[发明专利]包括吸气剂泵和离子泵的组合式抽气系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种包括吸气剂泵和离子泵的组合式抽气系统。

背景技术

有许多工业和科学仪器及系统的运行要求超高真空条件(在本领域中用UHV来表示，相当于低于10^-5-10^-6Pa的压力)。在这些仪器和系统中，可以提到的有粒子加速器和电子显微镜。为了产生这样的真空度，通常使用包括被限定为主泵的泵(例如，旋转泵或者隔膜泵)和UHV泵(例如，涡轮分子泵、吸气剂泵、离子泵或者低温泵)的抽气系统。主泵可以在大气压力下开始运行，并且可使仪器的真空室内部的压力降至大约10^-1-10^-2Pa的数值。在这样的压力下，就可起动UHV泵，UHV泵使系统的压力降至大约10^-8-10^-9Pa的数值。

目前，大部分扩散型UHV泵是离子泵，因为它们几乎可以截留全部的气体(虽然相对于氢气而言具有抽气效率较差)，并且它们可以提供真空室内部压力值的指示(虽然只是近似的)。真空仪器的制造商和使用者特别重视后一特征，因为该特征允许对系统状态进行控制并且可能当真空室内部的压力增加至临界值时允许中断其运行。

离子泵通常是由多个等同构件的组件所制成的。在这些构件的每一个中，作为所施加的强电场的效果，真空室中存在的气种被电离从而生成离子和电子。围绕每个构件设置的磁体为电子提供了非线性(大致螺旋状)的轨迹，以便提高电子把真空室中存在的其他分子电离的能力。如此产生的离子集合嵌入到构件的壁中，部分地是由于离子植入到相同的构件壁中，并且部分地是由于在离子轰击时由壁的腐蚀所产生的原子(或者原子簇)沉积而形成的钛层下面的“掩埋”效应。钛也具有固有的吸气能力，即，钛可以与简单的气体分子相互作用，从而通过形成化学化合物或者物理吸附来固定气体分子。

因为离子泵通常是由多个等同构件的组件所组成的，所以离子泵的吸气特性(特别是吸气速度)基本上是其尺寸和重量的线性函数。因为上述系统通常需要多个连接到真空室不同区域的抽气单元，所以这些系统运行所需的成套离子泵以不可忽略的方式增大了系统总的重量和尺寸。

吸气剂泵的运行原理是通过由非蒸散型吸气剂材料(在本领域中称为NEG)制成的构件来对活性气种(例如，氧气、氢气、水和碳的氧化物)进行化学吸附。最重要的NEG材料是锆基合金或者钛基合金。例如，在专利US5,324,172和US6,149,392中描述了吸气剂泵。这些泵的吸气速度显著地高于相似尺寸的离子泵的吸气速度，并且能够比相似尺寸的离子泵更有效地去除氢气，然而这些泵对碳氢化合物的抽吸效率较差并且对稀有气体是无效的，并且它们不能对真空室内部的压力提供测量。

离子泵和吸气剂泵的组合使用提供了特别高效的UHV抽气系统。例如，从以下文件中已知了类似的抽气系统：公开的专利申请JP 58-117371和GB 2,164,788以及专利US 5,221,190，它们涉及这样的真空系统；和公开的专利申请JP-A-06-140193及JP-A-07-263198，它们涉及粒子加速器，其真空室通过使用分别的离子泵和吸气剂泵来保持真空。

在以上引用的文件中所描述的抽气系统使用离子泵作为主泵，并且使用吸气剂泵作为比主泵尺寸更小的辅助泵。这些文件未解决与使用离子泵有关的主要问题，即，它们的大重量、大尺寸和高能耗。

专利申请US 2006/0231773描述了一种电子显微镜，其中，真空系统包括离子泵和吸气剂泵。该文件颠倒了传统的情况，并且建议使用吸气剂泵作为主泵以便利用其减小的尺寸，并且使用相对小的离子泵来截留未被吸气剂泵吸走的气体。该系统可以改进真空系统的重量和尺寸，但还是具有两个单独的泵，这对整个系统来说是不可忽略的累赘。此外，众所周知的是，UHV系统中的关键点是真空室壁中的所有孔和连接。这种情况的发生是因为：由于在法兰、垫圈或者钎焊材料处的密封可能存在显微级的缺陷(特别是在系统被加热并且不同材料制成的部件发生不同热膨胀的情况下)，这些孔会是对于真空条件来说优先的退化点。在专利申请US 2006/0231773中公开的具有两个单独泵的系统需要至少两个从外部进入的不同入口点，一个供离子泵用(或者如果系统包括多于一个离子泵，则多于一个的入口点)并且另一个用于吸气剂泵。从制造必须在超高真空运行的系统的观点看，这不能认为是最佳特征。因此，本发明的目的是提供一种组合式吸气-离子泵，其克服了现有技术的缺点。

发明内容