JPS60256574A - クライオポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、極低温パネル面の上部に気体を凝縮させて排
気作用を行う超高真空用のクライオポンプに関する。

〔発明の背景〕

従来のクライオポンプの一例として、水素排気用のクラ
イオポンプを第１図を用いて説明する。

この第１図に示すものは、チャンバ（図示せず）とクラ
イオポンプ室４との間にゲートバルブ５が設けられてい
る。クライオポンプ室４内には、液体窒素温度に冷却さ
れた一対の輻射シールド板２が設けられ、輻射シールド
板２の両端は、同じく液体窒素温度に冷却されたバック
ル板３に接続されている。輻射シールド板２とバッフル
板３で囲まれた領域には、液体ヘリウム温度に冷却され
た極低温パネルｌが設けられている。輻射シールド板２
には冷却用の液体窒素タンクが、極低温パネル１には冷
却用の液体ヘリウムタンクがそれぞれ設けられているが
、図面では省略されている。クライオポンプ室４の他端
にはゲートバルブ６が設けられ、補助排気系（図示せず
）に接続されている。

この水素排気用クライオポンプの排気運転について、以
下説明する。

まず、ゲートバルブ５を全開、ゲートバルブ６を全閉に
して、チャンバからクライオポンプ室４に排気しようと
する気体を導く。クライオポンプ室４に流入した気体の
一部は、バッフル板３に衝突し、液体窒素温度に冷却さ
れ、気体に含まれている水分や炭酸ガスがバッフル板３
に凝縮する。

凝縮しない水素やヘリウムは、極低温パネル１に衝突し
、水素が凝縮する。

排気運転を持続するにつれ、極低温パネル１上では、凝
縮した水素の膜が徐々に厚く形成されていく。凝縮した
水素の膜は、極低温パネル１からの熱伝導により冷却さ
れているため、凝縮膜が厚くなるに従い凝縮膜表面の温
度は上昇する。凝縮膜表面の温度の上昇につれて凝縮す
る水素の量↓１　５．エフ、４ｏ５８□７５．ヵ。□−
、クライオポンプ室４内の圧力が増加するとともに、ク
ライオポンプの排気速度が減少する。

このような状態になれば、チャシバ内の圧力も上昇し、
好ましくないので、ゲートバルブ５を閉じ、ゲートバル
ブ６を開き、クライオポンプの再生運転に移行するとと
もに、チャンバ内の気体を別に設けているクライオポン
プで排気することになる。

そこで、従来は予め余裕を考慮した時間を設定し、一定
時間経過すれば、たとえクライオポンプ室４内の圧力が
上昇し始めなくとも、運転モードを排気から再生に切り
替えていた。

クライオポンプの再生は、極低温パネル１に埋め込まれ
ているヒータ（図示せず）で極低温パネル１を加熱する
ことにより行うが、従来技術ではクライオポンプの再生
運転の頻度が多くなるため、再生時の液体ヘリウムの蒸
発量（消費量）が多くなるとともに、クライオポンプの
運転モードが余り欠点があった。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、前記従来技術の欠点をなくし、実測に
基づく凝縮膜厚に従って運転モードを制御するととＫよ
シ、効率のよい運転を行い得るクライオポンプを提供す
るにある。

〔発明の概要〕

本発明は、極低温パネル面上に凝縮した気体の膜厚が成
る値を越えれば、クライオポンプの排気速度が急激に減
少するということを実験により確認し、この凝縮膜厚を
測定する装置をクライオポンプ内に組み込み、この凝縮
膜厚に従ってクライオポンプの運転モードを切り替える
ようにしたものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を図面により説明する。

第２図は水素排気用クライオポンプに適用した本発明の
第１の実施例の要部を拡大して示し、第３図は凝縮膜厚
と超電導線端子間電位差との関係を示し、第４図は凝縮
膜厚と水素排気速度との関係を示す。

その第２図において、前記第１図に示すものと同じ部材
、または同じ機能を有する部材には同じ符号を付けて示
す。

そして、第２図に示すクライオポンプでは、極低温パネ
ル１上に水素が凝縮して凝縮Ｍ７が形成され、凝縮膜７
と極低温パネル１を貫通してニオブチタン（ＮｂＴｉ）
の超電導線１１が垂直に張られている。

超電導線１１の両側の端子ＡＢは、輻射シールド板２の
内側で常電導のリード線１２に接続されている。リード
線１２はＡＢ端子間の電位差を測定する電圧計１７に接
続されている。また、超電導線１１の片側の端子Ａには
別の常電導線のヒータ１４が直列に接続され、ヒータ１
４は超電導線１１とヒータ１４に定電流を流すための定
電流装置１６に接続されている。

前記定電流装置１６の他端部は、リード＃Ｊ１２にエリ
端子Ｂに接続され、閉回路が形成されている。

前記電圧計１７には、クライオポンプの排気運転と再生
運転とに切り替え制御する制御装置（図示せず）が接続
されており、この制御装置は第３図において、凝縮膜７
の厚さｔｏに相当する超電導ａｌｌのＡＢ端子間電位差
Ｖｏで入口側のゲートバルブ５を閉じ、出口側のゲート
バルブ６を開き、再生運転に運転モードを切り替えるよ
うになっている。

輻射シールド細板２やクライオポンプ室４におけるリー
ド線１２が貫通する個所は、真空シールされている。

定電流装置１６からヒータ１４お工び超電導線１１にリ
ード線１２を介して、ＡＢ端子間の電位差を測定するの
に必要な微少定電流を供給する。

極低温パネル１上には水素の凝縮膜７が徐々に形成され
るが、超電導線１１が凝縮膜７と直接接している部分（
第２図において長さｔ）では、超電導線１１が液体ヘリ
ウム温度（この実験では約４’　Ｋ　）　Ｋ？！１ｌｌ
Ｊ□い、えい、３．□えよ、気抵抗が零になる。したが
って、第３図に示すように、凝′縮膜７の厚さが増加す
るＫつれて、ＡＢ端子間の電位差Ｖは小さくなって行く
。

なお、実際に用いた超電導線１１は、直径０．２５４咽
のＮ　ｂ　’Ｉ’　ｉの表面を厚さ４３μｍの銅で被覆
したものであり、約９に以下で超電導現象を示す。

ヒーター４で超電導線１１の常電導部の一部を加熱した
のは、以下の理由による。

すなわち、超電導線１１の一部が液体ヘリウム温度に冷
却された場合、熱伝導により凝縮膜７に接していない部
分まで冷却され、そこが９に以下であれば、たとえ凝縮
膜７に直接接してい々くとも超電導現象を示すため、Ａ
Ｂ端子間の電位差■が不安定になることが分かった。そ
こで、ヒータ１４で第２図に示すよう□に、超電導線１
１の一部を加熱することにより安定した出力電圧を得ら
れる工うにしている。

凝縮膜７の厚さｔは、可視化装置（図示せず）に工り直
接測定したものであるが、実験によれば、第４図に示す
ように、凝縮膜７の厚さｔがｔｏに　卸１！なるまでは
ほぼ一定の排気温度を示すが、１ｏを超えると水素の排
気速度が急激に減少する。

そこで、この実施例では第３図に示すように、凝縮Ｍ７
の厚さが１０を越え、超電導線１１のＡＢ端子間電位差
Ｖｏ以下になった時、制御装置により入口側のゲートバ
ルブ５を閉じ、出口側のゲートバルブ６を開き、再生運
転に運転モードを切り替えるようになっている。

これに工す、クライオポンプの再生運転を必要最少限度
に抑えることができ□、したがって再生時の液体ヘリウ
ムの蒸発量を少なくでき、効率よく運転することが可能
となる。

次に、第５図は水素排気用クライオポンプに適用した本
発明の第２の実施例の要部を拡大して示す。　□ この第５図において、第２図に示す第１の実施例のもの
と同一部材、または同じ機能を有す為部材には同じ符号
を付けて示す。

この第５図に示す実施例のものは、極低温パネル１の上
に一定の間隔１．を保りて平行に１本の超電導線１１が
張られている。

前記超電導線１１０両側の端子ＡＢは、輻射シールド板
２の内側で常電導のリード線１２に接続されている。

前記リード線１２は、ＡＢ端子間の電位差■を測定する
電圧計１７と、超電導？ｌ１Ｊ１１のＡＢ端子間の電位
差Ｖを測定するために必要な微少電流を流す定電流装置
１６とに、直列に接続されていて、閉回路を形成してい
る。

なお、第５図に示す実施例では、再生用のヒータや運転
モードを切り替え制御する制御装置等は省略されている
。

ついで、この第２の実施例の動作を説明する。

クライオポンプで気体を排気して行けば、既に説明した
工うに、極低温パネルｌ上に水素の凝縮膜７が形成され
る。

ところで、極低温パネル１は液体ヘリウムにより冷却さ
れ、液体ヘリウムへの熱伝導によって極低温を維持して
いるが、極低温パネル１上の温度は、輻射シールド板２
やバッフル板３からの輻射熱量の不均一性、バッフル板
３を経て侵入してくる気体粒子数の不均一性、さらには
液体ヘリウムへの熱伝導量の不均一性などによって、原
理的に一様にはならない。

したがって、極低温パネル１上に形成される凝縮膜７の
厚さも一様とはならず、Ｍ５図に示すごとき分布をもつ
。

この実施例では、超電導線１１と極低温パネル１との間
隔１ｏを予め水素の排気速度が減少し始める凝ｆｌｉ！
ｊ膜７の厚さに設定しているので、凝縮膜７が成長し、
第５図に示す工うに、その一部が超電導線１１に接する
と、ＡＢ端子間の電位差Ｖが低下し始める。

電位差Ｖが低下し始めた時、制御装置により、入口側の
ゲートバルブ５を閉じ、出口側のゲートバルブ６を開け
て再生運転に移行する。。

第６図は第５図に示す実施例のクライオポンプの経過時
間（排気時間）とＡＢ端子間の電位差Ｖとの関係を示す
。

啼　この第６図において、排気を開始してτ０時間後に
、ＡＢ端子間の電位差Ｖが低下し始め、再生運転に移行
したが、この時点では水素の排気速度は定格値を保って
おり、低下し始めてはいなか？た。これは、既に説明し
たように、凝縮膜の一部分でも限界厚さ１ｏを越えれば
、再生運転に移行するようにしであるからである。従来
の運転モードでは、第６図に示すように、τ０よ抄も約
４割短いて！時間後に再生運転に移行していたので、従
来にくらべ液体ヘリウムの消費量も少なく、効率のよい
運転を行うことができる。

また、排気時間τ０は、チャンバ内でのガス発生量によ
っても異なり、ガス発生量が多い場合には排気時間ｔｏ
は短くなる。本発明ではこのようにチャンバ内でのガス
発生量が時々刻々変化した場合でも、排気と再生の切り
替えを凝縮膜厚に基づいて行うので、安全な信頼性の高
い運転を維持できる。

従来は、予想されるチャンバ内で発生するガスの最大鰍
に基づいて排気時間を設定していたため、バ内での予想
を越えた異常なガス発生には対処できず、本発明にくら
べ信頼性が劣っている。

続いて、第７図および第８図は本発明の実施例を示す。

この第７図、第８図において、前記第２図に示す第１の
実施例のものと同一部材、または同じ機能を有する部材
には同じ符号を付して示している。

そして、この第７図および第８図に示すものは、極低温
パネル１の上に、超電導線１１が複数本張られている。

前記複数本の超電導線１１は、第７図に示すように、極
低温パネル１の上面と平行に、かつ一定の間隔１．を保
って張られ、しかも第８図に示すように、長さ方向と直
交す方向に互いに間隔をおいて張られている。また、各
超電導線１１は輻射シールド板２の内側で直列に接続さ
れており、さらに端子ＡＢを介してリード線１２に接続
されている。

前記リード線１２は、定電流装置１６および電圧計１７
に接続されている。

前記極低温パネル１の下部には、第７図に示すごとく、
再生用のヒータ３０が設けられ、このヒータ３０は電源
３１に接続されている。

さらに、第７図に示すように、クライオポンプを再生、
排気運転に切り替え制御する制御装置３２が設置されて
いる。この制御装置３２には、ＡＢ端子間の電圧計１７
の出力値である電位差３３と、極低温パネル面の温度３
６とが入力され、また制御装置３２からは、定電流装置
１６の電流値３４と、ヒータ用の電源３１０制御信号３
５と、ゲートバルブ５．６の開閉信号３７とを出力する
工うになっている。

次に、この第３の実施例の動作について説明する。

クライオポンプの排気運転に伴い、極低温パネル１上に
＆綱膜７が形成される。超電導線１１は、極低温パネル
１のほぼ全域を覆っているので、少なくとも１箇所で凝
縮膜７の厚さが限界１ｏを越えれば、電圧計１７の出力
が低下し始める。

ここで、端子ＡＢ間の電位差３３が低下し始めると、制
御装置３２はクライオポンプを再生運転に運転モードを
切り替える。すなわち、人口側のゲートバルブ５を閉じ
、出口側のゲートバルブ６を開ける開閉信号３７を出力
するとともに、再生用のヒータ３０の電源３１に制御信
号３５を送ってＯＮさせ、極低温パネル１の温度を再生
温度（この場合、約３０Ｋ）ｔで上昇させる。さらに、
制御装置３２は定電流装置１６を制御し、超電導線１１
に通電する電流値を増加させる。

クライオポンプの再生時間は、再生温度を上げれば短縮
できるが、極低温パネル１は液体ヘリウムタンク（図示
せず）に接続されているので、再生温度を上げること、
すなわちヒータ３０での発熱量を増加させることは液体
ヘリウムの消費量を増加させることになり、好ましくな
い。本発明では、赫来の再生用のヒータ３０だけでなく
、超電。

導）ｉｌｊ！１１からの輻射熱を直接極低温パネルｌ上
の凝縮膜に与えて再生するようにしているので、従来技
術にくらべ再生時間を大幅に短縮できる。

また、超電導線１１の線径は０．２５４ｓａ＋であり、
クライオポンプの排気速度に及ばず影響は無視できる。

以上、第１．第２および第３の実施例とも水素排気用ク
ライオポンプを例にして説明したが、他の気体を排気す
るクライオポンプにも適用することができる。

また、各実施例とも図面には平板状の極低温パネルにつ
いて例示しているが、バックル板やシェブロン板状の極
低温パネルにも適用することかできる。

さらに、超電導線を極低温パネルに平行に張る場合には
、輻射シールド板にコイル状のばねを取り付け、このば
ねを用いて超電導線を支持し、熱伸びや熱収縮による、
たるみを防止するのが望ましい。

〔発明の効果〕

以上説明した本発明によれば、極低温パネル面の上部に
凝縮した気体の膜厚を測定するための超電導線と、超電
導線に一定電流を流す定電流装置２・″“ｙ″Ｆ’３ｏ
＠ｉｌ！＄＋１１１ｃＤｕＦ’３ｏ＠ｉｌ！＄＋１１１
ｃＤｕ計能の出力に基づいてクラ　１イオボンプ室を排
気運転と再生運転とに切り替え制御する制御装置とを備
え、実測した凝縮ＩＮ厚に基づいて排気運転と再生運転
とに運転モードを切り替えるようにしているので、効率
のよい運転を行い得る効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のクライオポンプの概略を示す図、第２図
は本発明の第１の実施例を示す一部拡大縦断面図、第３
図は凝縮膜厚と超電導線端子間電位差との関係を示す図
、第４図は凝縮膜厚と水素排気速度との関係を示す図、
第５図は本発明の第２の実施例を示す一部拡大縦断面図
、第６図は経過時間と超電導線端子間電位差との関係を
示す図、第７図は本発明の第３の実施例を示す一部拡大
縦断面図、第８図は第７図の■−■１線で切断した断面
図である。 工・・・極低温パネル、４・・・クライオポンプ室、５
・・・入口側のゲートバルブ、６・・・出口側のゲート
バルブ、７・・・ＩＩｉＪＩｍ膜としての水素膜、１１
・・・超電導線、ｔｏ・・・極低温パネル面と超電導線
間の間隔、Ａ。 Ｂ・・・超電導線の端子、１２・・・リード線、１４・
・・再生用のヒータ、１６・・・定電流装置、１７・・
・電圧計、３０・・・再生用のヒータ、３１・・・ヒー
タの電源、３２・・・運転モードを切り替え制御する制
御装置、３３・・・電圧計から出力される電位差、３４
・・・制御装置から定電流装置へ出力される電流値、３
５・・・電源の制御信号、３６・・・極低温パネル面の
温度、３７・・・ゲートバルブの開閉信号。 代理人　弁理士　秋本正実 茅　ｌ　固 ／ 第２目 茅３　目 茅４　固 凝脩順摩 ／７　＃； ＄Ｚ目 茅７固 ／７／６ 茅８　固 ７７　／乙 ；・１

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　チャンバから気体類を排気するための極低温クラ
   イオポンプにおいて、極低温パネル面の上部に凝縮した
   気体の膜厚を測定するだめの超電導線と、超電導線に一
   定電流を流す定電流装置と、クライオポンプ内の超電導
   線の電位差を測定する電圧計と、前記電圧計の出力に基
   づいてクライオポンプ室を排気運転と再生運転とに切り
   替え制御する制御装置とを備えたことを特徴とするクラ
   イオポンプ。 ２、特許請求の範囲第１項において、前記超電導線を少
   なくとも１本、極低温面と平行に配置したことを特徴と
   するクライオポンプ。 ３、特許請求の範囲第１項において、前記再生運転時に
   超電導線に通電する電流を、排気運転時に通電する電流
   よりも多くしたことを特徴とするクライオポンプ。