JP2012082891A - 真空容器におけるフランジ部のシール構造及びシール方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高いシール性を発揮し，加速器の導波管の連結に使用した場合であっても優れた電気的特性を発揮する真空容器におけるフランジ部のシール構造を得る。
【解決手段】
フランジ１０，２０及びこのフランジ１０，２０間に挟持するメタルガスケット３０を物性が近似乃至は一致する同材質または異種の金属によって形成し，フランジ１０とメタルガスケット３０間に生じた被封止間隙δ１，及びメタルガスケット３０とフランジ２０間に生じた被封止間隙δ２を封止するために，前記メタルガスケット３０よりフランジ１０，２０に対してそれぞれ突出した，断面において先鋭な凸条４１，４２を設ける。前記２つのフランジ１０，２０をボルト６０とナット６１の締め付けによって緊締し，凸条４１，４２の先端部をフランジ１０，２０に当接させて変形させて潰すことにより，被封止間隙δ１，δ２をシールする。
【選択図】図１

Description

本発明は真空容器におけるフランジ部のシール構造及びシール方法に関し，より詳細には真空容器の接合部に設けられたフランジ間でリークが生じることを防止して，真空容器に気密性を与えるフランジ部のシール構造であって，特に加速器の導波管等のように高真空，超高真空で使用される真空容器のシールに適した真空容器におけるフランジ部のシール構造及びシール方法に関する。

真空容器に対する蓋の取り付けや，加速器における導波管の連結は，一例として連結部のそれぞれにフランジを設け，このフランジを重ね合わせると共に，重ね合わせたフランジをボルトとナットで共締めすることにより行われる。

そして，このようなフランジの緊締に際しては，２つのフランジ間にガスケットを挟持することで，両フランジ間の間隙を封止して，真空容器の気密性を得ることができるようにしている。

このようなガスケットとしてはエラストマー製のガスケット（Ｏリング）が使用されることもあるが，脱ガスのための加熱処理として所謂「ベーキング」が行われる真空容器にあっては，エラストマー製のシールとして使用される例えばフッ素ゴムの高温限界温度以上に迄温度を上昇させることから，エラストマーシールを使用する場合には耐熱性に問題がある。

また，このようなエラストマー製のガスケット（Ｏリング）では，高真空になるとガス分子が透過してしまい，１０^-8torr/secよりも高真空の条件において使用することができない。

そこで，このようなベーキングを行う真空容器や高真空で使用される真空容器にあっては，耐熱性等を考慮してフランジ間に金属製のガスケット（メタルガスケット）を挟持することで，気密性を保持する，所謂「メタルシールフランジ」と呼ばれるシール機構が採用されている。

このようなメタルシールフランジとして現在使用されているものとしては，図７に示すように金属製のＯリング（メタルＯリング）１３０や断面Ｃ字状のリング（ヘリコフレックス：図示せず）を２つのフランジ１１０，１２０間で挟持することによりシールする「メタルＯリングシール」，図８（Ａ），（Ｂ）に示すように凸条が形成されたオスのフランジ１１０と，この凸条を受け入れる段部が形成されたメスのフランジ１２０の噛合部に生じたＬ字状のコーナ部で，金線〔金（Au）製のＯリング〕１３１を挟持すると共に押圧変形させてシールをする「金線ガスケット」， 図９（Ａ），（Ｂ）に示すように，ナイフエッジ１４１，１４２が形成されたフランジ１１０，１２０によって間に挟んだメタルガスケット１３２を押し潰し，メタルガスケット１３２の材料内にコールドフローを喚起してシールする「ナイフエッジ型メタルシールフランジ」（ＩＣＦフランジ）等がある（非特許文献１参照）。

特許庁ホームページ「標準技術集」「半導体製造装置関連真空・クリーン化技術」「２−９−４ メタルＯリング」，「２−９−５ 金線ガスケット」，「２−９−７ ナイフエッジ型メタルシールフランジ（１）」(http://www.jpo.go.jp/cgi/link.cgi?url=/shiryou/s_sonota/hyoujun_gijutsu.htm)。

以上で説明したように，真空容器のフランジ部を封止するシール構造として各種の方法が提案されているが，このうち，「ナイフエッジ型メタルシールフランジ」では，図９（Ｂ）に示すようにフランジ１１０，１２０に形成したナイフエッジ１４１，１４２が，矢印Ａ方向にメタルガスケット１３２を押し潰すと，ナイフエッジ１４１，１４２の傾斜面がメタルガスケット１３２の材料を矢印Ｂ方向に押し出してコールドフローを生じさせ，このコールドフローによりメタルガスケット１３２の外径面がフランジ１１０，１２０の内壁に高い圧力で押しつけられるものとなっている。その結果，この方法によればシール面やメタルガスケット１３２表面の欠陥を無くし，他の方法に比較してより信頼性の高いシールが可能となっている。

しかし，このようにしてメタルガスケット１３２を押し潰して封止する前述のナイフエッジ型メタルシールフランジの場合，２０〜２５mmピッチでボルトを配置して，８０kgf・cm〜１５０kgf・cm（約７８５N・cm〜１４７１N・cm）の締付けトルクでボルトを締め込む必要があり，多大な作業労力が必要になると共に，図９（Ａ），（Ｂ）に示すようにフランジの一方１１０が，真空容器の端部を閉塞する蓋板等として使用されるブランクフランジである場合には，このボルトの締め込み圧力によってブランクフランジの中央部が凸面状に隆起してしまう，所謂「中高」の状態となり，このブランクフランジに例えば電子銃等を取り付けた場合，この電子銃の取付位置が隆起分ずれるために，正確なビーム照射を行うことができなくなる。

しかも，図９に示す構成のナイフエッジ型メタルシールフランジでは，ナイフエッジ１４１を形成するためには，ナイフエッジ１４１の内周側においてこのブランクフランジ１１０を切削して窪み１１３を形成する必要があり，ブランクフランジ１１０を単純な円形の板等として形成する場合に比較して加工労力が大幅に増大する。

また，前述したナイフエッジ型メタルシールフランジでは，メタルガスケットを変形させると共にコールドフローを生じさせるために，一例として，ステンレス鋼（例えばSUS304）製のフランジと無酸素銅製のガスケットの組合せ，高硬度のＡｌ合金（例えばA2219）と純アルミニウム製のガスケットの組合せ等が使用される等，メタルガスケット１３２の材質をフランジ１１０，１２０の材質に対して軟質の材料にしなければならず，フランジ１１０，１２０とメタルガスケット１３２を同一材質で形成することができない。

しかし，フランジ１１０，１２０による接合部を有する真空容器が一例として加速器の導波管等である場合には，この真空容器において求められる性能は，単に高真空を安定的に保持できるというだけではなく，荷電粒子ビームに伴うパルス状の高電流（壁電流）を伝達する必要性から，フランジとメタルガスケットとを同材質によって形成し，両者の電気的な特性を近似乃至は一致させることが望まれる。

しかも，前述したように，フランジとメタルガスケットとを，それぞれ異なる材質で形成する場合には，ベーキングの後，真空容器の温度が低下すると両材質間の熱膨張率の相違によって隙間が生じ，リークが発生するおそれがある。

なお，真空容器が加速器の導波管である場合，前述したように荷電粒子ビームに伴うパルス状の高電流（壁電流）に対応した電気的接触を確保する必要があるが，前述した従来のシール方法では，フランジ１１０，１２０間がナイフエッジ及びメタルガスケット１３２を介して点接触するために，フランジ１１０，１２０間を面接触する場合に比較して電気的な接触という点で劣り，また，連結部における導波管の内面であって，メタルガスケット１３２とフランジ１１０，１２０との間に凹溝１４８が生じるため，ビームに起因する高周波が励起する。

そのため，導波管の内面を平滑にすると共に，導電性を向上するために，前述したナイフエッジ型メタルシールフランジによって連結された導波管では，図９（Ｂ）に示すように，「ＲＦコンタクト」と呼ばれる断面コ字状の嵌合部材１５０を取り付けてこの凹溝１４８を覆うことにより，導波管の内面を平滑に仕上げている。

しかし，このようなＲＦコンタクト１５０を取り付ける作業は繁雑であり，これを省略することができれば導波管の組み立て労力を大幅に軽減することができる。

しかも，このＲＦコンタクト１５０はリン青銅やベリリウム銅に純金メッキを施す等，非常に高価な材料によって製造されていると共に，導波管の断面形状は円形のみならず角形やレーストラック型等多種多様であり，これらの形状やサイズに対応してＲＦコンタクト１５０製造用のプレス金型を製作する必要があることから，ＲＦコンタクト１５０は高価であるだけでなく，製作期間に長期を有するために，ＲＦコンタクトの取り付けを行うことなく内周面を平坦に形成して高周波の励起等を防止することができれば，導波管の製造コストを下げることができると共に，納期を短縮することができる。

そこで，本発明は，上記従来技術における欠点を解消するためになされたものであり，フランジとメタルガスケットを，電気的性質，熱膨張率及び硬度などの物性が近似乃至は一致する同材質または異種の金属によって形成することにより，接合部の気密性を安定して確保することができ，しかも，ボルトによるフランジの締め付け労力を軽減することができる真空容器のフランジ部のシール構造及びシール方法を提供することを目的とする。

また，本発明の別の目的は，上記目的に加え，前述したＲＦコンタクトを使用することなく，フランジによる連結部における真空容器の内面を平滑に形成することで，高周波の励起等を好適に防止することができる真空容器のフランジ部におけるシール構造，及びシール方法を提供することを目的とする。

以下に，課題を解決するための手段を，発明を実施するための形態で使用する符号と共に記載する。この符号は，特許請求の範囲の記載と発明を実施するための形態の記載との対応を明らかにするためのものであり，言うまでもなく，本願発明の技術的範囲の解釈に制限的に用いられるものではない。

上記目的を達成するために，本発明の真空容器１のフランジ部におけるシール構造は，
一対のフランジ１０，２０を重ね合わせて緊締することにより連結される連結部を備えた真空容器１のフランジ間をシールするシール機構において，
前記フランジ１０，２０間に生じる被封止間隙〔図１〜３の例ではδ１，δ２，図４（Ａ）〜（Ｄ）の例ではδ１〕を構成する各部材〔図１の例ではフランジ１０，２０及びメタルガスケット３０，図４（Ａ）〜（Ｄ）の例ではフランジ１０，２０〕の材質をいずれも物性が近似乃至は一致する同材質または異種の金属によって形成し，
前記被封止間隙δ１，δ２を構成する二部材の一方（図１の例ではメタルガスケット３０）から他方（図１の例ではフランジ１０，２０）に向かって環状に突出する，断面において楔型を成す凸条４１，４２を形成したことを特徴とする（請求項１）。

前記構成のシール構造において，前記一対のフランジ１０，２０の少なくとも一方（図示の例では双方）と電気的性質，熱膨張率及び硬度などの物性が近似乃至は一致する同材質または異種の材質で，且つ，前記一対のフランジ１０，２０間に挟持される環状のメタルガスケット３０を前記フランジ１０，２０とは別に設け，一方のフランジ（図示の例では双方のフランジ１０，２０）との間に形成された間隙を，前記被封止間隙δ１，δ２とすることができる（請求項２，図１〜３，５，６）。前記両部材の硬度については，メタルガスケット３０の硬度が前記フランジ１０，２０と同等又は，小さいものとすることが好ましい。

この場合，前記フランジ１０，２０の一方又は双方に，前記メタルガスケット３０を嵌合可能なフランジ溝（図１の例ではフランジ溝１１，図２，３の例ではフランジ溝１１及び２１）を形成すると共に，前記凸条４１，４２の先端が所定量潰れて変形した際，前記フランジ溝２１（図１）又は１１，２１（図２，３）内に前記メタルガスケットが完全に嵌合して，前記メタルガスケット３０の内周側における前記フランジ１０，２０の平坦面１２，２２が重なり合う深さに前記フランジ溝１１（又は１１，２１）を形成した構成とすることができる（請求項３；図１〜３）。

または，前記フランジ１０，２０双方の対向位置にそれぞれフランジ溝１１，２１を形成すると共に，
前記メタルガスケット３０に，前記フランジ溝１１，２１の形成位置において前記フランジ１０，２０間に挟持される第１部分３１と，前記フランジ溝１１，２１の形成位置に対し真空容器１の内周側において前記フランジ１０，２０間に挟持される第２部分３２を設け，
前記第２部分３２の内周縁３３が，前記真空容器１の内周面１ａと同位置となるよう前記メタルガスケット３０を形成すると共に，
前記フランジ１０，２０の緊締によって前記メタルガスケット３０の前記第２部分３２が前記フランジ１０，２０間に圧接挟持されたとき〔図５（Ｂ）参照〕，前記凸条４１，４２の所定量の変形が得られるよう，前記フランジ溝１１，２１の総深さ，前記メタルガスケット３０の第２部分３２の厚み，及び前記凸条４１，４２の突出高さｈを設定した構成としても良い（請求項４：図５，６）。

更に，前述したメタルガスケット３０を備えた構成にあっては，前記一対のフランジ１０，２０に対し前記メタルガスケット３０を位置決めするガイドピン５０を前記フランジ１０，２０又は前記メタルガスケット３０のいずれか（図１においてフランジ２０）に設けると共に，残りの部材に前記ガイドピン５０を受け入れる開孔や切欠等のガイドピン嵌合部（図１の例ではメタルガスケット３０に設けた開孔３４，フランジ１０に設けた開孔１３）を設けるものとしても良い（請求項５：図１参照）。

また，前記凸条４１，４２を，いずれも前記メタルガスケット３０に設けるものとすることが好ましい（請求項６：図１，図５）。

更に前記メタルガスケット３０を，ベーキングによっても容器の真空性を維持し得る，耐ベーキング性を有する材質とする（請求項７）。

なお，前記凸条４１，４２の断面における先端部の角度θ〔図１（Ａ）参照〕は，９０〜３０°，好ましくは６０°である（請求項８）。

更に，前記被封止間隙δ１，δ２を構成する二部材の前記他方（凸条４１，４２が形成されていない側：図１の例ではフランジ１０，２０）の表面に，前記二部材間の癒着を防止する表面処理，例えば無電解ニッケルメッキやイオンプレーティング等の方法で前記二部材の材質とは異なる金属の被膜を形成する等の表面処理を施すこともできる（請求項９）。

なお，本発明の真空容器１におけるフランジ部のシール方法は，前述したいずれかのフランジ部のシール構造を備えた真空容器１の前記一対のフランジ１０，２０を重ね合わせて緊締することにより，前記凸条４１，４２の先端部を所定量変形させて潰すことにより前記被封止間隙δ１，δ２をシールすることを特徴とするものである（請求項１０）。

以上説明した本発明の構成により，本発明の真空容器におけるフランジ部のシール構造，及び該シール構造を使用したシール方法によれば，以下のような顕著な効果を得ることができた。

前記被封止間隙δ１，δ２を形成する各部材の材質をいずれも物性が近似する材質の金属によって形成し，各被封止間隙δ１，δ２を構成する二部材のうちの一方の面から他方に向かって環状に突出する断面鋭角な楔型の凸条４１，４２を形成したことにより，前記一対のフランジ１０，２０を緊締すると，この凸条４１，４２の先端部を，前記他方の部材（図１の例ではフランジ１０，２０）に圧接して所定量変形させて潰すことができた。

その結果，凸条４１，４２が高い圧力によって圧接されていることと，変形による他方の部材表面に対する形状的な追従によって，両部材間の間隙δ１，δ２が完全に塞がれて信頼性の高いシールを実現できた。

しかも，前述のように先鋭に形成された楔状の凸条４１，４２を他方の部材の表面に押圧することで，凸条４１，４２の先端部に圧力が集中して先端部の変形が生じ易くなっていることから，凸条４１，４２を備えた一方の部材（図１ではメタルガスケット３０）と他方の部材（図１の例ではフランジ１０，２０）を同材質で形成した場合であっても，比較的容易に凸条４１，４２を変形させることができた。

その結果，フランジ１０，２０の緊締時におけるボルト６０及びナット６１の締め付けトルクを大幅に低減することができ，締め付け作業が容易になると共に，ボルト６０の配置間隔を広く取った場合でも安定的なシールが可能であり，フランジ１０，２０を緊締する際の労力を大幅に軽減することができた。

加えて，このようなボルトの締め付けトルクを大幅に減少させることができたことにより，フランジの一方をブランクフランジとした場合であっても，フランジの中央部が凸面状に隆起して所謂「中高」となることを防止でき，その結果，このブランクフランジに例えば図２に示すように電子銃７０等を取り付けた場合であっても，電子銃７０の配置位置がブランクフランジの中央部が隆起することによってずれることがなく正確な配置とすることができた。

また，上記のように各被封止間隙δ１，δ２を構成する各部材（図１の例では，２つのフランジ１０，２０とメタルガスケット３０）の材質を電気的性質，熱膨張率及び硬度などの物性が近似乃至は一致する同材質または異種の材質とすることができ，連結部の各部材（フランジ１０，２０とメタルガスケット３０）の物性（電気的性質や膨張率など）を同一乃至は近似していることにより，このシール構造を例えば加速器の導波管の接続に使用した場合にあっては，荷電粒子ビームに伴うパルス状の高電流（壁電流）を好適に通電させることができると共に，膨張率の差等の物性の違いが存在しないことから，ベーキング後の冷却によっても，膨張率の違いによってリークが生じる危険が解消された。

また，フランジ１０，２０の一方（図示の例では紙面上側のフランジ１０）が蓋板等として使用されるブランクのフランジである場合であっても，ブランクフランジ１０を図４（Ａ）に示すように平板として形成し，又は図２，図３，図４（Ｂ）〜（Ｄ）に示すようにフランジ溝１１を形成して使用する等，図９を参照して説明したナイフエッジ型メタルシールフランジの場合のように，ナイフエッジ１４１，１４２の内周全体を切削により彫り込んで窪み１１３を形成する必要がないため，ブランクフランジの切削加工量を大幅に低減して加工を容易とすることができた。

前記一対のフランジ１０，２０間に挟持される，前記フランジとは別に設けられた環状のメタルガスケット３０を設けると共に，このメタルガスケット３０と各フランジ１０，２０間の間隙をそれぞれ前記被封止間隙δ１，δ２とした構成にあっては，更に以下の構成の採用により下記の顕著な効果を得ることかできた。

すなわち，前記フランジ１０，２０の一方又は双方に，前記メタルガスケット３０を嵌合可能なフランジ溝（図１の例ではフランジ溝１１，図２，３の例ではフランジ溝１１，２１）を形成すると共に，メタルガスケット３０の硬度が前記フランジ１０，２０と同等又は，小さいものであれば，前記凸条の先端が所定量潰れて変形した際，前記フランジ溝１１（図１）又は１１，２１（図２，３）内に前記メタルガスケットが完全に嵌合して前記フランジ１０，２０の平坦面１２，２２が重なり合う深さに前記フランジ溝１１（又は１１，２１）を形成したことにより，フランジ１０，２０の平坦面１２，２２が重なり合う迄，ボルト６０とナット６１の締付を行えば凸条４１，４２に必要量の変形を生じさせることができ，好適にシールすることができるだけでなく，この構造を例えば加速器の導波管の連結部に使用する場合には，導波管の連結部内周面に，図９を参照して説明したような凹溝１４８が形成されることがなく，従ってこの凹溝１４８を塞ぐためにＲＦコンタクト１５０を取り付けることなく，真空容器１の内周面を平坦に形成することができ，ビームに起因する高周波の発生等を好適に防止することができた。

更に，前記フランジ１０，２０双方の対称位置にフランジ溝１１，２１を形成すると共に，前記メタルガスケット３０に，前記フランジ溝１１，２１の形成位置において前記フランジ１０，２０間に挟持される第１部分３１と，前記フランジ溝１１，２１の形成位置に対し真空容器の内周側において前記フランジ１０，２０間に挟持される第２部分３２を設け，前記第２部分３２の内周縁３３が，前記真空容器１の内周面１ａと同位置となるよう前記メタルガスケット３０を形成すると共に，前記フランジ１０，２０の緊締によって前記メタルガスケット３０の前記第２部分３２が前記フランジ間に圧接挟持されたとき〔図５（Ｂ）参照〕，前記凸条４１，４２の所定量の変形が得られるよう，前記フランジ溝１１，２１の総深さ，前記メタルガスケット３０の第２部分３２の厚み，及び前記凸条４１，４２の突出高さを設定した構成にあっても，メタルガスケット３０の第２部分３２がフランジ溝１１，２１の被形成部においてフランジ１０，２０間に挟持される迄，ボルト６０を締め込むことにより凸条４１，４２の必要な変形が得られると共に，この構造を例えば導波管の連結部に使用する場合には，導波管の連結部における内周面が，ＲＦコンタクト等を別途設けることなく同一材質の部材によって平坦に形成され，これにより高周波の励起等を好適に防止することができた。

前記一対のフランジ１０，２０に対し前記メタルガスケット３０を位置決めするガイドピン５０を前記フランジ１０，２０又は前記メタルガスケット３０のいずれかに設けると共に，残りの部材に前記ガイドピン５０を案内する開孔３４，１３等のガイドピン嵌合部を設けた構成を採用した場合には，一旦，フランジ１０，２０の緊締によって凸条４１，４２を変形させてシールを行った後，フランジ１０，２０間を分離してメタルガスケット３０を取り外した場合であっても，このガイドピン５０とガイドピン嵌合部３４，１３によってメタルガスケット３０を元の取付位置に取り付けることで，メタルガスケット３０を交換することなく，繰り返し封止を行うことができた。

更に，本発明のシール構造にあっては，前記凸条４１，４２を先鋭に形成して変形させ易くしたことから，凸条４１，４２が形成されていない他方の部材の平面に対しては，フランジ１０，２０の緊締後においても０．０１mm以下の凹みしか形成されず，繰り返しの使用が可能であった。

従って，前述した凸条４１，４２をいずれもメタルガスケット３０に形成した構成とすることにより，一旦使用したフランジ１０，２０であっても，メタルガスケット３０を交換することで再度の使用を可能とすることができた。

なお，断面における凸条４１，４２の先端部の角度は９０°を越えると他方の部材の平面に対して形成される凹みが大きくなり再使用に制約が生じる一方，３０°以下では損傷し易くリークが生じるおそれがあることから，９０〜３０°，好ましくは６０°とすることにより，適度な変形性と，変形後の圧接を得ることができ，信頼性の高いシールを行うことができた。

また，前記被封止間隙δ１，δ２を構成する二部材がいずれも同一（例えばＣｕとＣｕ），あるいは，物性が近似する異種（例えば，SUS304とAl050（アルミ合金）であることにより，両部材の接合部には経時により癒着が生じるおそれがあるが，前述したように前記二部材の前記他方（凸条４１，４２が形成されていない側）の表面に，例えば前記二部材を構成する材質とは異なる金属の被膜を形成する等，癒着を回避し得る表面処理を施すことにより，長期間に亘り二部材間が押圧された状態となっても二部材間に癒着が生じることを防止できた。この表面処理が前述のような被膜の形成である場合，例えば無電解ニッケルメッキやイオンプレーティング等の方法によりポーラス（空孔）の無い被膜を形成することで，高真空下での使用にも耐え得るものであった。

本発明のシール構造を備えた圧力容器の要部断面図であり，（Ａ）はフランジ緊締前，（Ｂ）はフランジ緊締後の状態を示す。 本発明のシール構造を備えた圧力容器の要部断面図（変形例）。 本発明のシール構造を備えた圧力容器の要部断面図（変形例）。 メタルガスケットを備えない本発明のシール構造を備えた圧力容器の要部断面図であり，（Ｂ）〜（Ｄ）はそれぞれ変形例を示す。 本発明のシール構造を備えた圧力容器（変形例）の要部断面図であり，（Ａ）はフランジ緊締前，（Ｂ）はフランジ緊締後の状態を示す。 本発明のシール構造を備えた圧力容器の要部断面図（図５の変形例）。 従来のシール構造（メタルＯリング）の説明図。 従来のシール構造（金線ガスケット）の説明図。 従来のシール構造（ナイフエッジ型メタルシールフランジ）の説明図であり（Ａ）は前シール構造を備えた真空容器の要部断面図，（Ｂ）は動作説明図。

以下，図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

本発明のシール構造によってシールするフランジ部は，図２〜４に示すように真空容器１の端部を被蓋する場合のように，一方のフランジが蓋状の構造であるブランクフランジ１０であっても良く，又は図１，５，６に示すように加速器の導波管の接続部のように，真空容器１の中間連結位置に設けられたフランジ１０，２０間のシールのいずれをも対象とするものであり，このフランジ１０，２０間に生じた被封止間隙δ１，δ２をシールするシール構造に関する。

図１に示す実施形態では，一対のフランジ１０，２０間に環状のメタルガスケット３０を挟持することで，前記メタルガスケット３０と前記フランジ１０，２０のそれぞれとの間が前述した被封止間隙δ１，δ２となる。

この構成において，一対のフランジ１０，２０と，前記メタルガスケット３０は，いずれも電気的性質，熱膨張率及び硬度などの物性が近似乃至は一致する同材質または異種の金属によって形成されており，例えば，この真空容器１が加速器の導波管である場合には，フランジ１０，２０及びメタルガスケットをいずれも導電性及び放熱性に優れた銅や銅合金，アルミニウム合金，他にステンレス合金例えばSUS304等によって形成するものとしても良い。

フランジ１０，２０と，前記メタルガスケット３０を，それぞれ，ステンレス合金例えばSUS304とアルミ合金例えばAl050の組み合わせとする実施形態においては，熱膨張率を考慮してベーキング温度を比較的低温の１００℃程度とする。

前述の被封止間隙δ１，δ２を構成する二部材の一方の部材（図１に示す例では，被封止間隙δ１を構成するフランジ１０とメタルガスケット３０の一方であるメタルガスケット３０，及び被封止間隙δ２を構成するフランジ２０とメタルガスケット３０の一方であるメタルガスケット３０）には，この一方の部材（メタルガスケット３０）と一体的に形成された凸条４１，４２が環状に突出形成されている。

この凸条４１，４２は，被封止間隙δ１，δ２を構成する他方の部材（被封止間隙δ１についてフランジ１０，被封止間隙δ２についてフランジ２０）に向かって突出する，断面において先鋭と成す楔型に形成されている。

なお，図１に示す実施形態にあっては，この凸条４１，４２をメタルガスケット３０の両面に形成すると共に，フランジ１０，２０の前記凸条４１，４２と当接する部分を平坦に形成しているが，この構成に代え，例えば図３及び図６に示すように，メタルガスケット３０側を平坦に形成し，このメタルガスケット３０と接触する部分のフランジ１０，２０に凸条４１，４２を設けるものとしても良く，又は，図２に示すように，一方の被封止間隙δ１の封止用に設ける凸条４１についてはフランジ１０側（又はメタルガスケット側３０）に，他方の被封止間隙δ２の封止用の凸条４２についてはメタルガスケット３０側（又はフランジ２０側）に設ける等，前述した凸条４１，４２の形成位置を組み合わせた構成を採用するものとしても良い。

なお，図２に示す構成にあっては，例えばメタルガスケット３０とフランジ２０間の間隔δ２のみを，本発明における被封止間隔としても良く，この場合，フランジ１０をメタルガスケット３０に対して硬質の材料によって形成し，フランジ１０に形成された凸条４１が従来技術として説明したナイフエッジと同様，メタルガスケット３０に食い込むようにしても良い。

従って，被封止間隔を構成する２部材の硬度を異なるものとする場合には，少なくとも凸条４１，４２の硬度を，この凸条４１，４２が押圧される平面の硬度に対して低硬度に形成し，凸条４１，４２に前述した変形による潰れを生じ易くすることが好ましい。

この凸条４１，４２は，断面における先端部の角度θ〔図１（Ａ）の拡大図参照〕を９０〜３０°，好ましくは６０°とし，後述するようにフランジ１０，２０をボルト６０とナット６１で緊締した際に，他方の面（平面）に押圧接触して比較的容易に変形して潰れるように形成すると共に，変形によって潰れた後，他方の面（平面）に対して必要な押圧力で接触できるように形成する。

この凸条４１，４２のサイズは，封止する真空容器１のサイズ，及び該真空容器で扱う真空度によって変更可能であり，凸条４１，４２の高さｈ〔図１（Ａ）中の拡大図参照〕は任意であるが，ボルトの締め付けによって好ましくは頂部から０．１〜０．５mmの範囲が変形して潰れるように形成する。

この凸条４１，４２が押圧される他方の部材（フランジ１０，２０）の平坦面には，メタルガスケットとの癒着を防止するために表面処理を行い，長時間の押圧によっても両部材間に癒着が生じないようにすることが好ましい。

このような表面処理としては，接合される２つの部材の材質とは異なる材質の金属被膜，例えばフランジ１０，２０とメタルガスケット３０をいずれも銅（Ｃｕ），無酸素銅C1020で形成した本実施形態にあってはニッケルの被膜を形成することにより，前述した癒着を防止することができた。

なお，前述のような表面処理が被膜の形成である場合，形成される被膜はポーラス（空孔）の無いものである必要があり，本実施形態にあっては無電解ニッケルメッキによってこのような被膜を形成したが，同様にポーラスの無い被膜を形成することができるものであればイオンプレーティング，その他の方法により被膜を形成するものとしても良い。

なお，図１〜３に示す実施形態において，図１における符号２１，図２，３における符号１１，２１はいずれもフランジ溝であり，フランジ１０，２０を緊締して凸条４１，４２が変形すると，このフランジ溝１１，２１内に前述したメタルガスケット３０が完全に嵌合できるように構成している。

このように，フランジ溝１１，２１内にメタルガスケット３０を完全に嵌合することができるようにするために，前述のフランジ溝１１，２１の総深さ（図１に示すようにフランジ溝２１が片方のフランジ２０にのみ形成されている場合にはこのフランジ溝２１の深さ，図２及び図３に示すように２つのフランジ１０，２０にそれぞれフランジ溝１１，２１が形成されている場合には，２つのフランジ溝１１，２１の深さの和）を，メタルガスケットの厚みや凸条４１，４２の変形量等に対応して調整する。

このようにして凸条４１，４２の変形によってメタルガスケット３０がフランジ溝１１，２１内に完全に嵌合することにより，このようなシール構造を加速器の導波管の連結等に使用した場合には，図１（Ｂ）に示すようにフランジ１０，２０の連結部において真空容器１の内周面１ａを凹溝等を有しない平坦な形状に形成することができることから，ＲＦコンタクトの取付等を行うことなしに高周波の励起を好適に防止することができるものとなっている。

なお，図１〜３を参照した実施形態では，２つのフランジ１０，２０間に，これらのフランジ１０，２０とは別に設けられた，前記フランジ１０，２０と物性が近似する同一又は異種材質のメタルガスケット３０を挟持し，このメタルガスケット３０とフランジ１０，２０間に生じる被封止間隙δ１，δ２を封止するために前述の凸条４１，４２を形成するものとして説明したが，例えば図４（Ａ）〜（Ｄ）に示すように，前述したメタルガスケット３０をフランジ１０，２０と別に設けることなく，一対のフランジ１０，２０間の間隙を被封止間隙δ１とし，この被封止間隙δ１を封止するための凸条４１をフランジ１０，２０の一方から他方に向かって突出形成するものとしても良い。

この場合，図４（Ａ）に示すようにフランジ１０，２０の一方（図示の例ではフランジ２０）に直接，凸条４１を設け，他方のフランジ（図示の例ではフランジ１０）を全体的に平坦な形状として形成するものとしても良いが，例えば図４（Ｂ）に示すように，他方のフランジ（図示の例ではフランジ１０）に変形後の凸条４１を受け入れ得るフランジ溝１１を形成しても良く，このように形成することで，両フランジ１０，２０の平坦面１２，２２を接合させることができ，これによりこのようなシール構造を加速器の導波管の連結部に使用した場合には，ＲＦコンタクトの取付等を行うことなしにフランジ１０，２０の接合部における真空容器１の内周面１ａを平坦な形状とすることができる。

また，図４（Ｃ），（Ｄ）に示すように，一方のフランジ（図示の例ではフランジ２０）に前述したメタルガスケットに対応する凸部２３を設けると共に，この凸部２３を受け入れるフランジ溝１１を他方のフランジ（図示の例ではフランジ１０）に形成し，前記凸部２３上に楔状の凸条４１を設けるか〔図４（Ｃ）〕，又は前記フランジ溝１１に前記凸条４１を設けることにより，両フランジ１０，２０をボルト６０及びナット６１で緊締した際，フランジ溝１１に対する凸部２３の受け入れと，凸条４１の変形により，被封止間隙δ１をより確実に封止することができると共に，凸部２３及び凸条４１の突出高さとフランジ溝１１の高さの調整によりフランジ１０，２０の緊締時，一方のフランジ２０の平坦面２２と，他方のフランジ１０の平坦面１２が重なり合うように構成することで，この構成を加速器の導波管等の連結部に採用した場合には，ＲＦコンタクト等を取り付けることなしに真空容器１の内周面１ａを平坦なものとして高周波の励起を防止することが可能となる。

なお，以上で説明したように凸条４１，４２は，これをフランジ１０，２０に直接形成することも可能であるが，エラストマー等を使用したシールとは異なり，変形して潰れた凸条４１，４２は元の形状に復元しないため，フランジ１０，２０間の連結，着脱を繰り返すとシール性能が低下するため，この場合には凸条４１，４２を設けたフランジ自体の交換が必要となる。

一方，凸条４１，４２を前述した先鋭な形状に形成すると共に，この凸条４１，４２が圧接される平坦面を構成する部材と物性が近似する同一又は異種材質にて形成したことにより，フランジ１０，２０の緊締によって凸条４１，４２には変形が生じるものの，この凸条４１，４２が押圧される平坦面側の変形は，０．０１mm以下であり，継続して使用するに問題ない。

よって，フランジ部の着脱が行われる用途では，前述したようにフランジ１０，２０間にメタルガスケット３０を介在させると共に，凸条４１，４２のいずれ共にこのメタルガスケット３０側に設けた構成とすることが好ましい。

このように構成することで，着脱を行った際，メタルガスケット３０のみを交換すれば，フランジ１０，２０については継続して使用することが可能である。

なお，前述したように２つのフランジ１０，２０間にメタルガスケット３０を挟持する構成にあっては，更に図１に示すように，フランジ１０，２０に対するメタルガスケット３０の取付位置を規制するガイドピン５０を，例えば一方のフランジ（図示の形ではフランジ２０）に形成すると共に，このガイドピン５０の取付位置に対応する位置のメタルガスケット３０にこのガイドピン５０を嵌合する切欠や開孔３４等のガイドピン係合部を設け，他方のフランジ（図示の例ではフランジ１０）に，前記ガイドピン５０が挿入される開孔１３を設ける等して，３者を正確に位置決めできるようにしても良い。

このように構成することにより，フランジ１０，２０間の連結の際に変形した凸条４１，４２であっても，フランジ間の連結を解除した後，再度，連結する際に，同じフランジ１０，２０とメタルガスケット３０を組み合わせて使用することで，各部材間における接触位置を完全に一致させることができる結果，潰れた凸条４１，４２を備えた部材を交換せずに使用した場合であっても，良好なシール性を発揮させることができるものとなっている。

以上のように構成されたシール構造において，図１〜３を参照して説明した構成のものにあってはフランジ１０，２０間にメタルガスケット３０を挟持した後，図４（Ａ）〜（Ｄ）を参照して説明したものにあっては，このようなメタルガスケット３０を介在させることなく２つのフランジ１０，２０を直接重ね合わせた後，２つのフランジ１０，２０を図示せざるクランプにより緊締し，又は，図示の例に示すようにボルト６０とナット６１によって締め付けて緊締する。

ボルト６０とナット６１による締め付けにより，２つのフランジ１０，２０間の間隔が徐々に狭まって，前述した被封止間隙δ１，δ２を構成する一方の部材に形成された凸条４１，４２の先端が，他方の部材の平坦部に押し当てられる。

この状態から更にボルト６０及びナット６１を締め込んでいくと，フランジ１０，２０間の間隔が更に狭まり，凸条４１，４２の先端は他方の部材の平坦面に押圧されて変形して，図１（Ｂ）中の拡大図に示すように断面台形状に潰れ，この変形による潰れによって平坦面の表面に追従した形状となって強く押圧される結果，表面の僅かな凹凸等に伴う欠陥が無くなり，信頼性の高いシール性を発揮できるものとなっている。

しかも，凸条４１，４２の先端が，好ましくは９０〜３０°，本実施形態にあっては６０°に形成されていることにより，被封止間隙δ１，δ２を構成する一方の部材に形成した凸条４１，４２と，他方の部材の材質を同じ材質の金属とした場合であっても，凸条４１，４２を比較的容易に変形させることができ，その結果，ボルト６０及びナット６１の締め付けトルクを大幅に低減することができただけでなく，かつ，ボルト６０の配置間隔を広げた場合であっても好適に締め付けを行うことができるものであった。

このようなボルト６０とナット６１の締め付けにより，フランジ１０，２０間の間隔を更に狭め，図１〜３，及び図４（Ｂ）〜（Ｄ）に示した構成にあっては，２つのフランジ１０，２０の平坦面１２，２２が重なり合うと，ボルト６０を締める際の抵抗が急に大きくなるので，この時点でボルト６０の締め付けを終了すると，凸条４１，４２を必要量変形させた状態での締め付けが完了する。

なお，図４（Ａ）に示す構成にあっては，凸条４１の変形が先端側から裾側に及ぶに従ってボルト６０の締め付けトルクが上昇することから，例えばトルクレンチ等を使用した締め付けによって，締め付けトルクが規定値となったときに締め付けを完了するものとすれば良い。

以上のようにして，フランジ１０，２０の緊締が終了した後のシール部は，リーク量１．３×１０^−１１Pa・m^３／sec以下の封止が可能であり，超高真空での使用に耐え得るものであった。

しかも，前述したように被封止間隙δ１，δ２を構成する各部材が同一材質の金属によって構成されていることから，ベーキングの後に真空容器の温度が低下した場合であっても，膨張率の相違によって被封止間隙に隙間が生じてリークが生じる等の問題が生じることも回避できた。

また，前述した締め付けにより，凸条の先端部は変形するものの，この凸条が押圧される平坦部に生じる凹みは０．０１mm以下であり，図１に示すように凸条４１，４２のいずれ共にメタルガスケット３０側に構成した例にあっては，メタルガスケット３０の交換によってフランジ１０，２０は繰り返しの使用が可能であった。

なお，図１〜３，図４（Ｂ）〜（Ｄ）に示したように，フランジ１０，２０の緊締によってフランジ１０，２０の平坦面１２，２２が接触する構成にあっては，このようなシール構造を加速器の導波管の連結に使用することで，導波管の接続部内周に，図９を参照して説明した従来技術のような凹溝１４８が形成されずに平坦な形状とすることができると共に，接続部における導波管内壁に異種材質の金属が介在することが無くなる。

その結果，前記構成のシール構造を加速器の導波管の接続に使用する場合には，信頼性の高いシール性が得られるだけでなく，高価なＲＦコンタクト等の取り付け無しに，荷電粒子ビームに伴うパルス状の高電流（壁電流）を確実に導通させることができると共に，ビームに起因する高次高周波の励起を防止することができた。

なお，図１〜３を参照して説明した実施形態にあっては前述したメタルガスケット３０を，フランジ１０，２０に設けたフランジ溝１１，２１内に嵌合することにより，２つのフランジ１０，２０の平坦面１２，２２を接合することで，接合部における圧力容器１の内壁に凹溝１４８を形成することなく，平坦な形状に形成するものとして説明したが，図５及び図６に示す実施形態にあっては，一対のフランジ１０，２０の対向位置にフランジ溝１１，２１を形成すると共に，前述したメタルガスケット３０に，前記フランジ溝１１，２１の形成位置間で前記フランジ１０，２０に挟持される第１部分３１と，前記フランジ溝１１，２１の形成位置に対して圧力容器１の内周側に形成された平坦面１２，２２間で前記フランジ１０，２０間に挟持される第２部分３２を設けた構成としている。

そして，前記メタルガスケット３０の第１部分３１と，前記フランジ溝１１，２１の溝底間の間隙を被封止間隙δ１，δ２とし，この被封止間隙δ１，δ２を構成する一方の部材から他方の部材に向かって突出する凸条４１，４２を設けている。

この凸条４１，４２は，図５に示すようにメタルガスケット３０側からフランジ溝１１，２１の底部側に向かって突出するように設けても良く，又は，図６に示すようにフランジ溝１１，２１の底部からメタルガスケット３０側に向かって突出形成しても良く，更には図示は省略するがこれらを組み合わせた構成としても良いが，前述したようにメタルガスケット３０側に凸条４１，４２を設ける構成とすれば，フランジ１０，２０を交換することなく，メタルガスケット３０のみの交換により繰り返し使用できる点で有利である。

この構成において，前記フランジ１０，２０の緊締によって前記メタルガスケット３０の前記第２部分３２が前記フランジ間に圧接挟持されたとき〔図５（Ｂ）参照〕，前記凸条４１，４２の所定量の変形が得られるよう，前記フランジ溝１１，２１の総深さ，前記メタルガスケット３０の第１部分３２の厚み，及び前記凸条４１，４２の突出高さを設定している。

これにより，フランジ１０，２０をボルト６０及びナット６１によって緊締していくと，凸条４１，４２の先端部が所定量変形して潰れたとき，フランジ１０，２０の平坦面１２，２２がメタルガスケット３０の第２部分３２に挟持されて，フランジ１０，２０の緊締が終了する。

前述のメタルガスケット３０の第２部分３２の内周縁３３は，取付時，真空容器１の内壁と同位置となるように，例えば真空容器１が円筒である場合には真空容器１の内周面１ａとメタルガスケット３０の内周縁とを同径に形成しており，そのためフランジ１０，２０の緊締が完了すると，真空容器１の内壁側においてフランジ１０とフランジ２０との間にはメタルガスケット３０の第２部分３２が配置されることにより，接合部における真空容器１の内面が平坦となる。

従って，この構成のメタルガスケット３０にあっては，フランジ１０，２０の平坦面１２，２２間に挟持される第２部分３２が，図９を参照して説明した従来技術におけるＲＦコンタクト１５０と同様の機能を発揮する。

そして，２つのフランジ１０，２０と前述のメタルガスケット３０は，いずれも同一材質の金属によって形成されたものであるから，高価なＲＦコンタクト等を取り付けることなしに，前述した壁電流を確実に導通させることができると共に，高次高周波の励起を好適に防止することができるものとなっている。

なお，図５及び図６中，符号１４，２４は支持脚であり，２つのフランジ１０，２０が平行となるようフランジ１０，２０の外周側における位置を規制する。

１ 真空容器
１ａ 内周面（真空容器の）
１０ フランジ
１１ フランジ溝
１２ 平坦面
１３ 開孔
１４ 支持脚
２０ フランジ
２１ フランジ溝
２２ 平坦面
２３ 凸部
２４ 支持脚
３０ メタルガスケット
３１ 第１部分
３２ 第２部分
３３ 内周縁
３４ 開孔
４１，４２ 凸条
５０ ガイドピン
６０ ボルト
６１ ナット
７０ 電子銃
δ１，δ２ 被封止間隙
１１０，１２０ フランジ
１３０ メタルＯリング
１３１ 金線
１３２ メタルガスケット（軟質金属）
１４１，１４２ ナイフエッジ
１４８ 凹溝
１５０ ＲＦコンタクト

Claims (10)

1. 一対のフランジを重ね合わせて緊締することにより連結される連結部を備えた真空容器のフランジ間をシールするシール機構において，
   前記フランジ間に生じる被封止間隙を構成する各部材の材質を物性が近似乃至は一致する同材質または異種の金属によって形成し，
   前記被封止間隙を構成する二部材の一方から他方に向かって環状に突出する，断面において楔型を成す凸条を形成したことを特徴とする真空容器におけるフランジ部のシール構造。
2. 前記一対のフランジの少なくとも一方と同一材質で，且つ，前記一対のフランジ間に挟持される環状のメタルガスケットを前記フランジとは別に設け，前記メタルガスケットと少なくとも一方のフランジとの間に形成された間隙を，前記被封止間隙としたことを特徴とする請求項１記載の真空容器におけるフランジ部のシール構造。
3. 前記フランジの一方又は双方に，前記メタルガスケットを嵌合可能なフランジ溝を形成すると共に，前記凸条の先端が所定量潰れて変形した際，前記フランジ溝内に前記メタルガスケットが完全に嵌合して，前記メタルガスケットの内周側における前記フランジの平坦面が重なり合う深さに前記フランジ溝を形成したことを特徴とする請求項２記載の真空容器におけるフランジ部のシール構造。
4. 前記フランジ双方の対向位置にそれぞれフランジ溝を形成すると共に，
   前記メタルガスケットに，前記フランジ溝の形成位置において前記フランジ間に挟持される第１部分と，前記フランジ溝の形成位置に対し真空容器の内周側において前記フランジ間に挟持される第２部分を設け，
   前記第２部分の内周縁が，前記真空容器の内周面と同位置となるよう前記メタルガスケットを形成すると共に，
   前記フランジの緊締によって前記メタルガスケットの前記第２部分が前記フランジ間に圧接挟持されたとき，前記凸条の所定量の変形が得られるよう，前記フランジ溝の総深さ，前記メタルガスケットの第２部分の厚み，及び前記凸条の突出高さを設定したことを特徴とする請求項２記載の真空容器におけるフランジ部のシール構造。
5. 前記一対のフランジに対し前記メタルガスケットを位置決めするガイドピンを前記フランジ又は前記メタルガスケットのいずれかに設けると共に，残りの部材に前記ガイドピンを受け入れるガイドピン嵌合部を設けたことを特徴とする請求項２〜４いずれか１項記載の真空容器におけるフランジ部のシール構造。
6. 前記凸条を，いずれも前記メタルガスケットに設けたことを特徴とする請求項２〜５いずれか１項記載の真空容器におけるフランジ部のシール構造。
7. 前記メタルガスケットを，耐ベーキング性を有する材質としたことを特徴とする請求項２〜６いずれか１項記載の真空容器におけるフランジ部のシール構造。
8. 前記凸条の断面における先端部の角度θ〔図１（Ａ）参照〕が，９０〜３０°であることを特徴とする請求項１〜７いずれか１項記載の真空容器におけるフランジ部のシール構造。
9. 前記被封止間隙を構成する二部材の前記他方の表面に，前記二部材間の癒着を防止する表面処理を施したことを特徴とする請求項１〜８いずれか１項記載の真空容器におけるフランジ部のシール構造。
10. 請求項１〜７いずれか１項記載のフランジ部のシール構造を備えた真空容器の前記一対のフランジを重ね合わせて緊締することにより，前記凸条の先端部を所定量変形させて潰すことにより前記被封止間隙をシールすることを特徴とする真空容器におけるフランジ部のシール方法。

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