(57)【要約】【課題】分析室１０の前に予備排気室２０を備える形態の高真空分析装置において、短い時間で予備排気室の真空度をより高くすると共に、残留ガスによる試料Ｓおよび分析室壁の汚染を防止する。【解決手段】高真空分析装置において、予備排気室２０を加熱する加熱手段（ヒータ２３）と、加熱後の予備排気室２０を冷却する冷却手段（液化不活性ガスの循環流路２４）と、予備排気室２０の雰囲気を不活性ガスで置換するガス置換手段とをさらに備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料を収容するトランスファーベッセルと、トランスファーベッセル内の試料が移し替えられる真空ポンプを備えた予備排気室と、予備排気室内の試料が移し替えられる真空ポンプを備えた分析室、とを備えた高真空分析装置において、
予備排気室を加熱する加熱手段と、予備排気室を冷却する冷却手段と、予備排気室の雰囲気を不活性ガスで置換するガス置換手段とをさらに備えることを特徴とする高真空分析装置。
【請求項２】
トランスファーベッセルと予備排気室とはＯリングを備えた試料導入口を介して連通しており、該試料導入口には開閉弁が備えてあり、さらに、Ｏリングの近傍には液状不活性ガスの循環路が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の高真空分析装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高真空分析装置、特に、触媒や吸着材料のように表面が大気中の酸素や水分により汚染や変質しがちな各種の試料を、例えば１０−８Ｐａのような超高真空雰囲気の中で元素分析を行うのに好適に高真空分析装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、燃料電池のアノード触媒、セパレータや電解質膜、さらには活性炭のような炭素系吸着材のような吸着材料の分析（例えば元素分析）には、脱離ガス分析装置のように、分析すべき試料を１０−８Ｐａのような超高真空雰囲気に置き、離脱する分子を質量分析計により補足して、分子量を測定するような装置が用いられる。高真空分析装置には、他にも、オージェ電子分光分析装置、Ｘ線光電子分光分析装置のようなものがある。
【０００３】
高真空分析装置の場合、大気圧にある分析室を直接１０−８Ｐａのような超高真空雰囲気しようとすると、分析室はある程度の大きな容積を必要とすることもあり、長い排気時間を必要とする。そのために、高真空に維持される分析室の前に比較して容積の小さい予備排気室を１つ以上の配置し、予備排気室同士の間、あるいは予備排気室と分析室の間にそれぞれ開閉弁を配置し、試料の交換過程でも予備排気室の排気を継続しておき、最下流側の予備排気室のみを大気圧とするだけで、他の室は所要の真空度を継続し維持できるようにした昇温脱離ガス分析装置が提案されている（例えば、特許文献１（特開２０００−２６０７５０号公報）参照）。このようにすることにより、各室での目標真空圧までの達成時間を短縮することが可能となり、処理時間を短縮することができる。
【特許文献１】
特開２０００−２６０７５０号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記特開２０００−２６０７５０号公報に記載される昇温脱離ガス分析装置では、トランスファーベッセルに相当する第三の真空チャンバーと、予備排気室に相当する第二の真空チャンバーと、分析室に相当する第一の真空チャンバーが備えられ、各チャンバー間には開閉弁が備えられる。それぞれの真空チャンバーには真空ポンプが備えられ、少なくとも第一のチャンバーに接続する真空ポンプは常時排気状態に置かれる。第三の真空チャンバーから第二の真空チャンバーへ試料を移送するときには、第二の真空チャンバーとすでに高真空状態となっている第一の真空チャンバー間の開閉弁は閉じられる。試料の移送後に、第三と第二の真空チャンバー間の開閉弁は閉じられ、第二の真空チャンバーの排気が行われる。第二の真空チャンバーが所定の真空度に達した後、第二と第一の真空チャンバー間の開閉弁が開かれ、第二の真空チャンバーから第一の真空チャンバーへ試料が移送される。その後、第二と第一の真空チャンバー間の開閉弁が閉じられ、第一の真空チャンバー（分析室）は所定真空度まで排気される。
【０００５】
上記のように予備排気室を備えた高真空分析装置において、例えば分析室を１０−８Ｐａ程度の超高真空環境とする場合、予備排気室は１０−４Ｐａ程度まで排気され、そこから試料を分析室に移すときに、分析室は一旦１０−６Ｐａ程度の環境となり、その後、分析室の排気が行われて、１０−８Ｐａ程度の超高真空環境とされるのが普通である。その理由は、分析室が予定する超高真空圧まで予備排気室を真空ポンプで排気しようとすると排気に長い時間を必要とし、予備排気室を備えた利点が生かされなくなるためである。
【０００６】
さらに、試料をガス雰囲気下で熱処理し、表面を反応させた後、大気に晒すことなく試料調整し、トランスファーベッセルに入れ、真空環境の分析室に搬入する過程で、トランスファーベッセルから試料を一旦予備排気室に移すことが行われるが、予備排気室を１０−４Ｐａ程度の環境にまで排気したとしても、予備排気室内の残留ガス、すなわち大気中の酸素や水分などが試料表面に吸着するのを避けることができず、正確な分析測定が困難となっている。予備排気室のこの真空環境は分析室にも引き継がれるので、分析室においても同様な吸着が起こる。このような吸着は試料を汚染すると共に、分析室においては周壁に汚染物質が吸着してしまい、分析室の劣化を早める。また、アノード触媒（例えばＰｔ−Ｐｕ合金）のように、極表面（１〜２原子層）の分析を行うことを必要とし、かつ、大気中の酸素や水分などによって表面が変質してしまうような試料の場合には、汚染とともに変質を伴う。このように操作の過程で試料の汚染や変質が伴うことは分析装置として好ましくない。
【０００７】
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、排気に要する時間を実質的に長くすることなく予備排気室の真空度をさらに高くすることを可能とし、それにより、試料搬入後に分析室の真空圧を所定値にするまでの時間を短縮できるようにした高真空分析装置を提供することを目的とする。本発明の他の目的は、操作の過程で残留ガス成分が吸着することにより、試料に汚染や変質が生じるのを回避することのできる高真空分析装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明による高真空分析装置は、試料を収容するトランスファーベッセルと、トランスファーベッセル内の試料が移し替えられる真空ポンプを備えた予備排気室と、予備排気室内の試料が移し替えられる真空ポンプを備えた分析室、とを備えた高真空分析装置において、該高真空分析装置は、さらに、予備排気室を加熱する加熱手段と、予備排気室を冷却する冷却手段と、予備排気室の雰囲気を不活性ガスで置換するガス置換手段とを備えることを特徴とする。
【０００９】
本発明による高真空分析装置では、従来のこの種の分析装置と同様に、トランスファーベッセルと予備排気室との間、予備排気室と分析室との間には、開閉弁が備えられる。操作に当たり、双方の開閉弁を閉じた状態で真空ポンプを作動し、予備排気室および分析室の排気を行う。排気と平行して加熱手段により予備排気室を例えば１５０℃程度にまで加熱する。加熱手段は任意であるが装置の安全性から電気ヒータを予備排気室の外側に直接巻き付けるような態様は好ましい。温度管理と昇温制御を行うために、従来知られた温度調節器や温度表示器、さらには温度ヒューズのような温度過昇防止器を備えることは好ましい。
【００１０】
上記のように、加熱しながら排気を行うことにより、予備排気室内の大気は水分も含めて効率よく排気され、真空度を効果的に上げることができる。所定温度にまで昇温した後、真空ポンプに接続する配管に備えたバルブを閉鎖して真空引きを中断する。その状態で、予備排気室内に不活性ガス（例えば、窒素ガスやアルゴンガス）を導入する。予備排気室内の残留ガス（大気）が不活性ガスで置換され大気圧となったことを確認して、不活性ガスの導入を停止し、真空引きを再開して予備排気室の排気を行う。予備排気室を加熱していることから、予備排気室の真空度を加熱しない場合よりも高い真空度（例えば、１０−７Ｐａ程度）にすることができる。必要な場合には、所定の真空度になった時点で、真空引きを中断し、再度不活性ガスを大気圧になるまで導入し排気するサイクルを繰り返す。
【００１１】
その後、予備排気室を冷却する冷却手段を作動して、例えば液体不活性ガス（液体窒素など）を予備排気室の周りに循環させるなどにより、予備排気室を冷却する。これにより、加熱後の予備排気室の冷却時間を短縮すると共に、冷却によって予備排気室内の真空度を上げることができる。また、極微量残留ガスを予備排気室壁に吸着させることもできる。
【００１２】
所定温度（例えば、３０℃以下）にまで予備排気室が冷却した後に、アルゴンガスのような不活性ガス雰囲気内で調整された試料を不活性ガス雰囲気のままトランスファーベッセルから予備排気室に移動する。予備排気室を加熱し、雰囲気を不活性ガスで置換し、かつ、冷却することにより、予備排気室内の真空度を、このような処理をしない場合よりも、大きく高めることができる。本発明者らの実験では、同じ装置において、処理をしない場合には予備排気室の真空度は１０−４Ｐａ程度が限度であったものが、上記の処理をすることにより１０−８Ｐａ程度にまで高めることができた。また、予備排気室は完全に不活性ガスで置換されており、さらに、冷却により極微量残留ガスは予備排気室壁に吸着されているために、試料表面に汚染となる大気中の酸素や水分などは観察されなかった。
【００１３】
予備排気室を閉鎖し、必要な場合にはさらに排気（真空引き）を行って、所要の真空度とする。その後、予備排気室と分析室との間の開閉弁を開き、試料を分析室内に移動する。予備排気室内は充分に高真空環境（例えば、１０−８Ｐａ程度）となっており、開閉弁を閉じた後での真空ポンプによる分析室の排気は必要でないか、必要な場合でも排気時間を大きく短縮できる。また、開閉弁を開放しても、予備排気室から汚染源が分析室に入り込むこともない。
【００１４】
分析室内に所要の真空度が確立された後、所要の試料分析を行う。なお、本発明の装置において、分析室自体は従来知られた高真空分析装置における分析室と同じであってよい。例えば、加熱手段と質量分析計を備えたもの、電子銃、中和銃を備えるもの、あるいは、Ｘ線源や光電子・オージェ電子検出器を備えるもの等であってよい。試料を移動させる手段も従来知られた高真空分析装置で採用されているものをそのまま用いることができる。上記のように、予備排気室から汚染源が分析室に入り込むことがないので、試料が汚染されないと共に、分析に要する機器（例えば、電子銃のフィラメント）を汚染や劣化から保護することもできる。さらに、分析室壁の劣化防止ももたらされる。
【００１５】
なお、高真空分析装置において、トランスファーベッセルと予備排気室とをＯリングを備えた試料導入口を介して連通させている装置の場合には、予備排気室の加熱により該Ｏリングが熱劣化を起こす場合がある。そのために、本発明による高真空分析装置において、好ましくは、当該Ｏリングの近傍に液状不活性ガスの循環路を形成して、Ｏリングの熱劣化を防止することが好ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明による高真空分析装置の一実施の形態を説明する。図１は高真空分析装置の全体を示す概略的な断面図である。基本的な構成は、例えば上記特開２０００−２６０７５０号公報に記載される形態のガス分析装置と同様であり、真空ポンプを備えた高真空分析室１０の試料入口側には予備排気室２０が位置しており、両者の間には第１の開閉弁１１が備えられる。予備排気室２０の高真空分析室１０とは反対側には試料搬送具操作機構３０が位置しており、試料搬送具操作機構３０を制御機構を介して操作することにより、予備排気室２０内の試料は予備排気室２０から分析室１０内に移送される。
【００１７】
予備排気室２０にはターボ分子ポンプのような真空ポンプ２１が接続しており、真空ポンプ２１の吐き出し側には遮断弁２２が取り付けてある。さらに、予備排気室２０の上方には従来知られた構成のトランスファーベッセル４０が位置しており、両者の間には、第２の開閉弁であるトランスファーベッセル開閉弁４１と試料導入口４２のための開閉弁４２ａとが設けてある。それらは、樹脂製Ｏリング４４を介在させることによって、相互の気密が保持されている。
【００１８】
また、トランスファーベッセル４０内の試料を予備排気室２０内に移送する移送手段４３も備えられており、開閉弁４１、４２ａの開閉タイミングおよび移送手段４３の移動タイミングとを制御機構により適宜制御することによって、トランスファーベッセル４０内への試料Ｓの取り込み、トランスファーベッセル４０から予備排気室２０への試料の移送が行われる。なお、上記の構成は、従来知られた高真空分析装置における構成と同様であってよく、詳細な説明は省略する。
【００１９】
本発明の高真空分析装置においては、予備排気室２０の外側を覆うようにして液体窒素のような液化不活性ガスの循環流路２４が冷却手段として配置され、さらに循環流路２４を覆うようにしてヒータ２３が加熱手段として配置される。また、上記したＯリング４２ａが位置している試料導入口４２の周囲には液化窒素のような液化不活性ガスの循環路４５が設けてある。前記循環流路２４および循環路４５は液化不活性ガスタンク５０に接続しており、タンク５０内の液化不活性ガスは、適宜の循環手段により、別々に、循環流路２４および循環路４５とを通って循環する。それにより、予備排気室２０と共にＯリング４２ａも冷却される。なお、図において２７はヒータ２３の外側を覆うようにして配置された断熱材である。
【００２０】
また、予備排気室２０は窒素ガスのような不活性ガス源（ボンベ）５１に連通しており、その間の管路５２には流量制御弁２５が取り付けられる。なお、この不活性ガス源５１と液化不活性ガスタンク５０とは共通のものであってもよく、その場合には、適宜の気化器が備えられる。管路５２の流量制御弁２５と予備排気室２０の間には、真空ポンプ２１に接続する分岐管５３が設けてあり、該分岐管５３には遮断弁２６が備えられる。さらに、例えばピラニーゲージとイオンゲージとを備えた真空計５５が設けられ、予備排気室２０内の真空度を計測する。図示しないが、ヒータ２３による予備排気室２０内の加熱温度を測定する測定器、温度表示装置、あるいは、ヒータ２３の温度調整器、温度過昇防止器、なども備えられる。
【００２１】
上記の構成であり、分析に際しては、最初に、トランスファーベッセル４０内に、アルゴンガスのような不活性ガス雰囲気で調整された試料Ｓを配置する。そのときに、第１の開閉弁１１、第２の開閉弁４１、流量制御弁２５、遮断弁２６は閉、開閉弁４２ａ、遮断弁２２は開として、分析室１０に備えた真空ポンプおよび予備排気室２０に連通する真空ポンプ２１を作動し、予備排気室２０および分析室１０の排気を行う。排気と平行してヒータ２３に通電し、予備排気室２０を１５０℃程度にまで加熱する。予備排気室２０内の温度は、温度調節器や温度表示器あるいは温度過昇防止器により、所定温度にまで昇温するよう制御される。なお、試料導入口４２に備えたＯリング４４は、その近傍に備えた循環路４５を液化不活性ガスが循環することから冷却を受け、予備排気室２０の加熱に起因して熱劣化することはない。
【００２２】
この加熱しながらの真空ポンプ２１による排気により、予備排気室２０内の大気は水分も含めて効率よく排気される。所定温度にまで昇温した後、ヒータ２３を切り、遮断弁２２を閉じて真空引きを中断する。その状態で、流量制御弁２５を開き、予備排気室２０内にボンベ５１から不活性ガスを室内圧が大気圧となるまで導入する。それにより、予備排気室２０内の残留ガス（大気）は不活性ガスで置換される。大気圧となったときに、流量制御弁２５を閉じ不活性ガスの導入を停止する。そして、遮断弁２２および２６を開き真空引きを再開する。予備排気室２０内が所定の真空度（例えば、１０−５Ｐａ程度）となった時点で、再び遮断弁２２および２６を閉じて真空引きを中断し、流量制御弁２５を開いて、ボンベ５１から不活性ガスを予備排気室２０内に大気圧となるまで再度導入する。このサイクルを必要回数繰り返す（通常、２回で所要のガス置換環境が得られる）。上記のように、本発明においては予備排気室２０が予め加熱されていることから、残留ガスの排出と予備排気室２０の高真空度を容易に達成することが可能となる。
【００２３】
その後、予備排気室２０を覆うようにして配置した液化不活性ガスの循環流路２４に、タンク５０からの液化不活性ガスを循環させる。それにより、予備排気室２０は例えば３０度程度以下に冷却される。この液化不活性ガスの循環により、加熱された予備排気室２０の冷却時間を短縮することができると共に、冷却によって予備排気室２０内の真空度を上げることができる。さらに、極微量残留ガスを予備排気室２０の内壁に吸着させることもできる。
【００２４】
予備排気室２０が上記のような環境となった時点で、再び試料導入のために予備排気室２０内に不活性ガスを大気圧になるまで導入し、第２の開閉弁４１を開きかつ移送手段４３を操作して、トランスファーベッセル４０から試料Ｓを予備排気室２０に移動する。その後、第２の開閉弁４１、開閉弁４２ａを閉じて予備排気室２０を閉鎖し、真空ポンプ２１による排気（真空引き）を行って、所要の真空度（１０−８Ｐａ程度）とする。その後、予備排気室２０と分析室１０との間の第１の開閉弁１１を開き、試料搬送具操作機構３０を操作して、試料Ｓを分析室１０内に移動する。上記したように、予備排気室２０内は充分に高真空環境（例えば、１０−８Ｐａ程度）となっており、第１の開閉弁１１を閉じた後での真空ポンプによる分析室１０の排気は必要でないか、必要な場合でも排気時間を大きく短縮できる。また、第１の開閉弁１１を開いても、予備排気室２０から汚染源が分析室１０に入り込むこともない。以下、分析室１０内に所要の真空度が確立された後、従来知られたこの種の分析装置における分析と同様にして、所要の試料分析を行う。
【００２５】
なお、上記の説明は本発明による高真空分析装置の一実施の形態の説明であって、他に多くの形態が存在する。例えば、予備排気室の加熱手段としてヒータを予備排気室に巻き付ける態様を例示したが、他に、分析室同様、予備排気室２０内に加熱ヒータを組み込むような手段を用いることもできる。同様に、予備排気室２０の冷却手段として液化不活性ガスを循環させる態様を説明したが、他に、ペルチェ素子やファンによる空冷手段を用いることもできる。Ｏリングの冷却手段と予備排気室の冷却手段とを冷媒として同じ液化不活性ガスを用いるものとしたが、それぞれに異なる冷媒を循環させるようにしてもよい。予備排気室の雰囲気を置換する不活性ガスも、冷却用の不活性ガスと同じものであってもよく異なる種類の不活性ガスであってもよい。
【００２６】
さらに、冷却用の液化不活性ガスタンク５０あるいは予備排気室雰囲気置換用の液化不活性ガスボンベ５１内の残量が不十分な場合に、それを感知して警報信号を発する、あるいは装置の作動を途中で中断するような制御機構を備えることもできる。このような制御機構を備えることにより、分析装置の運転の安全性を高めることができる。
【００２７】
【発明の効果】
上記のように、本発明による高真空分析装置では、予備排気室を加熱し、冷却し、さらに雰囲気を不活性ガスで置換する手段を備えるようにしたことにより、予備排気室内の真空度を、このような手段を備えない場合よりも、同様な処理時間でもって、大きく高める（例えば、１０−８Ｐａ程度にまで）ことができる。また、予備排気室は完全に不活性ガスで置換され、さらに、冷却により極微量残留ガスは予備排気室壁に吸着されることから、予備排気室および分析室において、試料表面に汚染や変質の原因となる大気中の酸素や水分などが吸着されるのも回避できる。さらに、分析室壁および分析に要する機器を汚染や劣化から保護することもできる。それにより、試料の正確な分析が可能となると共に、分析装置の寿命も長期化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による高真空分析装置の全体を示す概略的な断面図。
【符号の説明】
１０…高真空分析室、１１…第１の開閉弁、２０…予備排気室、２１…真空ポンプ、２２…遮断弁、２３…予備排気室を加熱するためのヒータ（加熱手段）、２４…予備排気室を冷却するための液化不活性ガスの循環流路（冷却手段）、２５…流量制御弁、３０…試料搬送具操作機構、４０…トランスファーベッセル、４１…第２の開閉弁（トランスファーベッセル開閉弁）、４２…試料導入口、４２ａ…Ｏリング、４３…試料移送手段、４５…液化不活性ガスの循環路、５０，５１…液化不活性ガスタンク（不活性ガス源）、５５…真空計、Ｓ…試料
【図１】
2004247162.tif 000003