[发明专利]包括吸气泵和离子泵的组合泵送系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种包括吸气泵和离子泵的组合泵送系统。

背景技术

存在着诸如粒子加速器和电子显微镜的众多科研和工业仪器或系统，所述仪器或系统的运转需要超高真空条件(在该领域中被指示为UHV)，即压力值低于10^-6Pa。泵送系统一般被用来创建这些真空层级，所述泵送系统包括被定义为主泵的泵(例如旋转泵或隔膜泵)，以及在涡轮分子泵、吸气泵、离子泵或低温泵之间选择的二级泵。主泵在大气压力下开始运转并且能够将腔室内的压力值降至大约10^-1-10^-2Pa；在这些压力下UHV泵被激活，将系统中的压力值降至大约10^-7-10^-9Pa。

在最通用的UHV泵中，离子泵和涡轮分子泵能够吸收几乎所有气体。

涡轮分子泵得到赏识，原因在于与其它机械泵相比，涡轮分子泵具有降低的(即使并非无效)真空腔室的油污染，但是有效的极限真空值与轻气体(氢气和氦气)相当低的压缩比以及来自外部环境的少量这些气体通过该泵的可能传入有关。

离子泵不具有移动部件和油，因此离子泵的特征在于非常完全地低维护以及与外部环境更好地隔绝。此外，它们能够提供排空腔室内部压力值的近似指示。该特征得到真空仪器的制造商和使用者的赏识，原因在于其允许监控系统的条件并且当腔室内的压力增大至临界值时中断泵送运转。

离子泵包括一套多个相互等同的构件。在所述构件的每一个中，通过高电场从腔室中的气体产生离子和电子；被布置成围绕每个构件的磁体为电子提供非直线型轨迹(一般为螺旋型轨迹)以便于增强其电离腔室中其它分子的能力。如此产生的离子被构件壁所俘获，部分地通过向壁内的离子注入，部分地归因于钛层下的埋入效应，所述埋入效应通过在离子撞击和再沉积后的壁侵蚀所产生的原子(或原子“簇”)形成。钛亦具有固有的吸收能力，即钛是能够与简单气体分子相互作用通过形成化学合成物固定它们的金属。

离子泵的一个问题表现为作为甲烷分解效应而产生氢气的可能性，这是能带来实现所需真空条件(即达到系统压力值低于大约10^-8-10^-9Pa，如由K.L.Welch等人发表于J.Vac.Sci.Technol.A，American Vacuum Society，1994，第861页的科学出版物“Pumping of Helium and Hydrogen by Sputter-Ion Pumps.II.Hydrogen Pumping”中所描述的)上的困难的现象。氢气和其他不需要的气体物质的产生导致从离子泵朝向真空腔室的准直分子流量的存在，一般被称作“束效应”。

第二类问题可能存在于尘粒投射至束管道内，为了诸如由D.R.C.Kelly发表于Proceedings of the Particle Accelerator Conference，1997，第3卷，第3547页中的科学出版物““Dust in Accelerator Vacuum Systems”中所描述的若干应用。

离子泵的其他非次要性限制是它们相对较大的尺寸和重量，所述相对较大的尺寸和重量使得它们在小型或便携式系统中较难应用。

这些问题在诸如电子显微镜、粒子加速器和表面分析系统的应用中是尤其重要的。

吸气泵的运转基于由非可蒸发的吸气材料(在本领域中被称作NEG)制成的元件化学吸收活性气体物质(诸如氧气、氢气、水和碳的氧化物)的原理。最重要的NEG材料是基于锆或钛的合金；吸气泵例如在专利US 5,342,172和US 6,149,392中进行描述。吸气泵具有在相等尺寸下显著高于离子泵的吸收速度的气体吸收速度，并且与之相比能够更加有效地去除氢气；与这些优势相反的，吸气泵的泵送效率在碳氢化合物(诸如例如环境温度下的甲烷)情况下是不良的并且在稀有气体情况下是无效的。此外，吸气泵无法提供腔室内压力的测量。

为了改进UHV腔室中的泵送，不同二级泵的组合使用可以克服以上所描述的限制。

与涡轮分子泵逆向相对的吸气泵的使用在国际专利公开WO98/58173中被描述。该应用教示了涡轮分子泵和特殊吸气泵的组合，以克服严格地与第一泵的机械结构相关的逆向配置的效率、传导性以及热的缺陷。所公开方案的较强限制是需要特别的吸气泵，所述吸气泵适当地进行制造以与涡轮分子泵一起使用。实际上Z形线被建议作为吸气元件，以克服在标准式生产的NEG泵的使用中所观察到的技术问题。因此，不可能在所公开的组合泵送系统中使用较少花费以及更高效率的吸气泵。