КОМБИНИРОВАННАЯ НАСОСНАЯ СИСТЕМА, СОДЕРЖАЩАЯ ГЕТТЕРНЫЙ НАСОС И ИОННЫЙ НАСОС Российский патент 2013 года по МПК H01J41/00 H01J41/20 

Настоящее изобретение относится к комбинированной насосной системе, содержащей геттерный насос и ионный насос.

Существует множество промышленных и научных приборов и систем, которые для работы требуют сверхвысокого вакуума (в отрасли обозначаемого UFV и соответствующего давлению 10^-5-10^-6 Па). К таким приборам и системам относятся ускорители частиц и электронные микроскопы. Для генерирования таких уровней вакуума обычно используют насосные системы, содержащие насос, который называют главным насосом, например роторный или мембранный насос, и насос сверхвысокого вакуума, например, турбомолекулярный, геттерный, ионный или криогенный насос. Главный насос может начать работать при атмосферном давлении и понизить давление в вакуумной камере прибора до величин около 10^-1 -10^-2 Па. При таком давлении можно активировать насос сверхвысокого вакуума, который доводит давление системы до величин порядка 10^-8-10^-9 Па.

В настоящее время наиболее распространенными насосами сверхвысокого вакуума являются ионные насосы, поскольку они способны блокировать практически все газы (хотя и имеют низкую эффективность откачки в отношении водорода) и могут обеспечить индикацию, хотя и приблизительную, величины давления внутри вакуумированной камеры. Этот последний признак особенно ценится производителями и пользователями вакуумных приборов, поскольку он позволяет контролировать состояние системы и дает возможность прервать работу, когда давление внутри камеры возрастает до критических величин.

Ионные насосы обычно производят, собирая множество одинаковых элементов. В каждом из этих элементов ионы и электроны генерируются путем ионизации различных газов, присутствующих в камере, под воздействием приложенного сильного электрического поля. Расположение магнитов вокруг каждого элемента придает электронам нелинейную (по существу спиральную) траекторию, повышая их способность ионизировать другие молекулы, присутствующие в камере. Набор ионов, полученных таким способом, внедряется в стенки элемента, частично в результате имплантации ионов в эти же стенки и частично благодаря эффекту "захоронения" под титановыми слоями, сформированными путем отложения атомов (или кластеров атомов), генерируемых в результате эрозии стенок при бомбардировке ионами. Титан также обладает собственной способностью газопоглощения, т.е. он может взаимодействовать с простыми молекулами газов, фиксируя их через формирование химических соединений, или через физическое поглощение.

Поскольку ионный насос обычно состоит из сборки множества одинаковых элементов, характеристики газопоглощения (в частности, скорость поглощения) являются по существу линейной функцией его размера и массы. Поскольку вышеупомянутые системы по существу требуют множества насосных установок, подсоединенных к разным зонам вакуумной камеры, комплект ионных насосов, необходимый для работы таких систем, повышает совокупную массу и габариты таких систем в такой степени, которой невозможно пренебречь.

Геттерные насосы работают на принципе химического поглощения реактивных газов, таких как кислород, водород, вода и оксиды углерода, элементами, выполненными из неиспаряющихся геттерных материалов (известных в отрасли под аббревиатурой NEG (non-evaporating getter)). К важнейшим NEG-материалам относятся сплавы на основе циркония или титана. Геттерные насосы описаны, например, в патентах США №№ 5,324,172 и 6,149,392. Эти насосы имеют скорость газопоглощения заметно более высокую, чем скорость поглощения ионных насосов такого же размера, и могут удалять водород значительно более эффективно по сравнению с ионными насосами, тогда как их эффективность откачки углеводородов невысока, а для благородных газов эта эффективность равна нулю, и такие насосы не имеют возможности измерять давление внутри камеры.

Комбинированное использование ионных и геттерных насосов позволяет получить особо эффективную насосную систему для получения сверхвысокого вакуума. Подобные насосные системы известны, например, из опубликованных заявок на патент JP 58-117371 и GB 2,164,788, а также из патента США № 5,221,190, которые относятся к вакуумным системам как таковым, и из опубликованных заявок на патент JP-A-06-140193 и JP-A-07-263198, которые относятся к ускорителям частиц, вакуумная камера которых вакуумирована с использованием разделенных ионных и геттерных насосов.

Насосные системы, описанные в вышеуказанных документах, предусматривают использование ионного насоса в качестве основного насоса, а геттерного насоса - в качестве вспомогательного насоса меньшего размера, чем основной. В этих документах не указаны пути решения основной проблемы, связанной с использованием ионных насосов, т.е. с их большой массой, габаритами и высоким потреблением энергии.

В заявке на патент США № 2006/0231773 описан электронный микроскоп, в котором вакуумная система содержит ионный насос и геттерный насос. В этом документе традиционная ситуация реверсируется, и предлагается использовать геттерный насос как основной, чтобы воспользоваться его уменьшенным размером, а также использовать относительно небольшой ионный насос для блокирования газов, не поглощенных геттерным насосом. Такая система позволяет улучшить массогабаритные характеристики вакуумной системы, но все же использует два отдельных насоса, что является заметным усложнением всей системы. Кроме того, известно, что критическими точками в системах сверхвысокого вакуума являются все отверстия и соединения в стенке камеры. Это объясняется тем, что из-за возможных микроскопических дефектов уплотнений фланцев, прокладок или припоя (в частности, в системах с нагревом или в системах с разным коэффициентом расширения деталей, выполненных из разных материалов), такие отверстия могут являться предпочтительными точками деградации вакуума. Система с двумя отдельными насосами, описанная в заявке на патент США № 2006/0231773, требует по меньшей мере двух точек доступа извне, одну для запитывания ионного насоса (или более, чем одну, если ионных насосов несколько), и другую для геттерного насоса. Это нельзя считать оптимальным решением с точки зрения изготовления системы, которая должна работать в условиях сверхвысокого вакуума. Задачей настоящего изобретения является создание комбинированного геттерно-ионного насоса, который был бы свободен от недостатков прототипов.

Согласно настоящему изобретению эта задача достигается с помощью комбинированной насосной системы, содержащей геттерный насос и ионный насос, в которой геттерный насос и ионный насос установлены на одном фланце и расположены на одной стороне этого фланца в двух его разных точках.

Далее следует более подробное описание настоящего изобретения со ссылками на приложенные чертежи, где:

фиг.1 - схематическое сечение насосной системы по настоящему изобретению;

фиг.2 - упрощенный вид в перспективе первого варианта насосной системы по настоящему изобретению;

фиг.3 - сечение по линии III-III' на фиг.2;

фиг.4 - упрощенный вид в перспективе альтернативного варианта настоящего изобретения; и

фиг.5 - сечение по линии V-V' на фиг.4.

На фиг.1 представлено схематическое сечение насосной системы по настоящему изобретению. Система 10 содержит фланец 11, на котором установлены геттерный насос 12 и ионный насос 13. Геттерный насос 12 и ионный насос 13 расположены на одной стороне фланца 11 в его двух разных точках.

На фиг.2 и 3 показан первый вариант насосной системы по настоящему изобретению. Следует отметить, что на этих чертежах ионный насос показан в простейшей конфигурации, т.е., в нем имеется только один цилиндрический анод, но анодных элементов может быть больше, чем один.

Геттерный насос 12 может быть выполнен из элементов, изготовленных из NEG-материала различной формы и собранного в разных геометриях. Геттерный насос 12 содержит множество дисков 121, 121',..., выполненных из NEG-материала и уложенных друг на друга на центральной опоре 122, при этом диски разнесены друг от друга, например, с помощью металлических колец 123 (не показаны на фиг.1), а центральная опора 122 выполнена, например, из керамики (предпочтительно, из оксида алюминия), является пустотелой и внутри содержит нагревательный элемент (не показан на чертежах), который может быть изготовлен, например, из металлического проволочного резистора, проходящего в отверстия в опоре, также выполненной из керамического материала (отверстия расположены параллельно оси опоры и являются сквозными). Типично, опора 122 прикреплена к соединителю 124, который снабжен проходящими сквозь него электрическими проводниками, выполнен из керамики и прикреплен к фланцу 11 пайкой твердым припоем. Геттерный насос, показанный на чертежах, не имеет экранов, проходящих вокруг NEG-элементов, чтобы довести скорость поглощения газов до максимума. Однако геттерный насос может иметь металлические экраны (например, в форме перфорированных пластинок или сеток), расположенные вокруг набора элементов, выполненных из NEG-материала, чтобы удерживать металлические частицы, которые могут терять NEG-элементы, например, во время манипуляций геттерным насосом при установке его в вакуумную камеру. Диски 121, 121',... могут быть выполнены из спеченного порошка NEG-материала и, следовательно, могут быть относительно компактными, но предпочтительно они выполнены пористыми, чтобы увеличить обнаженную площадь поверхности материала и, следовательно, повысить характеристики газопоглощения насоса. Пористые элементы, выполненные из NEG-материала, можно изготавливать, например, способом, описанным в патенте ЕР 719609 В1, выданном на имя настоящего заявителя. Альтернативные варианты геттерных насосов или NEG-материалов, полезных для настоящего изобретения, описаны в различных публикациях, например, в патентах ЕР 719609 и US 5324172, выданных на имя настоящего заявителя.

Ионный насос 13 выполнен из одного элемента, относящегося к тому типу, который повторяется в традиционных ионных насосах. Этот насос состоит из одного анодного элемента 131 в форме пустотелого цилиндрического тела с открытыми концами и выполненного из электропроводного материала, обычно - из металла. Цилиндрическое тело удерживается на месте крепежным элементом 132, прикрепленным к фланцу 11 соединителем 133, аналогичным соединителю 124, и снабженным одним или более соединительным проводником, изолированным от фланца. Два электрода 134, 134', выполненных из титана, тантала или молибдена, обращены к открытым концам анодного элемента 131 и расположены от него на небольшом расстоянии (около 1 мм). Узел, состоящий из анодного элемента 131 и электродов 134 и 134', расположен между двумя призматическими пустотелыми элементами 135 и 135'. Полость этих элементов открыта наружу, т.е. на той стороне фланца, которая противоположна стороне, на которой расположен анодный элемент 131, и совокупность этих двух полостей определяет посадочное место для постоянного магнита 136. Таким образом, когда насосная система соединена с вакуумной камерой, постоянный магнит 163 находится на той стороне фланца 11, которая является внешней относительно вакуумной камеры.

Магнит 136 может быть любым известным постоянным магнитом, способным создавать сильное магнитное поле, например, магнитом типа неодим-железо-бор или самарий-кобальт. Магнит 136 просто вставляют в посадочное место, из которого его легко можно извлечь, чтобы предотвратить его размагничивание при нагреве геттерного насоса или камеры, к которой подсоединена система по настоящему изобретению. Стенки двух элементов 135, 135' и, особенно, стенки (по существу прямоугольной формы), расположенные ближе к электродам 134 и 134' и параллельные им, предпочтительно имеют уменьшенную толщину, например, в пределах 0,5 - 1,5 мм, чтобы не экранировать магнитное поле, генерируемое магнитом 136. Крепежный элемент 132 анодного элемента 131 выполнен пустотелым, чтобы обеспечить возможность подачи электропитания на сам анодный элемент. В магните 136 имеются отверстия, позволяющие подсоединять электрические провода к соединителю 133. Для подачи питания на анодный элемент 131 можно использовать один провод; кроме того, могут иметься электрические контакты, необходимые для измерения давления в вакуумной камере. Электроды 134 и 134' показаны установленными на крепежные элементы 137 и 137', выполняющие простую механическую функцию удержания электродов на месте. Это возможно, когда потенциал на этих двух электродах равен потенциалу фланца. Альтернативно, на эти два электрода можно подавать электропитание (и поддерживать на них одинаковый потенциал относительно друг друга и отрицательный потенциал относительно потенциала анодного элемента 131). В этом случае крепежные элементы 137 и 137' могут быть в свою очередь соединены проводами с другими сквозными проводниками в соединителе 133. Альтернативно, можно электрически соединить два электрода друг с другом через контакт (не показан), поддерживающий на них одинаковый потенциал, и соединить этот контакт с одним сквозным проводником в соединителе 133, тем самым оставляя крепежным элементам 137 и 137' только механическую функцию.

Магнит предпочтительно является постоянным магнитом, т.е., выбран из хорошо известных магнитов на основе самария-кобальта или железа-бора-неодима. При такой конфигурации насоса по настоящему изобретению, на этапе нагревания (для активации или повторной активации геттерного материала или для дегазации вакуумной камеры, к которой подсоединена насосная система) магнит можно легко извлечь из посадочного места для предотвращения его размагничивания.

На фиг.4 и 5 показан альтернативный вариант настоящего изобретения, в котором ионный насос 13 снабжен постоянным магнитом 236 с точкой Кюри выше 350°С, т.е. выше, чем большинство обычных температур активации геттерных материалов геттерного насоса, установленного в вакуумной камере.

Как показано на чертежах, магнит 236 имеет U-образную форму, и в него вставлены анодный элемент 231 и пара электродов 234, 234'. Благодаря высокой точке Кюри магнит 236 может выдерживать температуры активации геттерных материалов геттерного насоса 12, поэтому его можно установить на внутренней стороне фланца 11, обращенной к вакуумной камере, когда насос соединен с ней. Такая конфигурация дает особые преимущества, поскольку не требует изготовления посадочного места для размещения магнита на фланце. Магнит 236 можно крепить к фланцу разными способами, например, винтами, пружинами и пр.

Предпочтительно, используется постоянный магнит, относящийся к типу "Алнико". "Алнико" - это акроним, указывающий на состав, основанный на алюминии (8-12% по весу), никеле (15-26% по весу), кобальте (5-24% по весу) с возможным добавлением небольшого количества меди и титана, остальное - железо. Помимо генерирования очень сильных магнитных полей, магниты "Алнико" имеют одну из высших точек Кюри из всех магнитных материалов, которая составляет около 800°С, и могут выдерживать любую термообработку, которой может подвергаться геттерный насос.

Учитывая очень малый размер этих двух насосов и, в частности, ионного насоса, система по настоящему изобретению может занимать на фланце 11 прямоугольник площадью не более 100×50 мм, поэтому ее можно установить на одном круглом фланце диаметром менее 125 мм (соответствующем фланцу, известному в отрасли как CF100) или на прямоугольные фланцы, имеющие размер менее 100×150 мм. Фланец выполнен из известных материалов, например, из стали AISI 316 L или AISI 304 L.

Предложена комбинированная насосная система (10), содержащая геттерный насос (12) и ионный насос (13), обеспечивающая создание сверхвысокого вакуума. Геттерный и ионный насосы (12, 13) установлены на одном и том же фланце (11) и расположены на одной и той же стороне фланца (11) в двух разных точках на нем. Конструктивное выполнение заявленной системы позволяет легко извлекать постоянный магнит из посадочного места, предотвращая его размагничивание, а также крепить магнит к фланцу различными способами, что обеспечивает повышение надежности работы системы. 7 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Комбинированная насосная система (10), содержащая геттерный насос (12) и ионный насос (13), отличающаяся тем, что геттерный и ионный насосы (12, 13) установлены на одном и том же фланце (11) и расположены на одной стороне фланца (11) в двух его разных точках, при этом постоянный магнит (136), необходимый для работы ионного насоса (13), выполнен с возможностью его расположения на стороне фланца (11), которая является внешней относительно вакуумной камеры или внутренней относительно вакуумной камеры, когда насосная система (10) соединена с ней.

2. Система по п.1, в которой магнит (136), необходимый для работы ионного насоса (13), расположен в гнезде, выполненном во фланце (11), и на той стороне фланца (11), которая является внешней относительно вакуумной камеры, когда насосная система (10) соединена с ней.

3. Система по п.1 или 2, в которой магнит (136) является постоянным магнитом и имеет состав самарий-кобальт или железо-бор-неодим.

4. Система по п.1, в которой магнит (236), необходимый для работы ионного насоса (13), расположен на той стороне фланца (11), которая является внутренней относительно вакуумной камеры, когда насосная система соединена с ней.

5. Система по п.4, в которой магнит (236) является постоянным магнитом и имеет точку Кюри выше 350°C.

6. Система по п.4 или 5, в которой магнит (236) является постоянным магнитом и имеет следующее весовое соотношение компонентов: алюминий 8-12% по весу, никель 15-26% по весу, кобальт 5-24% по весу, с возможной добавкой небольших количеств меди и титана, остальное - железо.

7. Система по п.1, в которой геттерный насос (12) выполнен из серии дисков (121, 121', …), выполненных из неиспаряющегося геттерного материала и установленных друг на друга на центральной опоре (122).

8. Система по п.1, в которой ионный насос (13) выполнен из двух плоских и параллельных друг другу электродов (134, 134', 234, 234'), образованных из титана, тантала или молибдена, между которыми расположен по меньшей мере один анодный элемент (131, 231), выполненный из титана и имеющий форму пустотелого цилиндрического тела, при этом ось анодного элемента (131, 231) перпендикулярна поверхности электродов (134, 134', 234, 234').