入作用によって排気され
る気体分子は、即ち、酸化層に溶解できるガス量は、非
常に小さいこととなり、直ちに飽和値に達してガスの再
放出が起こるため、イオンポンプの排気速度はたちまち
低下するという問題を生じる。

【００１７】また、（１）イオン注入作用の場合は、イ
オン注入と同時にイオン衝撃によって、酸化膜の一部が
破壊されるので、イオンを含む化学吸着性の非常に高い
ラジカル破片分子が立体角１８０゜でセル内に飛散し、
周辺を汚染して真空悪化を起こすという問題を生じる。
これらの破片分子は、セル内で再びイオン化されて加速
し、陰極を再びスパッターし、同時に発生する中性ラジ
カル種とともに陰極表面を再酸化する。

【００１８】前述したスパッターによる酸化層破壊及び
再酸化の同時進行と共に、セル中心部の陰極酸化膜は、
除々に薄くなり、陰極の金属原子自体がスパッターされ
るようになる。

【００１９】そして、この状態に達して初めてスパッタ
ーイオンポンプが、本来の（２）に示す化学吸着作用に
よる排気が開始される。

【００２０】このため、以下に記載するような種々の問
題点が生じることになる。

【００２１】第１にスパッター開始時に多量の有害ガス
が真空チャンバー内に排出されるので、真空装置が汚染
される。

【００２２】第２にセルの中心部以外の陰極表面は、酸
化物が残った状態なので（２）化学吸着による排気は全
くおこらず、たとえ、不活性ガスがイオン注入されたと
しても酸化層であるため、溶解量は桁違いに小さい。

【００２３】第３にセルの中心からスパッターされた金
属原子だけが（２）化学吸着作用による排気に寄与でき
るが、中心部の酸化物の破壊が終わって汚染ガス分子数
が減った状態では、セル内の真空が良くなった状態であ
るから、スパッターされる陰極金属原子数も少なくな
り、真空装置内の残留気体分子に対する排気速度が低下
する。

【００２４】第４に純金属のみのスパッターが起こるの
は、セルの中心部だけなので、この部分の金属消耗が大
きくなり、浸食が進むと穴が開いてしまうため、陰極材
料の板厚を１ｍｍ以上厚くしなければならない。陰極材
料の板厚を１ｍｍ以上に厚くすると、陰極材料の利用効
率は、非常に悪くなり、また、ガス源にもなるという問
題を生じる。

【００２５】第５にアルゴンやヘリウムなどの不活性ガ
スは、この酸化物破壊と再吸着酸化の同時進行によっ
て、破片分子間に取り込まれた時の（３）堆積効果によ
って排気されることとなるため、スパッターによる酸化
物破壊が終わった状態だと、（３）堆積効果による不活
性ガスに対する排気速度は極端に小さくなる。

【００２６】第６に、（３）堆積効果によって排気され
たアルゴンやヘリウムなどの不活性ガスは、陰極の縁及
び陽極表面等のイオンの飛来しないセル内部に、スパッ
ター中性破片分子間に挟み込まれた状態で捕捉される。
スパッターが起こりやすい金属、また、スパッターを起
こしやすくした凸凹陰極やハネカム格子状陰極の３極構
造等なども、不活性ガスを分子間に挟み込む状態で捕捉
しているにすぎない。このため、凸凹陰極等の構造は、
不活性ガスに対する捕捉力が弱く、わずかな温度上昇で
も捕捉分子が固体表面を離れてしまい、不活性ガスの再
放出が起こりやすい。

【００２７】第７に、圧力が低下した状態での不活性ガ
スに残された唯一の排気作用は、（１）イオン注入によ
る排気であるが、ほとんどの陰極表面は、ガス溶解度が
桁違いに小さい酸化層で被われており、ガス溶解度の大
きい金属露出面がセルの中心部だけであり、さらに、こ
の部分は、最もイオン衝撃によるガスの再放出が起こり
やすいところであるから、圧力が低くなって超高真空領
域に達すると、不活性ガスに対する排気速度がゼロにな
ってしまう。

【００２８】このように、従来のスパッターイオンポン
プは真空が良くなるに従って排気速度の低下を招き、超
高真空では、不活性ガスに対する排気速度が低下し、ほ
とんどなくなってしまうという欠陥を有する。

【００２９】これは、イオンポンプ内に存在するイオン
化したイオン原子又は分子を（１）イオン注入作用によ
って直接陰極の金属内部に排気するのではなく、イオン
衝撃によってスパッターされた原子の（２）化学吸着作
用と、（３）堆積作用の２次現象による排気作用に頼っ
ているためであると考えられる。

【００３０】また、（１）イオン注入作用による陰極の
金属への排気をほとんど不可能としている最大の要因
は、イオンポンプの陰極材料表面が酸化膜で被われてい
ることであると考えられる。

【００３１】そこで、本発明は、前記問題点に鑑みて、
ポンプスタート時に汚染スパッター破片分子の発生を防
止し、残留気体分子又は原子とスパッター原子との化学
結合による（２）化学吸着作用及び（３）堆積作用によ
る不活性ガスの陰極への捕捉を抑えるとともに、陰極表
面の酸化物除去・表面不純物濃度低下手段を備えること
により、イオン原子及びイオン分子を陰極の内部に直接
注入し、溶解及び拡散する機能を増大して、不活性ガス
に対する排気速度を向上し、活性ガスと不活性ガス種の
違いによる排気速度の差違を縮小して、低圧の超高真空
における排気速度の低下を改善したイオンポンプを提供
することを目的とする。

【００３２】

【課題を解決するための手段】本願第１請求項に記載し
た発明は、真空中に残留する気体分子又は原子が、電子
の衝突によってイオン化され、この発生したイオンが、
陽極と陰極の２極間に印加した電界の作用により加速さ
れて前記陰極表面に衝突して捕捉されることによって、
真空中に残留する気体分子又は原子の数を減じるイオン
ポンプにおいて、印加による加速電界の有無に拘らず、
前記陰極表面の酸化物を除去する手段であるとともに、
前記イオンポンプ作動中及び作動後の捕捉気体イオンに
よる表面不純物濃度の低下する手段でもある酸化物除去
・表面不純物濃度低下手段を備えた構成のイオンポンプ
である。

【００３３】このように本発明のイオンポンプは、印加
された加速電界の有無に拘らず、陰極表面に形成された
酸化物を除去する手段を備えているので、ポンプを大気
に曝した後にポンプを作動させる場合であっても、前も
って陰極表面の酸化物を除去して陰極の金属表面を露出
させることができるため、加速電圧を印加することによ
り残留する気体分子又は原子をイオン化し、金属表面に
直接前記イオンを注入することができる。このため、従
来のように、イオン注入時の酸化物破壊によるスパッタ
ー破片分子の発生を防止することができ、真空悪化と周
辺汚染を防止することができる。

【００３４】また、表面酸化物の除去が、従来のように
陰極の中心だけでなく、陰極全領域に拡大することがで
きるので、気体溶解度が酸化物に比べて桁違いに大きい
金属内部にイオンを注入し、拡散することができ、排気
速度を飛躍的に増大することができる。

【００３５】本願第２請求項に記載した発明は、前記請
求項１に記載した発明において、前記陰極表面における
酸化物除去・表面不純物濃度低下手段は、陰極材料自体
に溶解している水素原子又は炭素原子の熱拡散の促進に
よる表面酸化物の還元と、前記捕捉気体イオンの陰極内
部への熱拡散及び真空中への再放出とを促進するための
５００℃以上の陰極昇温を行う手段である構成のイオン
ポンプである。

【００３６】このように、陰極を５００℃以上に昇温す
ることにより、陰極材料自体に溶解している水素又は炭
素の原子が熱拡散され、陰極表面酸化物と反応して陰極
表面酸化物の分解又は還元が促進され、前記陰極表面酸
化物を除去することができる。

【００３７】この場合の分解反応又は還元反応は、陰極
材料自体に溶解している水素又は炭素の原子と酸化物と
の静かな反応であるため、反応が促進しても、水又は一
酸化炭素が発生するのみであり、従来のような、ラジカ
ルなスパッターによる破片分子の発生をなくし、セル周
辺の汚染を防止することができる。

【００３８】また、陰極を５００℃以上に昇温すること
により、水素又は炭素の原子及びイオン注入された気体
原子の金属内部での熱拡散が活発となるため、イオン注
入によって排気できる不活性ガス量を、従来の方法と比
較して桁違いに大きくすることができる。

【００３９】本願第３請求項に記載した発明は、前記請
求項１又は２に記載した発明において、前記５００℃以
上の陰極昇温を行う手段は、陰極自体の電気抵抗発熱を
用いる手段である構成のイオンポンプである。

【００４０】このように、陰極昇温手段として、陰極自
体に接続された加熱電源による電気抵抗発熱を用いる
と、イオンポンプの構造を複雑にすることなく、簡易な
構造を用いて５００℃以上の陰極昇温が可能となる。

【００４１】本願第４請求項に記載した発明は、前記請
求項１乃至３いずれか記載の発明において、前記陰極自
体の電気抵抗発熱手段は、複数の陰極を直列に接続して
形成した接続陰極の開放両端に接続した加熱電源からの
通電による一斉発熱を用いる手段である構成のイオンポ
ンプである。

【００４２】このように、複数の陰極を用いる場合は、
各陰極を直列に接続した接続陰極を用いることにより、
該接続陰極の開放両端からの通電加熱によって、陰極を
発熱させることができるので、陰極が多くなった場合で
も、通電用の同一電流規格の真空端子をポンプ壁に１本
ないし２本増設するだけで一斉に通電することができ、
簡易な構造を用いて陰極昇温の目的を達成することがで
きる。

【００４３】本願第５請求項に記載した発明は、前記請
求項１乃至４いずれか記載の発明において、前記陰極
は、前記陽極の略断面に近似する平面形状であり、厚さ
０．１ｍｍ以下の板状に形成されている構成のイオンポ
ンプである。

【００４４】このように陰極が、厚さ０．１ｍｍ以下の
薄板状に形成されていると、抵抗を大きくできるので、
少ない電流で５００℃以上の高温に加熱することが容易
となる。

【００４５】本願第６請求項に記載した発明は、前記請
求項１乃至５いずれか記載の発明において、前記陰極
は、室温における水素ガス溶解度が１．０［ｃｍ²（Ｓ
ＴＰ）ｃｍ^-1ａｔｍ^-1］以上で、かつ５ＫｅＶのアルゴ
ンイオンによるスパッター収率が２．０以下のニオブ、
タンタル、ジルコニウム、ハフニウムの単体金属及びそ
れらの金属を含有する合金を用いて形成されている構成
のイオンポンプである。

【００４６】このように、水素ガス溶解度の高いタンタ
ル、ジルコニウム、ニオブ、ハフニウム等の単体金属及
びそれらの金属を含有する合金を用いて陰極が形成され
ていると、前記各金属は、金属内部に溶解されている水
素量が多いため、昇温によって容易にそれらの水素原子
が陰極表面に拡散して、表面酸化物を還元し、水分子と
して酸化物を真空中に放出させることができ、その後の
イオン注入作用を向上することができる。

【００４７】また、前記水素の溶解度が大きい金属は、
アルゴンやヘリウムガスが溶解する溶解度も大きい傾向
にあるので、多量の排気ガスを吸収することができる。

【００４８】更に、前記水素の溶解度が大きい金属は、
スパッター収率も小さい傾向にあるので、陰極の中心部
だけが浸食される割合が小さくなり、陰極の板厚を薄く
形成することが可能となり、本願第５請求項に記載した
ように陰極を厚さ０．１ｍｍ以下の薄板状に形成するこ
とも可能となる。また、スパッターされた原子による堆
積効果によって、弱い捕捉力で捕捉される不活性ガスの
割合を低減することができる。

【００４９】本願第７請求項に記載した発明は、前記請
求項１記載の発明において、前記陰極表面の酸化物除去
・表面不純物濃度低下手段は、前記陰極にα、β、γ、
Ｘ線等の放射線、又は、マイクロ波やレーザー光などの
電磁波の照射を用いた手段である構成のイオンポンプで
ある。

【００５０】例えば、粒子加速器などに使われる分布型
のイオンポンプの場合は、加速器自身が発生する強力な
放射Ｘ線を利用し、この放射Ｘ線の一部を陰極に反射誘
導することによって、陰極に溶解している水素又は炭素
の原子を熱拡散させて表面の酸化物を除去することがで
き、また、陰極表面の排気原子を陰極内部に熱拡散させ
ることにより不純物濃度を低下することが可能となる。

【００５１】

【発明の実施の形態】以下に本発明の具体例を図面を参
照しながら、詳細に説明する。

【００５２】図１は、本発明の具体例に係り、イオンポ
ンプの概略構成図を示す。

【００５３】図１に示すように、本例にイオンポンプ２
１は、３連のペニングセルを並べて形成されている。イ
オンポンプ２１の陽極２２は、金属性の円筒Ａ1，Ａ2，
Ａ3の３個の陽極２２の円周同士を互いに溶接して一体
化した３連陽極で、真空端子２３を通じて真空外に配置
された高圧電源Ｅ1のプラス側に接続されている。

【００５４】また、イオンポンプ２１の陰極２４は、水
素溶解性が高く、また、高融点の金属性円盤で、１セル
につき２枚１組の円盤が３組Ｋ1，Ｋ1’、Ｋ2，Ｋ2’、
Ｋ3，Ｋ3’が前記各陽極２２の円筒Ａ1，Ａ2，Ａ3に対
応する両側の位置に平行に配置されている。すなわち、
２枚１組の円盤が３組であるから計６枚の円盤形状の陰
極が間に陽極２２を挟んで一方の側にＫ1，Ｋ2，Ｋ3が
配列され、他方の側にＫ1’，Ｋ2’，Ｋ3’が配列され
ている。これらの連続配列された陰極は、長めの陰極接
続線２５で一連に結合され、１つの接続陰極２６を形成
している。

【００５５】尚、本例の３連のペニングセルは上下方向
に形成されている磁界Ｂ中に設置されていることにな
る。

【００５６】また、本例においては、３連の場合を説明
したが、単セルを用いる場合は、陰極として２枚の円
盤、複数ｎセルの場合は、２ｎ枚の円盤を陰極接続線に
よって接続して接続陰極を形成することになる。

【００５７】その他、前記陽極の円筒直径とほぼ同幅と
なる金属板材を、陽極を平行に挟む形でＵ字状に曲げ、
前述したような接続陰極の代わりに用いることも可能で
ある。

【００５８】該接続陰極２６の両端は真空端子２７，２
８を通じて真空外の加熱電源Ｅ2に接続され、電気的ル
ープを形成している。そして、高圧電源Ｅ1の印加の有
無とは独立してスイッチＳ2の開閉により任意に各陰極
２４に通電し、加熱することができる。また、接続陰極
２６の両端に結合されている一方の真空端子２８は、高
圧電源Ｅ1のマイナス側に接続されている。このため、
イオン加速用電界スイッチＳ1を開閉することにより、
陽極２２と陰極２４の間に電界を自由に印加することが
できる。

【００５９】また、前記イオンポンプ２１が大気圧に曝
され、この大気圧から排気が開始された場合、イオンポ
ンプ２１内の各陰極２４の表面には、酸化膜２４１が形
成される。

【００６０】本例のように６枚の円盤で形成された接続
陰極２６は、加熱電源Ｅ2を備えたループ回路になって
いるので、高圧電源Ｅ1の印加の有無、すなわち、スイ
ッチＳ1の開閉に関係なく、加熱電源Ｅ2の電圧を調整し
て、接続陰極２６の円盤Ｋ1，Ｋ1’、Ｋ2，Ｋ2’、Ｋ
3，Ｋ3’を５００℃以上に昇温することができる。特
に、前記接続陰極２６を８００℃程度の高温に昇温した
場合は、各陰極２４に溶解している水素原子の熱拡散が
非常に活発となるので、水素は容易に陰極表面に拡散し
て、固体表面において、以下に記載する化学反応の形式
で酸化物を還元する。

【００６１】ＭＯ（酸化膜）＋２Ｈ（拡散水素原子）→Ｈ₂Ｏ（水）＋Ｍ（金属）このように、酸化膜（ＭＯ）が陰極に溶解している水素
の拡散によって還元されるので、陰極２４の金属（Ｍ）
表面が真空中に露出する。

【００６２】その後、スイッチＳ1を閉じて、陽極２２
と陰極２４の間に加速電界を形成すると前記２極間２
２，２４の間の各セル内で放電が起こり、陽極２２の円
筒Ａ1，Ａ2，Ａ3で発生した陽イオンが陰極２４に向か
って加速されて該陰極２４の金属表面に注入されて捕捉
される。

【００６３】前記陰極２４の表面に捕捉される気体分子
及び気体原子により表面濃度が上昇した場合は、加熱電
源Ｅ2から再び各陰極２４に電流を流して、陰極２４を
５００℃〜６００℃程度に昇温すると、捕捉された気体
分子又は気体原子の陰極２４内部への熱拡散が促進する
ため、陰極２４表面の不純物濃度を低下させることがで
きる。この場合、陰極２４に捕捉された気体分子又は気
体原子の一部が再放出されてしまうが、高圧電源Ｅ1の
スイッチＳ1を閉じたままの状態でイオンポンプ２１を
作動させることにより、気体分子の再放出と同時に直ち
に排気することができ、排気速度を向上することができ
る。

【００６４】例えば、陰極２４に８００℃以上の高温加
熱を持続した場合、この温度は、イオン注入によって飽
和に達した表面の不活性ガスを真空中に再放出すること
のできる十分な温度となるため、イオンポンプ２１は再
生可能となり、陰極材料の消耗を抑えることができる。

【００６５】陰極２４の材料は、室温における水素ガス
溶解度が１．０［ｃｍ²（ＳＴＰ）ｃｍ^-1ａｔｍ^-1］以
上の、ニオブ、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム等
の単体金属及びそれらの金属を含有する合金等を用いる
と、それらの金属は、１０００℃以上に加熱することの
できる高融点金属であるため、多量の拡散水素が発生
し、表面酸化物２４１を短時間で還元して陰極２４の金
属表面を真空中に露出することができ、排気速度を向上
することができる。

【００６６】また、前述したように、陰極自体の温度を
５００℃以上に昇温して排気を行う他に、陰極にα、
β、γ、Ｘ等の放射線、又は、マイクロ波やレーザー光
などの電磁波を照射してもよい。

【００６７】例えば、陰極２４表面に形成されている酸
化物２４１を除去するには、真空中で酸化物２４１を機
械的に削り取ることによって金属表面を露出させる方
法、及び、陰極２４へＸ線照射等によって捕捉ガス分子
濃度を低下させる方法を組み合わせることにより、発熱
を伴わずに排気を行うことも可能である。

【００６８】また、本例においては、従来においてスパ
ッターイオンポンプに用いられているペニングセル型の
イオンポンプの例を示したが、ペニングセル型に限ら
ず、磁界を使わないオービトロン型のイオンポンプに用
いることも可能である。

【００６９】次に、図１に記載したスパッターイオンポ
ンプタイプのイオンポンプを搭載した、図２に示す真空
装置１において、実際に真空装置の排気を測定した実験
の結果を図面に基づいて説明する。

【００７０】図２は、イオンポンプ２を搭載した真空装
置１の概略構成図であり、図３は、本実験に用いた真空
装置１に搭載された単セルのイオンポンプ２の概略構成
を示す斜視図である。

【００７１】図２に示すように、真空装置１には、後述
するタンタル金属製単セルタイプのイオンポンプ２が真
空チャンバー３に設置されている。チャンバー３には、
前記イオンポンプ２の他に排気量１００リットル／秒の
非蒸発型ゲッターポンプ（ＮＥＧポンプ）４と、ＢＡゲ
ージ５、四重極型残留ガス分析計６が取り付けられてい
る。

【００７２】また、チャンバー３には、メタル製のカッ
トバルブ９を介して、粗引き系であるターボ分子ポンプ
７とロータリーポンプ８が設けられている。前記バルブ
９を閉じた時、ゲージ５及び残留ガス分析計６を含めた
真空容器１の全容積は２リットルである。

【００７３】また、チャンバー３には、微小リークバル
ブ１０が取り付けられており、前記リークバルブ１０を
通じてガスボンベ１１から純アルゴンガスや、純ヘリウ
ムガスが真空チャンバー３内に導入できるようになって
いる。

【００７４】また、図２中１２，１２は、真空装置外に
置かれたイオンポンプ２用の永久磁石であり、永久磁石
１２，１２の２磁極間の中心における磁束密度は、２．
３キロガウスである。

【００７５】図３に示すように、本例のイオンポンプ２
は、陽極２２の一つの円筒Ａ1及び陰極２４の１組の円
盤Ｋ1，Ｋ1’によって構成されている単セルタイプのイ
オンポンプである。尚、図３中点描き部分は、陰極２４
表面の酸化物２４１を表す。

【００７６】このイオンポンプ２は、陽極２２として、
厚さ０．１ｍｍのタンタル金属板を丸めた円筒Ａ1を用
いており、円筒の直径は７ｍｍ、高さは５ｍｍである。
また、陰極２４として、厚さ０．１ｍｍのタンタル金属
板の円盤Ｋ1，Ｋ1’を用いており、円盤の直径は８ｍｍ
である。また、円盤Ｋ1，Ｋ1’を接続する陰極接続線２
５も同じく幅２ｍｍのタンタル金属板を用いている。

【００７７】そして、陽極２２の円筒Ａ1は、真空端子
２３を通じて５ＫＶの高圧電源Ｅ1のプラス側にスイッ
チＳ1を介して接続されている。また、陰極２４の２枚
の円盤Ｋ1，Ｋ1’は、陰極接続線（板）２５で結合さ
れ、他端は真空端子２７，２８を通じて加熱電源Ｅ2に
スイッチＳ2を介して接続されている。

【００７８】Ｅ1のマイナス側とＥ2のいずれか一方に
は、アース電位、すなわち、真空装置１に接続される。

【００７９】次に、前記真空装置１を用いた実験方法お
よび実験結果を図面に基づいて説明する。

【００８０】図４は、本例のイオンポンプのアルゴンに
対する排気による圧力降下を示し、アルゴンガス圧（Ｐ
ａ）と時間（分）の関係を示す図であり、図５は、一旦
排気されたアルゴンの陰極昇温に伴う再放出を示し、ア
ルゴンガス圧（Ｐａ）と陰極の温度（℃）の関係を示す
図である。

【００８１】先ず、大気圧から排気を開始する場合は、
図２に示す真空装置１のカットバルブ９を開いてターボ
分子ポンプ７でチャンバー３内部を１０^-6Ｐａまで排気
する。その後、チャンバー３、イオンポンプ２、ＮＥＧ
ポンプ４、ゲージ５、残留ガス分析計６、バルブ９，１
０の全体を２５０℃でベーク排気し、ＮＥＧポンプ４を
活性化した後、真空装置１全体を冷却し、室温に放置す
ると、チャンバー３は、１０^-9Ｐａ台の超高真空状態に
達する。この状態でバルブ９を閉じると真空状態は多少
悪化し、１０^-8Ｐａ台でほぼ一定の値になる。この時の
残留ガスの主成分は、水素、メタン、一酸化炭素、アル
ゴンである。

【００８２】次に、この１０^-8Ｐａ台の超真空状態から
リークバルブ１０を通じて純アルゴンガスを約２×１０
^-4Ｐａの圧力まで導入する。この時、ＮＥＧポンプ４
は、全くアルゴンを排気しないので、残留ガスの９９．
９％はアルゴンガスとなる。また、この状態で真空チャ
ンバー３を放置しても圧力はほとんど変化しない。

【００８３】そして、この状態で、図３に示すイオンポ
ンプ２の回路のスイッチＳ1を閉じて、陽極２２の円筒
Ａ1と陰極２４の円盤Ｋ1，Ｋ1’間に５ＫＶの電界を印
加すると、両極間に放電が起こり、放電によって発生し
た電子は、円筒内の電界と磁界で形成されるポテンシャ
ルの谷間にトラップされる。そして、トラップされた電
子は、螺旋運動をしながらアルゴン原子を効率良くイオ
ン化する。

【００８４】排気始動直後、アルゴンイオンのスパッタ
ーにより、陰極２４の円盤Ｋ1，Ｋ1’表面に形成された
酸化膜が破壊される。このとき多量の汚染ガスが放出さ
れ、圧力は一旦１×１０^-3Ｐａまで急激に上昇する。そ
の後、汚染ガスはポンプ作用により除々に下がり始め
る。１０^-3Ｐａ台の急激な圧力上昇時の分圧を観察する
と、一酸化炭素、水、メタン、種々の炭化水素、酸素等
が観察されるのに対し、逆にアルゴンの分圧は急激に減
少している。その後、全体の圧力も除々に低下し、１×
１０^-6Ｐａでそれ以下に下がらなくなる。この圧力下
での残留ガス成分は、メタン、アルゴンがほぼ同じ割合
で含まれている。前記１×１０^-6Ｐａに達するまでに要
する時間は、約３０分であり、この間のアルゴンガス圧
（Ｐａ）の変化は図４の曲線Ｏに示される。

【００８５】排気開始直後に放出される活性な汚染ガス
は、本例のイオンポンプの他にＮＥＧポンプ４でも排気
されるが、ＮＥＧポンプ４は、アルゴンを一切排気しな
いので、図４の曲線Ｏは、陰極２２の円盤Ｋ1，Ｋ1’の
酸化膜が除去されない状態でのアルゴンガスに対する排
気速度曲線を示すことになる。

【００８６】この場合、排気開始直後に放出されたメタ
ン、水、一酸化炭素などの分圧も、アルゴン分圧と同じ
割合で低下するので、酸化膜２４１を除去しない状態か
らの排気動作は、従来のスパッターイオンポンプと同じ
働きをしていることがわかる。すなわち、アルゴンイオ
ンは、タンタル金属製の陰極２４の円盤Ｋ1，Ｋ1’の表
面酸化物２４１をはぎ取りながら、この汚染ガスの働き
による堆積効果によって排気されていることが確認でき
る。

【００８７】アルゴン分圧が安定した１×１０^-6Ｐａで
スイッチＳ1を開いて、ポンプを停止させ、数時間放置
すると、系の圧力は、約１．５×１０^-6Ｐａまでわずか
に上昇する。

【００８８】この状態から、スイッチＳ2だけ閉じて
（この時、高圧電源スイッチＳ1は開いておく）、陰極
２４の円盤Ｋ1，Ｋ1’に電流を流して、陰極の温度を除
々に上昇させて陰極より再放出されるアルゴンガスの圧
力上昇を測定する。

【００８９】この場合の測定結果は、図５の曲線Ｘのよ
うになる。陰極温度は、陰極の裏側に熱電対温度計を取
り付けて測定している。陰極の温度が６００℃に達する
と、アルゴンは、１００％再放出され、アルゴン分圧
は、排気前と同じ圧力まで上昇する。これは、陰極２４
の円盤Ｋ1，Ｋ1’の表面層に排気されていたアルゴン原
子とともに、堆積効果より弱い捕捉力で陽極２２に捕捉
されていたアルゴン原子も、昇温した陰極２４の輻射熱
ですべて放出してしまうためと考えられる。同時に水、
一酸化炭素、二酸化炭素、メタンなども多量に放出し、
これらのガス放出も加わるため、真空装置１全体の圧力
は、アルゴン導入時の１０^-4Ｐａ台よりも一桁高い１０
^-3Ｐａ台まで上昇する。

【００９０】次に、本例の酸化物除去・表面不純物濃度
低下手段を用いた実験結果を説明する。

【００９１】先ず、図２に示す真空装置１のカットバル
ブ９を開いた後、イオンポンプ２の真空端子２７，２８
から陰極２４の円盤Ｋ1，Ｋ1’間に電流を流して、陰極
２４の温度を８００℃以上に上昇させて約１分間保持す
る。この時多量の水素、水、及び、一酸化炭素が放出さ
れるが、約１０秒間でこれらのガスの放出はほぼ終了す
る。

【００９２】この時、発生する水と一酸化炭素は、下記
の反応式で示される反応により排出されていると考えら
れる。

【００９３】ＭＯ（酸化膜）＋２Ｈ（熱拡散水素原子）→Ｈ₂Ｏ（水）＋Ｍ（金属）ＭＯ（酸化膜）＋Ｃ（熱拡散炭素原子）→ＣＯ（一酸化炭素）＋Ｍ（金属）すなわち、陰極２４の表面酸化物２４１は、陰極中に溶
解している水素原子又は炭素原子の熱拡散により、前記
各原子と反応して還元されて、水又は一酸化炭素となっ
て排出されていると考えられる。

【００９４】その後、スイッチＳ2を開いて、陰極２４
の円盤Ｋ1，Ｋ1’の温度を室温に戻した後、バルブ９を
閉じて、リークバルブ１０から純アルゴンガスを再び同
じ圧力の約２×１０^-4Ｐａまで導入し、スイッチＳ1を
閉じて再びイオンポンプ２を作動させると、アルゴンガ
スの分圧は、図４の曲線Ｍに示すような排気曲線が得ら
れる。この時のアルゴンガスの圧力は、約３分間で一挙
に１０^-8Ｐａ台まで直線的に降下する。

【００９５】ここで、酸化物除去手段を用いない図４の
曲線Ｏに示す場合と、酸化物除去手段を用いた図４の曲
線Ｍに示す場合を比較すると、アルゴンガスに対する排
気作用がほぼ飽和に達するまでに要する時間は、酸化物
除去手段を用いた場合は、酸化物除去手段を用いない場
合の約１／１０の時間で済むことが確認でき、これは１
０^-8Ｐａ台までの排気速度が一定であることを示してい
る。

【００９６】図４に示す曲線Ｍから計算されたアルゴン
ガスに対する排気速度は、約０．１リットル／秒であ
る。この排気速度の値は、従来の１インチセルの単セル
ポンプのアルゴンに対する排気速度の約１０倍である。
このため、本例で用いた超小型セルサイズ７ｍｍ×５ｍ
ｍのイオンポンプセルの大きさと一般的なイオンポンプ
セルの大きさの比較から単純に計算されるイオンポンプ
の排気速度は、従来のイオンポンプの排気速度と比較し
て５０〜６０倍程度高くなっていることが確認できる。

【００９７】その後、スイッチＳ1を切ってポンプを停
止して放置すると、圧力は、３×１０^-7Ｐａまで、約１
桁上昇する。このように、圧力上昇が大きいのは、酸化
膜が除去されて、表面のアルゴン原子の出入りが自由に
なったことを意味していると考えられる。

【００９８】このように、ポンプ停止後は、圧力が上昇
するが、一定に達して安定となる圧力の値は、１桁低
い。

【００９９】次に、この状態から再び陰極２４の円盤Ｋ
1，Ｋ1’に電流を流して陰極温度を上昇させながら、陰
極から再放出されるアルゴンガス圧をグラフにすると、
図５に示す曲線Ｙのようなアルゴンガス再放出曲線が得
られる。

【０１００】図５に示すように、同じ６００℃の温度で
放出されるアルゴンガスの分圧を曲線Ｘと曲線Ｙで比較
すると、酸化物除去手段を用いた曲線Ｙと、酸化物除去
手段を用いない曲線Ｘとでは、酸化物除去手段を用いた
曲線Ｙの方が、酸化物除去手段を用いない曲線Ｘよりも
約１桁アルゴンガスの再放出が小さくなり、８００℃ま
で昇温してもアルゴンガスの再放出は飽和値に達しない
ことが確認できる。これは、アルゴン原子がタンタル金
属の内部に拡散しているためであると考えられる。

【０１０１】すなわち、本例の酸化物除去手段を用いた
イオンポンプ２は、従来のスパッターイオンポンプと全
く異なる原理で排気されているものと結論づけることが
できる。

【０１０２】本例においては、図４及び図５に示すよう
に、アルゴンガスに対する排気特性及び陰極昇温による
再放出特性を確認したが、ヘリウムガスにおいても、ア
ルゴンガスに対する排気特性及び陰極昇温による再放出
特性と同様の各特性を示すことが確認されており、本発
明における排気の原理の正しさを裏付けることができ
る。

【０１０３】次に、陰極２４の表面に捕捉したアルゴン
原子の陰極内部への熱拡散による表面不純物濃度低下手
段を用いた結果を以下に記載する。

【０１０４】前述したように、陰極２４の円盤Ｋ1，Ｋ
1’に通電加熱を行い、酸化膜２４１の除去を行った
後、アルゴンガスを排気した場合、チャンバー３内のア
ルゴンガスの圧力は、数分で２×１０^-4Ｐａから１０^-8
Ｐａ台に一挙に降下する。しかし、圧力は約６×１０^-8
Ｐａに達した後は、これ以上は下がらない。

【０１０５】この一定値に圧力が到達した状態で、イオ
ンポンプ２のスイッチＳ1を閉じたままの状態でスイッ
チＳ2を閉じて、一挙に陰極温度を６００℃まで上昇し
て数秒間保持した後、スイッチＳ2を再び開く。すなわ
ち、陰極２４の円盤Ｋ1，Ｋ1’に対して間欠昇温を行う
と、間欠昇温した瞬間、排気されたアルゴンガスの一部
が放出されるため、チャンバー３のアルゴンガス圧は一
旦１０^-5Ｐａ台まで上昇する。その後、アルゴンガス圧
は１０^-8Ｐａ〜１０^-9Ｐａ台まで急激に下がる。

【０１０６】また、イオンポンプ動作中で６００℃の間
欠昇温処理を行った後にポンプ２を停止し、陰極２４の
円盤Ｋ1、Ｋ1’を再び８００℃まで昇温させると、アル
ゴンガスの再放出の圧力は、間欠昇温する前の圧力より
も再放出の圧力の方が低くくなることが確認できた。

【０１０７】このことは、間欠昇温時に、それまでに注
入され表面に捕捉されているアルゴン原子の一部が陰極
内部に熱拡散して、表面層におけるアルゴン濃度が低下
していることを示すと考えられる。

【０１０８】このように、従来のベーキング（最大４５
０℃）を行っただけのイオンポンプの排気特性と、本例
のように、イオンポンプの陰極を一度８００℃に昇温
し、表面酸化物除去・表面不純物濃度低下を行った後の
排気特性を比較すると、イオンポンプの陰極を８００℃
まで昇温して酸化物除去・表面不純物濃度低下を行った
後のポンプ動作時の到達真空は、陰極昇温を行わない場
合のポンプ動作時の到達真空と比較して、圧力値を約２
桁低く下げることができる。

【０１０９】また、ポンプ停止後の昇温によるガスの再
放出も１桁低い結果得ることができ、本例においては、
ガスの再放出を抑えてイオンポンプの排気速度の低下を
防止していることが確認できる。

【０１１０】これらの効果は、従来の行われていた単な
る脱ガス作用を行うために陰極の昇温を行った結果では
なく、陰極を５００℃以上、望ましくは８００℃程度の
高温の熱処理することによって、陰極内部に溶解してい
る水素又は酸素の原子が熱拡散し、陰極表面の酸化物を
還元して、陰極表面酸化物を消失させたためであると考
えられる。

【０１１１】従来において、前記真空装置１を用いて２
×１０^-4Ｐａ台からのアルゴン及びヘリウムガス排気を
１０数回繰り返すと、ポンプ排気速度、到達真空が共に
低下する傾向が確認されており、これは陰極表面にアル
ゴン原子が多量に吸蔵されてくるためであると考えられ
る。

【０１１２】本例のイオンポンプにおいては、陰極を通
電加熱することによってこの溶解アルゴンを排出するこ
とができるので、繰り返し同じ性能を回復することがで
きる。

【０１１３】更に、本例のイオンポンプ２は、ポンプ動
作途中において、陰極に６００℃程度の間欠昇温を行え
ば、それまでに排気されて表面層に捕捉されているアル
ゴン原子を、陰極内部に熱拡散させて、排気能力を回復
させることができる。

【０１１４】このように、本発明は、陰極表面の酸化物
除去・表面不純物濃度低下手段を備え、陰極を５００℃
以上に昇温して陰極自体に溶解している水素又は炭素の
原子を熱拡散させるため、陰極表面の酸化物と水素又は
炭素の原子が反応して陰極酸化物を除去する。この時に
発生するのは、水及び一酸化炭素のみとなるので、従来
のようにスパッター破片分子によるポンプセル周辺の汚
染を防止することができる。

【０１１５】また、陰極を５００℃以上に昇温すると、
水素原子等の熱拡散と酸化物が除去されてイオン注入さ
れやすくなった状態でイオン注入された気体分子が金属
内部で熱拡散を起こしやすくなる温度であるため、イオ
ン注入によって排気できる不活性ガス量を従来と比較し
て桁違いに大きくすることができ、従来において高真空
になるとともに排気速度が低下するという問題を解決す
ることができる。

【０１１６】尚、本例のイオンポンプの陰極として構造
寸法はまったく同一で、材料をニオブ、ジルコニウム、
ハフニウムに変えた実験を行ったところ、ほぼタンタル
と同じ結果が得られた。また、従来から使用されてきた
チタンは前記４つの金属に比べ到達圧力、排気速度が共
に数分の１悪いことが確認できた。これは、酸化物が安
定で分解反応又は還元反応が起こりにくくなるためであ
ると考えることができる。また、酸化膜を形成しない金
や銀、高融点金属ではあるが水素溶解度の小さいタング
ステンやモリブデンでは本発明の性能をまったく発揮す
ることはできなかった。

【０１１７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、真空中
に残留する気体分子又は原子が、電子の衝突によってイ
オン化され、この発生したイオンが、陽極と陰極の２極
間に印加した電界の作用により加速されて前記陰極表面
に衝突して捕捉されることによって、真空中に残留する
気体分子又は原子の数を減じるイオンポンプにおいて、
印加による加速電界の有無に拘らず、前記陰極表面の酸
化物除去する手段であるとともに、前記イオンポンプ作
動中及び作動後の捕捉気体イオンによる表面不純物濃度
の低下する手段でもある酸化物除去・表面不純物濃度低
下手段を備えた構成のイオンポンプである。

【０１１８】このように本発明のイオンポンプは、印加
された加速電界の有無に拘らず、陰極表面に形成された
酸化物を除去する手段を備えているので、ポンプを大気
に曝した後にポンプを作動させる場合であっても、前も
って陰極表面の酸化物を除去して陰極の金属表面を露出
させることができるため、加速電圧を印加することによ
り残留する気体分子又は原子をイオン化し、金属表面に
直接前記イオンを注入することができる。このため、従
来のように、イオン注入時の酸化物破壊によるスパッタ
ー破片分子の発生を防止することができ、真空悪化と周
辺汚染を防止することができる。

【０１１９】また、表面酸化物の除去が、従来のように
陰極の中心だけでなく、陰極全領域に拡大することがで
きるので、気体溶解度が酸化物に比べて桁違いに大きい
金属内部にイオンを注入し、拡散することができ、排気
速度を飛躍的に増大することができる。

【０１２０】本願第２請求項に記載した発明は、前記請
求項１に記載した発明において、前記陰極表面における
酸化物除去・表面不純物濃度低下手段は、陰極材料自体
に溶解している水素原子又は炭素原子の熱拡散の促進に
よる表面酸化物の還元と、前記捕捉気体イオンの陰極内
部への熱拡散及び真空中への再放出とを促進するための
５００℃以上の陰極昇温を行う手段である構成のイオン
ポンプである。

【０１２１】このように、陰極を５００℃以上に昇温す
ることにより、陰極材料自体に溶解している水素又は炭
素の原子が熱拡散され、陰極表面酸化物と反応して陰極
表面酸化物の分解又は還元が促進され、前記陰極表面酸
化物を除去することができる。

【０１２２】この場合の分解反応又は還元反応は、陰極
材料自体に溶解している水素又は炭素の原子と酸化物と
の静かな反応であるため、反応が促進しても、水又は一
酸化炭素が発生するのみであり、従来のような、ラジカ
ルなスパッターによる破片分子の発生をなくし、セル周
辺の汚染を防止することができる。

【０１２３】また、陰極を５００℃以上に昇温すること
により、水素又は炭素の原子及びイオン注入された気体
原子の金属内部での熱拡散が活発となるため、イオン注
入によって排気できる不活性ガス量を、従来の方法と比
較して桁違いに大きくすることができる。

【０１２４】本願第３請求項に記載した発明は、前記請
求項１又は２に記載した発明において、前記５００℃以
上の陰極昇温を行う手段は、陰極自体の電気抵抗発熱を
用いる手段である構成のイオンポンプである。

【０１２５】このように、陰極昇温手段として、陰極自
体に接続された加熱電源による電気抵抗発熱を用いる
と、イオンポンプの構造を複雑にすることなく、簡易な
構造を用いて５００℃以上の陰極昇温が可能となる。

【０１２６】本願第４請求項に記載した発明は、前記請
求項１乃至３いずれか記載の発明において、前記陰極自
体の電気抵抗発熱手段は、複数の陰極を直列に接続して
形成した接続陰極の開放両端に接続した加熱電源からの
通電による一斉発熱を用いる手段である構成のイオンポ
ンプである。

【０１２７】このように、複数の陰極を用いる場合は、
各陰極を直列に接続した接続陰極を用いることにより、
該接続陰極の開放両端からの通電加熱によって、陰極を
発熱させることができるので、陰極が多くなった場合で
も、通電用の同一電流規格の真空端子をポンプ壁に１本
ないし２本増設するだけで一斉に通電することができ、
簡易な構造を用いて陰極昇温の目的を達成することがで
きる。

【０１２８】本願第５請求項に記載した発明は、前記請
求項１乃至４いずれか記載の発明において、前記陰極
は、前記陽極の略断面に近似する平面形状であり、厚さ
０．１ｍｍ以下の板状に形成されている構成のイオンポ
ンプである。

【０１２９】このように陰極が、厚さ０．１ｍｍ以下の
薄板状に形成されていると、抵抗を大きくできるので、
少ない電流で５００℃以上の高温に加熱することが容易
となる。

【０１３０】本願第６請求項に記載した発明は、前記請
求項１乃至５いずれか記載の発明において、前記陰極
は、室温における水素ガス溶解度が１．０［ｃｍ²（Ｓ
ＴＰ）ｃｍ^-1ａｔｍ^-1］以上で、かつ５ＫｅＶのアルゴ
ンイオンによるスパッター収率が２．０以下のニオブ、
タンタル、ジルコニウム、ハフニウムの単体金属及びそ
れらの金属を含有する合金を用いて形成されている構成
のイオンポンプである。

【０１３１】このように、水素ガス溶解度の高いタンタ
ル、ジルコニウム、ニオブ、ハフニウム等の単体金属及
びそれらの金属を含有する合金を用いて陰極が形成され
ていると、前記各金属は、金属内部に溶解されている水
素量が多いため、昇温によって容易にそれらの水素原子
が陰極表面に拡散して、表面酸化物を還元し、水分子と
して酸化物を真空中に放出させることができ、その後の
イオン注入作用を向上することができる。

【０１３２】また、前記水素の溶解度が大きい金属は、
アルゴンやヘリウムガスが溶解する溶解度も大きい傾向
にあるので、多量の排気ガスを吸収することができる。

【０１３３】更に、前記水素の溶解度が大きい金属は、
スパッター収率も小さい傾向にあるので、陰極の中心部
だけが浸食される割合が小さくなり、陰極の板厚を薄く
形成することが可能となり、本願第５請求項に記載した
ように陰極を厚さ０．１ｍｍ以下の薄板状に形成するこ
とも可能となる。また、スパッターされた原子による堆
積効果によって、弱い捕捉力で捕捉される不活性ガスの
割合を減らすことができ、陰極昇温によって発生する不
活性ガスの再放出を低減することができる。

【０１３４】本願第７請求項に記載した発明は、前記請
求項１記載の発明において、前記陰極表面の酸化物除去
・表面不純物濃度低下手段は、前記陰極にα、β、γ、
Ｘ線等の放射線、又は、マイクロ波やレーザー光などの
電磁波の照射を用いた手段である構成のイオンポンプで
ある。

【０１３５】例えば、粒子加速器などに使われる分布型
のイオンポンプの場合は、加速器自身が発生する強力な
放射Ｘ線を利用し、この放射Ｘ線の一部を陰極に反射誘
導することによって、陰極に溶解している水素又は炭素
の原子を熱拡散させて表面の酸化物を除去することがで
き、また、陰極表面に排気された原子を陰極内部に熱拡
散させることにより不純物濃度を低下することが可能と
なる。

【０１３６】このように、本発明のイオンポンプによれ
ば、１：イオンポンプ始動時の初期ガス放出放出を抑え
ることができる。２：イオンの打ち込める部分は酸化膜
が減じられた陰極金属全面の単位面積当たりのガス吸蔵
能力を飛躍的に高めることができ、ガス種による排気速
度の差違を縮小することができる。３：ガス溶解度の非
常に高い金属内に直接イオンが注入されるので金属内部
に速やかに拡散し、再放出されにくくなる。４：スパッ
ター原子による堆積効果によらない排気法のため、真空
が良くなって圧力の低い状態でも再放出を小さくでき、
排気能力が低下しない。５：スパッターによる陰極金属
の消耗度が小さいので、陰極の交換が不必要である。
６：陰極を凸凹にしたり、３極構造にしたりする必要が
ない。７：還元時の昇温時に前回排気したガスを陰極固
体内部に自己拡散できる等の利点を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の具体例に係り、３連セル型を用いたイ
オンポンプの概略構成図である。

【図２】本発明の具体例に係り、性能試験用の真空装置
の概略構成図である。

【図３】本発明の具体例に係り、単セル型を用いたイオ
ンポンプの概略構成を示す斜視図である。

【図４】本発明の具体例に係り、図２に示す装置を用い
て試験を行った結果であり、時間（分）とアルゴンガス
圧（Ｐａ）の排気による圧力降下の関係を示す図であ
る。

【図５】本発明の具体例に係り、図２に示す装置を用い
て試験を行った結果であり、陰極の温度（℃）上昇に対
するアルゴンガス圧（Ｐａ）の再放出の関係を示す図で
ある。

【符号の説明】

１真空装置２イオンポンプ３真空チャンバー４ＮＥＧポンプ５ＢＡゲージ６四重極型残留ガス分析計７ターボ分子ポンプ８ロータリーポンプ９カットバルブ１０リークバルブ１１ガスボンベ１２イオンポンプ用永久磁石２１イオンポンプ２２陽極２３真空端子２４陰極２５陰極接続線２６接続陰極２７真空端子２８真空端子Ａ１陽極の円筒Ａ２陽極の円筒Ａ３陽極の円筒Ｋ１陰極の円盤Ｋ１’ 陰極の円盤Ｋ２陰極の円盤Ｋ２’ 陰極の円盤Ｋ３陰極の円盤Ｋ３’ 陰極の円盤Ｓ１スイッチＳ２スイッチＥ１高圧電源Ｅ２加熱電源

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空中に残留する気体分子又は原子が、
電子の衝突によってイオン化され、この発生したイオン
が、陽極と陰極の２極間に印加した電界の作用により加
速されて前記陰極表面に衝突して捕捉されることによっ
て、真空中に残留する気体分子又は原子の数を減じるイ
オンポンプにおいて、印加による加速電界の有無に拘らず、前記陰極表面の酸
化物を除去する手段であるとともに、前記イオンポンプ
作動中及び作動後の捕捉気体イオンによる表面不純物濃
度を低下する手段でもある酸化物除去・表面不純物濃度
低下手段を備えたことを特徴とするイオンポンプ。
【請求項２】前記陰極表面における酸化物除去・表面
不純物濃度低下手段は、陰極材料自体に溶解している水素原子又は炭素原子の熱
拡散の促進による表面酸化物の還元と、前記捕捉気体イオンの陰極内部への熱拡散及び真空中へ
の再放出とを促進するための５００℃以上の陰極昇温を
行う手段であることを特徴とする前記請求項１記載のイ
オンポンプ。
【請求項３】前記５００℃以上の陰極昇温を行う手段
は、陰極自体の電気抵抗発熱を用いる手段であることを
特徴とする前記請求項１又は２記載のイオンポンプ。
【請求項４】前記陰極自体の電気抵抗発熱手段は、複
数の陰極を直列に接続して形成した接続陰極の開放両端
に接続した加熱電源からの通電による一斉発熱を用いる
手段であることを特徴とする前記請求項１乃至３いずれ
か記載のイオンポンプ。
【請求項５】前記陰極は、前記陽極の略横断面に近似
する平面形状であり、厚さ０．１ｍｍ以下の板状に形成
されていることを特徴とする前記請求項１乃至４いずれ
か記載のイオンポンプ。
【請求項６】前記陰極は、室温における水素ガス溶解
度が１．０［ｃｍ²（ＳＴＰ）ｃｍ^-1ａｔｍ^-1］以上
で、かつ５ＫｅＶのアルゴンイオンによるスパッター収
率が２．０以下のニオブ、タンタル、ジルコニウム、ハ
フニウムの単体金属及びそれらの金属を含有する合金を
用いて形成されていることを特徴とする前記請求項１乃
至５いずれか記載のイオンポンプ。
【請求項７】前記陰極表面の酸化物除去・表面不純物
濃度低下手段は、前記陰極にα、β、γ、Ｘ線等の放射線、又は、マイク
ロ波やレーザー光などの電磁波の照射を用いた手段であ
ることを特徴とする前記請求項１記載のイオンポンプ。