JP3246256U - 真空構成要素及び真空装置 - Google Patents

Abstract

【課題】超高真空を発生及び維持するための真空装置用の真空構成要素を提供する。
【解決手段】真空装置用の真空構成要素であって、真空の外側に外面１４と、真空の内側に内面１６とを有する壁要素１２と、外面に接続された層加熱素子２０と、加熱素子の位置に対応する位置にて内面に接続されたＮＥＧ材料層２６と、を備える。
【選択図】図１

Description

本考案は、真空装置用の真空構成要素及びこのような真空構成要素を有する真空装置に関する。

物体が真空下に置かれると、材料内部及び表面に埋っていたガスが表面から発生する。このプロセスによるガスの発生は、ガス放出として知られている。ガス放出は、真空チャンバーが０．１ｍｂａｒを下回るまで低下すると、全ガス負荷に占める割合が徐々に大きくなる。超高真空システム（１０^-7ｍｂａｒ又はそれ未満）の場合、ガス放出は、脱ガス及び最終圧力までの時間に影響する最も重要な要因である。

ガス放出は、真空ポンプからエラストマー、炭化水素油及びグリースを排除すること、軟鋼又は多孔質表面のようなガス放出性能が低いことが知られている他の材料を避けること、並びに汚染を避けるためにクリーンルーム技術を使用することによって低減することができる。

従来の熱源は、真空システム又はその構成要素に組み込まれたワイヤー加熱素子、或いは、システムの外面に取り付けられ又は巻かれて、ラギング又は他の断熱材で覆われたテープ、ケーブル及びバンドを含む。

このタイプの従来の加熱方法には、特定の欠点があることが判明している。例えば、加熱ケーブルが使用される場合、熱源と表面の間の均一な接触を達成することが困難な場合があり、結果として変化しやすい表面温度及び熱伝達の低下が起きる。

システムの仕様によっては、コールドスポットが十分に脱ガスされない場合があり、或いは逆に、凝縮又は昇華を促進する場合があり、その結果、システム全体の圧力及び／又は性能に悪影響を及ぼすことがある。キルティングジャケットヒーターは、これらの問題の一部を改善する。

特定の用途では、狭い管体及び手の届かない場所にある配管からのガス放出を低減するために、補助的なポンプ送給及び手段を提供することが望ましい。この一例がＳＥＭカラムであり、状況によっては、システムがＴＭＰでポンプダウンされ、その後、振動を最小限に抑えるためにオフにされ、次いで、ＮＥＧ（非蒸発型ゲッター）又はイオンポンプの形態の機械的に受動的なポンプを利用して、測定中に高真空／低圧を維持する。多くの場合、アクセスは制限され、パッシブポンプは、長い薄肉管体を介してカラムから幾らかの距離で接続され、これらのポンプのポンプ性能が低下する。

使用する前に、低圧（＜１Ｅ－６ｍｂａｒ）環境で２００℃を上回る比較的高温にまで加熱することにより、ＮＥＧ材料を活性化しなければならない。しかしながら、従来の加熱は、真空装置のアクセスできない領域では実施可能でない場合があり、通常は、熱はＮＥＧ材料のみに局在しない。この高温領域の非局在化は、クールダウンサイクル中にＮＥＧコーティングを部分的に飽和又は汚染する可能性のある他の成分からの過剰なガス放出を引き起こす。

真空構成要素の外面に堆積された多層ヒーターコーティングの使用は、使用前に真空構成要素のガス放出を開始するために、英国特許ＧＢ２５６９９９６Ａにおいて既に記載されている。しかしながら、脱ガスのために真空構成要素を初期加熱するときでも、真空装置によって使用される材料は限定されるので、真空装置において多孔質材料を使用することは通常は不可能である。

また、ステンレス鋼又はアルミニウムなどの通常の真空材料であっても、ガス放出は時間がかかるプロセスである。更に、これらの材料には経時的に汚染物質が蓄積する可能性があり、そのため、ガス放出のプロセスを繰り返さなければならない。このことはまた、パッシブポンプが使用される場合には、パッシブポンプの材料が飽和又は汚染される可能性があるので、問題となる。

英国特許ＧＢ２５６９９９６Ａ明細書

従って、本考案の目的は、超高真空を発生及び維持するための真空装置用の真空構成要素を提供することである。

この課題は、請求項１に記載の真空構成要素及び請求項１５に記載の真空装置によって解決される。

本考案によれば、真空装置用の真空構成要素は、真空の外側の外面と真空の内側の内面とを有する壁要素を含む。従って、外面は、周囲圧力を示すことができ、内面は、真空を示すことができ、真空構成要素及び／又は真空装置の内面である。更に、真空構成要素を加熱するために、層加熱素子が外面に接続される。本考案によれば、ＮＥＧ材料層が、層加熱素子の位置に対応する位置にて内面に接続される。従って、層加熱素子によって覆われる領域は、壁要素の両側でＮＥＧ材料層によって覆われる領域と少なくとも部分的に及び好ましくは完全に重なる。層加熱素子によって、ＮＥＧ材料層を活性化することができる。このように、層加熱素子とＮＥＧ材料層の直接的な組み合わせにより、真空構成要素の内部に作動可能な受動的真空ポンプが提供される。同時に、ＮＥＧ材料層は、壁要素の材料に対する障壁層として機能し、壁要素の過剰なガス放出を防ぐことができる。このように、層加熱素子によって、真空構成要素の壁要素の初期脱ガスを低減することができる。更に、層加熱素子とＮＥＧ材料層の重なりに起因して、熱はＮＥＧ材料層に集中し、真空装置の他の構成要素の過熱を防止する。ここで層加熱素子は、均質な加熱を提供し、ＮＥＧ材料の均質な活性化を可能にする。

好ましくは、加熱素子は、抵抗ヒーター又は導電ヒーターである。

好ましくは、層加熱素子は、英国特許ＧＢ２５６９９９６に従って構築され、この出願の内容は引用により全体が本明細書に組み込まれる。

好ましくは、層加熱素子は、真空構成要素の完全な又はほぼ完全な外面を覆う。これにより、真空構成要素の壁要素の均質な加熱が提供され、真空構成要素の脱ガスが可能となる。

好ましくは、加熱素子は、外面上にコーティングされた、好ましくは電気絶縁体層によって真空構成要素から分離された加熱層を備える。従って、最初に外面から始めて、電気絶縁体層が存在し、次いで抵抗加熱層又は導電性加熱層として構築された加熱層が存在することができる。

好ましくは、ＮＥＧ材料層は、真空構成要素の完全又はほぼ完全な内面を覆う。従って、真空構成要素の完全又はほぼ完全な内面は、受動的ポンピングに使用され、及び／又は真空構成要素のガス放出を防止又は最小化する完全な障壁が提供される。

好ましくは、ＮＥＧ材料層は、１００ｎｍ～１０００ｎｍの間、より好ましくは３００ｎｍ～１０００ｎｍの間、最も好ましくは４００ｎｍ～６００ｎｍの間の厚さを有する。

好ましくは、ＮＥＧ材料層は、例えばＴｉ－Ｚｒ－Ｈｆ－Ｖをベースとする四元合金であるが、Ｈｆ－Ｚｒ－Ｖ、Ｔｉ－Ｚｒ－Ｈｆ、Ｔｉ－Ｈｆ－Ｖ、Ｔｉ－Ｚｒ－Ｖのような三元合金、例えばＺｒ－Ｖのような二元合金、又は例えばジルコニウムのような単一元素とすることができる。四元合金Ｔｉ－Ｚｒ－Ｈｆ－Ｖは、比較的低い活性化温度（１５０℃～２００℃）でポンピング速度が向上するので、好ましいとすることができる。

好ましくは、ＮＥＧ材料層は、障壁層として作用する緻密なＮＥＧ材料層を含む。更に、又は代替的に、ＮＥＧ材料層は、柱状ＮＥＧ材料層を含み、ＮＥＧ材料のポンプ性能を向上させるために柱状ＮＥＧ材料層の表面構造に起因する増加表面を提供する。

好ましくは、ＮＥＧ材料層は、壁要素の内面から始まる少なくとも２つの層を含む。第１の層は、障壁として作用する緻密なＮＥＧ材料層であり、第２の層は、柱状のＮＥＧ材料層である。従って、これら２つの層を同時に組み合わせることにより、真空構成要素の壁要素のガス放出が防止又は最小化され、ＮＥＧ材料の十分なポンプ性能が可能になる。

好ましくは、ＮＥＧ材料層及び／又は層加熱素子は、１又は２以上の断熱体によって部分的に及び好ましくは完全に囲まれている。断熱体によって、真空構成要素に接続された真空装置の他の構成要素の過熱が防止される。同時に、これらの部品の意図しないガス放出も防止又は最小化される。同時に、加熱素子によって発生した熱は、ＮＥＧ材料層に集中し、ＮＥＧ材料層の活性化の効率を高める。

好ましくは、断熱体の１又は２以上は熱質量である。真空構成要素がパイプである場合、熱質量は、１又は２以上のフランジとすることができる。フランジによって、壁要素に比べて増加した熱容量を有する付加的な材料が提示され、熱伝達を減少させる。同時に、フランジの表面の増加により、熱質量の冷却が可能になる。ここで、特に熱質量は、効率的に周囲に熱を放散できるように、外面において粗面化された外面又は冷却フィンを有することができる。

好ましくは、１又は２以上の断熱体は、薄肉壁セクションである。薄肉壁セクションによって熱伝導が低減される。ここで、薄肉壁セクションは、壁要素と比較して８０％未満、好ましくは６０％未満、及びより好ましくは４０％未満の壁厚を有することができる。下限は、真空構成要素の安定性によってのみ設定される。

好ましくは、１又は２以上の断熱体は、構成要素及び／又は壁要素の材料と比較して熱低い伝導率を有する断熱材料である。

好ましくは、断熱材料はセラミック材料又はプラスチックであり、内面における断熱材料は、好ましくはＮＥＧ材料層によって覆われている。

好ましくは、真空構成要素は管体として構築される。

更に、本考案は、真空を含む少なくとも１つのベッセルと、ベッセルに接続された少なくとも１つの真空ポンプとを備えた真空装置に関する。ここで、真空ポンプは、ターボ分子真空ポンプとして構築することができる。更に、真空装置は、上記のような真空構成要素を含む。特に、真空構成要素は、ベッセルと真空ポンプとを接続する管体である。

以下では、添付図を参照して本考案をより詳細に説明する。

本考案の第１の実施形態を示す図である。 本考案の更なる実施形態を示す図である。 本考案の更なる実施形態を示す図である。 本考案の詳細図である。

管体１０として構築された本考案による真空構成要素を示す図１を参照する。管体１０は、外面１４及び内面１６を有する壁要素１２を有する。壁要素により、内部容積１８が定められる。装着状態では、内部容積１８に真空が提示される。図１は、本考案の真空構成要素を管体として示しているが、真空装置の他の真空構成要素を使用することもできる。例えば、ＳＥＭカラムを真空構成要素として使用することができる。

管体１０の外面１４は、層加熱素子２０によって覆われている。ここで、層加熱素子は、管体１０の外面に直接コーティングすることができる。ここでは、層加熱素子は、英国特許ＧＢ２５６９９９６に従って構築することができる。図４に詳細に示すように、層加熱素子２０は、管体１０の壁要素１２に直接接続された少なくとも１つの電気絶縁体層２２を備えることができる。電気絶縁体層２２の上部には、加熱層２４が好ましくはコーティングによって構築される。ヒーター層２４は、導電性ヒーター層又は抵抗性ヒーター層として構築することができる。ここでは、電気絶縁体層２２は、セラミック、ポリマー又はポリマーマトリックス複合材料からなる群から選択される材料を含むことができる。ここでは、セラミックは、シリコーンカーボナイト、又は硝酸塩、アルミナ、硝酸アルミニウム、スピネル、ムライトからなる群から選択することができる。或いは、電気絶縁体層２２は、芳香族ポリアミド及び芳香族ポリエステル、芳香族ポリイミド、ポリアミド、ポリスルホン、ポリエチレンイミン、及びポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）を含む、液晶ポリマーの群から選択されるポリマー、又はこれらの誘導体又はコポリマーとすることができる。好ましいポリイミドは、ポリ（４，４’－オキシジフェニレンピロメリチミド）を含むことができる。或いは、ポリアミドナイロン樹脂又はポリブチレンテレフタレート樹脂を選択することもできる。ポリマーは、更に、帯電防止剤、酸化防止剤、離型剤、防炎剤、潤滑剤、着色剤、流動性向上剤、ナノフィラーを含む充填剤、光安定剤及び紫外線吸収剤、顔料、及び可塑剤からなる群から１又は２以上を含むことができる。実施形態において、ポリマーは、ポリマー３０マトリックスとポリマーマトリックスの耐熱性を高める分散相とを含む複合材料とすることができ、ガラス繊維強化ポリマー及び炭素繊維強化ポリマーが特に好ましい。

好ましくは、ヒーター層２４は、金属又はセラミックである。好ましくは、ヒーター層２４は金属であり、ニクロム、チタン合金、カンタル、キュプロニッケル、白金、イリジウム、レニウム、パラジウム、ロジウム、金、銅、銀、タングステン及びこれらの合金からなる群から選択される材料を含む。或いは、ヒーター層２４はセラミックであり、二ケイ化モリブデン又はチタン酸バリウムもしくはチタン酸鉛のような正の温度係数セラミックからなる群から選択される。

好ましくは、断熱層２２、ヒーター層２４及び／又は何れかの更なる外側断熱層（図示せず）は、高速酸素燃料（ＨＶＯＦ）、電気泳動蒸着（ＥＰＤ）、低温蒸着（ＬＰＤ）、電子ビーム物理蒸着（ＥＢＰＶＤ）、空気プラズマスプレー（ＡＰＳ）、静電スプレー支援蒸着（ＥＳＡＶＤ）、直接蒸着、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される１又は２以上の技術を用いて蒸着される。

本考案によれば、ＮＥＧ材料層２６は、壁要素の内面１６に接続される。ここで、ＮＥＧ材料層２６は、壁要素１２のガス放出を防止又は最小化する障壁として作用する緻密ＮＥＧ材料層として構築された第１の層２８を含むことができる。ここでは、緻密なＮＥＧ材料層２８は、壁要素の内面に直接接続されている。緻密なＮＥＧ材料層は、コーティングによって構築することができる。ＮＥＧ材料層２６は、柱状ＮＥＧ材料層３０として構築された第２のＮＥＧ材料層を含むことができ、柱状ＮＥＧ材料層によって、ＮＥＧ材料層のポンプ性能を高めるために増大した表面が提供される。図１は、ＮＥＧ材料層２６が第１のＮＥＧ材料層及び第２の層を有することを示しているが、ＮＥＧ材料層２６は、緻密なＮＥＧ材料層又は柱状ＮＥＧ材料層の何れかである１つのＮＥＧ材料層のみを含むことができ、又は互いにスタックされた３以上のＮＥＧ材料層を含むことができる。

ここでは、層加熱素子２０が壁要素のほぼ完全な外面を覆っていることが示されている。更に、層加熱素子２０の位置は、壁要素の両側におけるＮＥＧ材料層２６の位置に対応している。従って、ＮＥＧ材料層の均質な加熱が可能である。加えて、ＮＥＧ材料層は、パイプ１０の真空中へのガス放出を効率的に防止し、及び／又はＮＥＧ材料層のポンプ効率を高めるために、パイプ１０の完全又はほぼ完全な内面にわたって延びる。

パイプ１０は、第１の端部３２及び第２の端部３４を有し、第１の端部３２及び第２の端部３４には、例えばパイプをベッセル又は真空ポンプに接続するためのフランジ３６が接続されている。フランジ３６によって、層加熱エレメント２０によって供給される熱を制限する熱質量が提供される。同時に、フランジ３６による効率的な熱放散を可能にするために、フランジ３６によって外面が増大される。従って、フランジ３６によって、層加熱エレメント２０からの熱が管体１０の第１の端部３２又は第２の端部３４に取り付けられた構成要素に広がるのを防止する熱障壁が提供される。従って、層加熱素子２０の熱は、パイプ１０に局在化され、これにより、ＮＥＧ材料層２６の均一で効率的な加熱が提供される。

以下では、図２を参照し、ここで同一又は類似の要素には同一の参照符号が付与される。図２の実施形態では、層加熱素子２０は、薄肉壁セクション３８として構築された断熱体によって制限される。薄肉壁セクションは、壁要素１２におけるカンファレンシャル溝として構築されている。従って、薄肉壁セクション３８によって、これらのセクションにわたる熱伝導率が低下され、層加熱素子２０によって生成される熱が閉じ込められる。従って、ＮＥＧ材料層２６の効率的で均質な加熱が提供される。ここで、薄肉壁セクション３８の壁の厚さは、残りの壁要素１２の壁の厚さの８０％未満、より好ましくは６０％未満、最も好ましくは５０％未満を有することができる。

図３を参照すると、同一又は類似の要素には同一の参照符号が付与されている。図３の実施形態では、層加熱素子２０は、断熱材料４０によって構築された断熱体によって制限される。特に、断熱材料４０は、酸化アルミニウムのようなセラミックとすることができるが、この特定の選択に限定されるものではない。特に、断熱材料４０は、壁要素１２の材料に比べて低い熱伝導率を有するように選択される。従って、断熱材料４０にわたる熱伝導が防止又は低減される。層加熱素子２０の熱は、ＮＥＧ材料層の効率的で均質な加熱を提供するために、構成要素１０に閉じ込められる。ここで、断熱材料４０の内面は壁要素１２の内面まで延びていることに留意されたい。従って、構成要素１０の内面の一部は断熱材料４０の材料によって構築される。多孔質セラミックとすることができる断熱材料を介したガス放出又は漏出さえも防止するために、断熱材料４０は、少なくとも１つのＮＥＧ材料層によって、好ましくは障壁としての緻密な材料層によってコーティングされる。

１２ 壁要素
１４ 外面
１６ 内面
１８ 内部容積
２０ 層加熱素子
２２ 電気絶縁体層
２４ ヒーター層
２６ ＮＥＧ材料層
２８ 緻密ＮＥＧ材料層
３０ 柱状ＮＥＧ材料層
３２ 第１の端部
３４ 第２の端部
３６ フランジ
３８ 薄肉壁セクション
４０ 断熱材料

Claims (15)

1. 真空装置用の真空構成要素であって、
   真空の外側に外面と、真空の内側に内面とを有する壁要素と、
   前記外面に接続された層加熱素子と、
   前記層加熱素子の位置に対応する位置にて前記内面に接続されたＮＥＧ材料層と、を備える、
   ことを特徴とする真空構成要素。
2. 前記層加熱素子が、抵抗ヒーター又は導電ヒーターである、
   請求項１に記載の真空構成要素。
3. 前記層状加熱素子が、完全な前記外面を覆っている、
   請求項１に記載の真空構成要素。
4. 前記加熱素子が、前記外面上にコーティングされた加熱層を含む、
   請求項１に記載の真空構成要素。
5. 前記ＮＥＧ材料層が、完全な前記内面を覆っている、
   請求項１に記載の真空構成要素。
6. 前記ＮＥＧ材料層が、１００ｎｍ～１０００ｎｍの厚さ、好ましくは３００ｎｍ～１０００ｎｍの厚さ、最も好ましくは４００ｎｍ～６００ｎｍの厚さである、
   請求項１に記載の真空構成要素。
7. 前記ＮＥＧ材料層が、緻密なＮＥＧ材料層及び／又は柱状ＮＥＧ材料層を含む、
   請求項１～６の何れか１項に記載の真空構成要素。
8. 前記ＮＥＧ材料層が、前記内面から始まる少なくとも２つの層を含み、第１の層が緻密なＮＥＧ材料層であり、第２の層が柱状ＮＥＧ材料層である、
   請求項１～６の何れか１項に記載の真空構成要素。
9. 前記ＮＥＧ材料層及び／又は前記層加熱素子が、１又は２以上の断熱体によって部分的に及び好ましくは完全に取り囲まれている、
   請求項１～６の何れか１項に記載の真空構成要素。
10. １又は２以上の断熱体が熱質量であり、好ましくは前記熱質量がフランジである、
    請求項１～６の何れか１項に記載の真空構成要素。
11. 前記１又は２以上の断熱体が薄肉壁セクションである、
    請求項１～６の何れか１項に記載の真空構成要素。
12. 前記１又は２以上の断熱体が、前記真空構成要素の材料と比較して低い熱伝導率を有する断熱材料である、
    請求項１～６の何れか１項に記載の真空構成要素。
13. 前記断熱材料が、セラミック材料又はプラスチックであり、好ましくは前記内面の前記断熱材料が、前記ＮＥＧ材料層によって覆われている、
    請求項１２に記載の真空構成要素。
14. 管体として構築された請求項１～６の何れか１項に記載の真空構成要素。
15. 少なくとも１つのベッセルと、少なくとも１つの真空ポンプ、好ましくはターボ分子ポンプとして構築された真空ポンプとを備えた真空装置であって、
    請求項１～６の何れか１項に記載の真空構成要素を更に含む真空装置。

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