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クリーンで信頼性の高い分析環境を実現する真空システム

真空ポンプは、正確で精密かつ信頼性の高い測定に必要である適切な真空状態を作り出すことで、様々な種類の分析機器において重要な役割を果たしています。真空ポンプは、残留大気ガスによる干渉の可能性を低減する真空環境を作り出すことにより、装置チャンバーやサンプル調製から空気やその他のガスを除去します。これにより、幅広い分析アプリケーションのパフォーマンスにとって重要な、微量サンプルからの信号検出が可能になります。 

真空ポンプには、ロータリーベーンポンプ(RVおよびE2M)、スクロールポンプ、多段ルーツ式ポンプ(nXRiおよびnXLi)などの補助ポンプから、分析機器で使用されるターボ分子ポンプイオンゲッターポンプなどの主ポンプまで、いくつかの種類があります。

実験室で働く2人の科学者


補助ポンプは、大気圧へ排気し、低・中真空レベルで圧力を達成します。オイルを使用することも、「ドライ」にすることもできます。
高真空および超高真空レベルを達成する主ポンプには、補助ポンプが必要です。使用する真空ポンプの種類は、分析用途の固有の要件によって異なります。 

当社の真空ポンプとそのコントローラーはすべて、分析機器分野の主要OEMと共同で開発されています。市販のポンプがお客様のプロセスのスペースや性能要件に適合しない場合は、当社の「特注製品開発」(BPD)チームが、カスタマイズされた真空ソリューションを開発します。これは、お客様の用途に合わせて共同で設計されます。 

質量分析用真空システム

質量分析(MS)は、サンプル中の原子および分子の質量および相対量を測定するために使用される科学技術です。つまり、化学分析器と考えることができます。最初に、サンプルは「イオン化」する必要がありますが、これはサンプルタイプに応じてさまざまな方法で実施できます。次にイオンは、質量対電荷比に応じて最適な方法を採用して再度分離されます。そして、イオンが検出され、最終的に信号が処理されて、結果の質量スペクトルが得られます。 

質量分析には、化学、生物学、環境科学、薬理学、医療分野など、さまざまな用途があります。未知の化合物の同定、サンプル中の特定の化合物の定量化、および複雑な分子の構造の決定に使用できます。

質量分析測定の正確さと精密さは、さまざまな真空レベルに依存します。真空ポンプは、測定プロセスに干渉する可能性のある残留ガス分子を除去し、確実に目的の真空条件内で質量分析計が動作するのを可能にします。

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質量分析用の一般的な真空ポンプには次のものがあります:

ロータリーベーンポンプ(RVおよびE2M)

オイルシール型ロータリーベーンポンプ(RVP)は、ローターに保持された一組のスライディングブレードで構成され、円筒状のステータハウジング内で中心からずれて偏心回転します。オイル潤滑されたブレードがローターとともに回転すると、遠心力によってステータハウジングの壁に押し付けられます。ポンプに流入したガスは、ブレードによって閉じ込められ、ポンプ出口に達するまで圧縮されて体積が減少し、大気中に排気されます。1段または2段式RVPが使用され、異なる最終圧力を提供します。

多段ルーツ式ポンプ(MSR)(nXRiおよびnXLi)

最も単純な形では、多段ルーツ式ポンプはドライで、2つの逆回転する相互接続された繭型のローターが、ステータハウジング内で回転します。ガスはローターに対して垂直に配置されたインレットフランジを介してポンプ内に入り、高速回転ローター(逆方向に回転)間で「分離」され、圧縮されて次の段に送られます。ローターの形状により圧縮が行われるため、各段で徐々に高い圧力が生成されます。多段ルーツ式ポンプは通常、共有シャフトに7つのローターステージを使用し、1つのセットの排気ステージは、次のインレットステージに接続されます。圧縮ガスは、最終的な排気ステージを経由して大気中に放出されます。

スクロールポンプ

ドライスクロールポンプは、真空ハウジング内に含まれる2つの共巻らせん状のスクロールで構成されています。一方のスクロールは固定され、もう一方の公転スクロールは他方のスクロール内で回転せずに偏心して移動します。ガスは、らせんの(外側の)開放端に入り、らせんの1つが回転すると、大量のガスがスクロールの間に分離され、2つのらせんの間で「絞られて運ばれ」ます。この分離されたガスの「塊」がメカニズムの中心に向かって移動するにつれて容積が減少し、その結果この隔離されたガスは、ハウジングの中心で逆止弁を介して大気圧に放出されるまで連続的に圧縮されます。

ターボ分子ポンプ(TMP)

これらのポンプは、非常に高速の回転速度のタービンブレード(1,000 Hzレベル)を使用して、ガス分子を装置の真空チャンバーからポンプのインレットに排気します。これらは、装置内で使用されるさまざまなプロセスに対して、10-2~10-10 mbarの範囲で必要なさまざまな真空レベルを作り出すことができるため、広範囲に使用されます。

カスタム設計ソリューション

OEMには、特定の要件があることがよくあります。その場合、エドワーズ特注製品開発(BPD)グループは、お客様のニーズに合った真空ソリューションを共同で設計します。

電子顕微鏡用真空システム

電子顕微鏡を操作する科学者たちは、地球上で最も小さなスケールの物質を特定し、静かで、振動のない、信頼性の高い真空ポンプを必要としています。 

電子顕微鏡(EM)では、求められる性能を達成するために、その内部でさまざまな真空レベルを使用します。「線源」の電子銃の場合、電子線源の損傷を防ぐためにUHV環境が必要です。これにより、電子ビームが線源から電子カラムを通って、残留ガス分子によって散乱または吸収されることなく、サンプルに到達することができます。電子ビームはサンプルと相互作用して信号を生成し、それを検出して画像を生成します。 

高解像度画像を得るには、顕微鏡チャンバー内の真空が高品質で一貫した品質である必要があります。これには超高真空環境の場合もあり、そのため真空ポンプを使用する必要があります。 

電子顕微鏡では、さまざまな真空ポンプ技術が使用されています。一般的には、ロータリーベーンポンプダイヤフラム・ポンプスクロールポンプターボ分子ポンプ、およびイオンポンプが使用されています。顕微鏡内で真空ポンプを使用する場所に応じて、画像障害を防ぐためにポンプからの振動を最小限に抑える必要があります。一部のEM構成(環境スキャンEM)では、ポンプは最大10 mbarのレベルで水蒸気の環境を連続的に排気できなければなりません。 

電子顕微鏡を備えたワークステーション

Gamma Vacuumシリーズは、イオン、チタンサブリメーション、非蒸発ゲーターポンプを提供し、機械式ポンプを提供しています。これにより、大気からUHVまでの運転圧力を提供する幅広い製品が揃い、完全な真空ソリューションが実現します。 

電子顕微鏡で使用する真空ポンプ:

イオンゲッターポンプ(IGP)

イオンゲッターポンプの電源を入れる前には、高真空レベルに圧力を下げる必要があります。これは通常、ターボ分子ポンプとバックポンプ(ダイヤフラム、スクロール、またはロータリーベーン)を組み合わせて使用します。目的の真空レベル(通常10~6 mbar以下)が得られると、イオンゲッターポンプをオンにすることができます。イオンゲッター真空ポンプには、従来型ダイオード(CV)ポンプ、差動イオン(DI)またはノーブルダイオードポンプ、三極型ポンプの3つの基本タイプがあります。3つのタイプはすべて、排気速度によってサイズが異なる真空チャンバー、コンフラットフランジ、高電圧フィードスルーで構成されています。外付けには、0.12 Tの磁場を発生させるヨークによって接続されたフェライトマグネットプレートのペアがあります。

CVポンプは、反応性ガス(酸素、水素、炭化水素、窒素、水蒸気など)を排気する必要がある用途に最適です。内部には、一連の電気的に絶縁されたステンレス鋼製陽極管を「サンドイッチ」する、接地電位に保持されているチタン製陰極板が1組入っています。陽極管には、通常7 kV高電圧が印加され、自由電子が放出されます。これらの電子は、(磁場によって生じる)らせん運動で移動し、最終的にはガス分子に衝突して電子を打ち落とし、正電荷を帯びたイオンを生成します。このイオンは、正電荷を帯びた陽極管に反発し、接地された陰極板に引き込まれ、高速で表面に衝突してチタンの陰極板と化学反応を起こします。チタンのスパッタも開始され、チタンの活性ゲッターポンピング層を形成します。

DIゲッターポンプは、優れた希ガス排気能力を備えていますが、その結果、反応性の高いガス排気能力を失うことになります。チタンプレートをタンタルプレートに置き換えられています。ガス分子は、再び電子爆破によってイオン化されますが、加速してタンタル陽極板に衝突すると、高エネルギー中の中性物質として反射され、表面に結合して、最終的にはスパッタタンタルによってゲッター排気されます。

三極型真空ポンプの構造は若干異なります。ここでは、チューブが接地され、陰極板が負の高電圧電位で陽極チタン製裸線に置き換えられます。イオンは通常の方法で生成され、これらの裸線に向かって加速されます。この裸線では、影響を受けて最終的にはチャンバーの壁に埋め込まれている高エネルギー中性物質として放出され、スパッタチタンによってゲッター排気されます。チタン製裸線は、鋭いエッジを持ち、それらが高い負電位にあるため、「ウィスカ」が発生しやすく、定期的に「フラッシュオーバー」を引き起こし、時間の経過とともに電気的に不安定になります。

 

IGPは、存在するガスの量と種類に応じて、10-6から10-12 mbarまでの真空を発生させることができます。電子顕微鏡では、通常、可動機械部品がないために振動のないUHV条件を発生させることができる電子カラムで使用されます。 

グローブボックス用真空システム

グローブボックスは、酸素や湿気から完全に隔離された状態で材料を取り扱うための密閉された作業スペースです。この隔離を実現するために、真空ポンプは、グローブボックスから周囲の残留空気を排気し、窒素やアルゴンなどの不活性ガスでパージして密閉します。真空ポンプで作られる低圧環境により、外部大気がグローブボックスに入るのを防ぎます。 

グローブボックスに使用できる真空ポンプには、ダイヤフラムポンプ、ロータリーベーンポンプ、スクロールポンプなど、さまざまな種類があります。ポンプの選択は、ガス流量、真空レベル、メンテナンス要件など、用途固有のニーズによって異なります。  

不活性ガスフレームグローブボックス

X線回折(XRD)用真空システム

X線回折は、X線との相互作用を調べることによって、材料の構造を分析するために使用される手法です。サンプルにX線が照射されると、サンプルの結晶構造を決定するために分析できる特定のパターンで回折されます。 

X線回折では、X線を散乱および吸収して信号対雑音比を低減したりデータの精度を低下させたりする大気分子を除去するために、真空を使用します。空気分子を除去して真空を生成することで、X線は干渉なしでサンプルと相互作用し、より高品質なデータを得ることができます。 

また、サンプル汚染を低減するためにも真空が使用されます。サンプルが空気にさらされると、ほこり、水蒸気、その他の浮遊粒子によって汚染され、回折パターンに干渉する可能性があります。真空を使用することで、サンプルはこれらの汚染物質から保護され、より正確な分析が可能になります。 

X線回折装置で真空を生成するには、真空ポンプを使用してサンプルチャンバーから空気分子を除去します。ロータリーベーンポンプ、ダイヤフラムポンプ、ターボ分子ポンプなど、さまざまな種類の真空ポンプを使用できます。これは、装置の特定の要件と分析するサンプルによって異なります。 

AIによる原子・分子構造の画像生成
笑顔で廊下に立つEdwardsの従業員
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