JP2014179230A - Electrode for ion source and manufacturing method of the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、イオン源用電極及びその製造方法に関する。 Embodiments described herein relate generally to an ion source electrode and a method for manufacturing the same.
核融合装置の中性粒子入射装置やイオンミキシング装置には、プラズマから高速のイオンビームを生成するイオン源が用いられる。 An ion source that generates a high-speed ion beam from plasma is used for a neutral particle injection device or ion mixing device of a fusion device.
例えば核融合装置に用いられる中性粒子入射装置のイオン源は、プラズマ生成部に水素などのガスを導入し、フィラメントを介してアーク放電を行うことによりプラズマを生成する。このプラズマ中のガスが電離したイオンを、複数の電極からなる電極列に高電圧を印加して形成した電界によって、プラズマから引き出して加速する。このようにして高エネルギーを有する高速のイオンビームが発生する。イオンビームはそのままでは核融合装置のコイルの磁場によって曲げられる。このため、ガスを満たした中性化セルにイオンビームを通過させることで、イオンとガスとの衝突反応により運動エネルギーを保存したまま中性粒子ビームに変換し、炉心プラズマに入射させる。 For example, an ion source of a neutral particle injection device used in a nuclear fusion device generates a plasma by introducing a gas such as hydrogen into a plasma generation unit and performing arc discharge through a filament. The ions ionized by the gas in the plasma are extracted from the plasma and accelerated by an electric field formed by applying a high voltage to an electrode array composed of a plurality of electrodes. In this way, a high-speed ion beam having high energy is generated. The ion beam is bent by the magnetic field of the coil of the fusion device as it is. For this reason, by passing the ion beam through a neutralization cell filled with gas, it is converted into a neutral particle beam while maintaining the kinetic energy by collision reaction between the ions and the gas and is incident on the core plasma.
前記したイオン源におけるイオン加速用の電極列は、3段または5段の電極で構成される。各電極は、プラズマからイオンビームを引き出すためのイオンビーム引出し孔を多数有する。 The electrode array for accelerating ions in the above ion source is composed of three or five stages of electrodes. Each electrode has a number of ion beam extraction holes for extracting an ion beam from the plasma.
プラズマ生成部に最も近い1段目の電極は高温のイオンビームと直接接触する。そのため、1段目の電極をはじめとして各電極は、電極自体の熱負荷を下げ、耐久性を向上させる冷却チャンネルを有する。通常、この冷却チャンネルは、効果的に冷却を果たすために、多数形成されるイオンビーム引出し孔間にそれぞれ設けられる。各冷却チャンネルの中に冷媒である純水が通される。 The first stage electrode closest to the plasma generation unit is in direct contact with the high temperature ion beam. Therefore, each electrode including the first-stage electrode has a cooling channel that lowers the heat load of the electrode itself and improves durability. Usually, this cooling channel is provided between a plurality of formed ion beam extraction holes in order to effectively perform cooling. Pure water as a refrigerant is passed through each cooling channel.
ところで、前記構成のイオン源用電極において、電極板の材料としては、モリブデンが一般的に用いられる。これは、モリブデンが、高熱負荷に耐え、かつ、線膨張が小さいためにビーム引出し孔の熱負荷による位置の精度を維持するのに適する材料であり、さらには入手が容易である等の理由による。 By the way, in the ion source electrode having the above-described configuration, molybdenum is generally used as a material for the electrode plate. This is because molybdenum is a material suitable for maintaining the accuracy of the position of the beam extraction hole due to the heat load because it withstands a high heat load and the linear expansion is small, and further because it is easily available. .
モリブデン板の素材が焼結体であると、純水などの冷却水により腐食されるという課題がある。この種のモリブデン板からなる電極の使用可能な寿命は、本願の発明者らの経験によれば、1年ないし2年と非常に短いという知見を得ている。 When the material of the molybdenum plate is a sintered body, there is a problem that it is corroded by cooling water such as pure water. According to the experience of the inventors of the present application, it has been found that the usable life of an electrode made of this type of molybdenum plate is as short as 1 to 2 years.
これらの事情から、耐食性に優れ、かつ、長寿命のイオン源用電極の開発が要望されている。 Under these circumstances, development of an ion source electrode having excellent corrosion resistance and a long lifetime has been demanded.
モリブデン焼結体からなる電極板に耐食性を与える工夫として、電極板の冷却チャネルの内周面を、ニッケルやセラミックでコーティングしたイオン源用電極、或いはモリブデン焼結体からなる電極板の冷却チャネル内に、銅製等の冷却管を配置したイオン源用電極がある。 In order to give corrosion resistance to the electrode plate made of molybdenum sintered body, the inner peripheral surface of the cooling channel of the electrode plate is coated with nickel or ceramic on the ion source electrode or inside the cooling channel of the electrode plate made of molybdenum sintered body. There is an ion source electrode in which a cooling pipe made of copper or the like is arranged.
イオン源用電極を純水等で冷却するためには、モリブデン板等により形成される電極板が有する水路の両端に、夫々ヘッダを連続して配置する必要がある。 In order to cool the ion source electrode with pure water or the like, it is necessary to continuously arrange headers at both ends of a water channel of an electrode plate formed of a molybdenum plate or the like.
この構成において水路が冷却管で形成されるイオン源用電極の場合、ヘッダとこれに挿入された冷却管の端部とが接合されるとともに、ビーム引出し孔を有したモリブデン製電極板の端面にヘッダが接合される。それにより、純水等の冷媒を電極板に触れることなく流通させ、電極板を冷却することが可能である。 In this configuration, in the case of an ion source electrode in which the water channel is formed by a cooling pipe, the header and the end of the cooling pipe inserted into the header are joined, and the end face of the molybdenum electrode plate having the beam extraction hole is joined. The header is joined. Thereby, it is possible to circulate a coolant such as pure water without touching the electrode plate and cool the electrode plate.
こうした構成のイオン源用電極において、冷却管が銅等で形成される場合、ヘッダは、冷却管と同種の金属、つまり、銅等で形成することが望ましい。この構成によれば、冷却管とヘッダとの接合が良好となる。それに伴い、電極板から冷却管を経由してのヘッダへの放熱で、電極板を効果的に除熱できる。そのため、冷却管への通水による冷却効果と相まって電極を冷却する性能を向上することが可能である。 In the ion source electrode having such a configuration, when the cooling tube is formed of copper or the like, the header is preferably formed of the same type of metal as the cooling tube, that is, copper or the like. According to this configuration, the joining between the cooling pipe and the header is good. Accordingly, heat can be removed from the electrode plate effectively by heat radiation from the electrode plate to the header via the cooling pipe. For this reason, it is possible to improve the performance of cooling the electrode in combination with the cooling effect by passing water through the cooling pipe.
しかし、既述のように電極板を形成する金属の線膨張係数は小さいのに対して、熱伝導性が良い銅等の金属材料で形成される冷却管の線膨張係数は大きい。このように線膨張係数が異なる異種金属が接合している構成のイオン源用電極は、線膨張差に基づく以下の課題があることが、本願の発明者により見出された。 However, the linear expansion coefficient of the metal forming the electrode plate is small as described above, whereas the linear expansion coefficient of the cooling pipe formed of a metal material such as copper having good thermal conductivity is large. The inventors of the present application have found that the electrode for an ion source having a structure in which different kinds of metals having different linear expansion coefficients are joined has the following problems based on the difference in linear expansion.
即ち、電極板とヘッダと冷却管とを熱間で加熱することにより接合してイオン源用電極を製造する場合、加熱時には、モリブデン等で形成された電極板の膨張よりもヘッダの膨張の方が大きく、この逆に、加熱停止後に常温に温度が下がるときには、電極板の収縮よりもヘッダの収縮の方が大きい。このため、電極板とヘッダとが接合している界面において、電極板とヘッダとにわたっている冷却管に、この管の軸方向と直交する方向に沿うせん断力が与えられる。 That is, when an electrode for an ion source is manufactured by joining an electrode plate, a header, and a cooling pipe by heating in the hot state, the expansion of the header is greater than the expansion of the electrode plate formed of molybdenum or the like during heating. Conversely, when the temperature drops to room temperature after stopping heating, the header contraction is greater than the electrode plate contraction. For this reason, at the interface where the electrode plate and the header are joined, a shearing force is applied to the cooling pipe extending over the electrode plate and the header along a direction orthogonal to the axial direction of the pipe.
こうしたせん断力は、電極の使用時(通電時)と電極の使用停止後(通電停止後)に伴っても作用する。即ち、製造されたイオン源用電極の使用と停止に伴い冷却管にせん断力繰り返し作用する。 Such shearing force also acts when the electrode is used (when energized) and after the electrode is stopped (after energization is stopped). That is, the shearing force repeatedly acts on the cooling pipe as the produced ion source electrode is used and stopped.
以上説明した事情により、せん断力を原因として、冷却管に亀裂が入って、そこから水漏れを生じる虞が考えられる。冷却管から漏れた冷媒はモリブデン焼結体製の電極板を腐食させることがある。このような懸念により、長寿命のイオン源用電極を提供することは困難であった。 Due to the circumstances described above, there is a possibility that the cooling pipe may crack due to the shearing force and cause water leakage. The refrigerant leaking from the cooling pipe may corrode the molybdenum sintered body electrode plate. Due to such concerns, it has been difficult to provide a long-life ion source electrode.
本発明が解決しようとする課題は、冷却効率が高く、かつ、耐食性に優れ、長寿命のイオン源用電極とその製造方法を提供することである。 The problem to be solved by the present invention is to provide an ion source electrode having high cooling efficiency, excellent corrosion resistance, and a long lifetime, and a method for producing the same.
前記課題を解決するために、実施形態のイオン源用電極は、複数のビーム引出し孔を有しかつ線膨張係数が小さい金属製の電極板、この電極板よりも線膨張係数が大きく熱伝導性が良好な金属製のヘッダ、及びこのヘッダと同種金属製の複数の冷却管を具備する。電極板をその厚み方向と直交する方向からヘッダで挟み、これらのヘッダを電極板に接合する。各冷却管を、電極板に貫通させ、この貫通の方向と直交する方向に並べて配設する。各冷却管の管端部をヘッダに挿入し接合する。電極板に接合部位を形成し、この接合部位は、各冷却管の並び方向に間隔的に配置される複数の第1凸部及びこの凸部に隣接する凹溝を有する。ヘッダに接合部位を形成し、この接合部位は、凹溝に嵌入し第1凸部により各冷却管の並び方向に挟まれる第2凸部を有する。これら接合部位を凹凸嵌合させて電極板とヘッダを接合したことを特徴としている。 In order to solve the above-mentioned problems, an ion source electrode according to an embodiment has a plurality of beam extraction holes and a metal electrode plate having a small linear expansion coefficient, and has a larger linear expansion coefficient than this electrode plate and thermal conductivity. Has a good metal header and a plurality of cooling pipes made of the same metal as the header. The electrode plates are sandwiched by headers from the direction perpendicular to the thickness direction, and these headers are joined to the electrode plates. Each cooling pipe is penetrated through the electrode plate and arranged side by side in a direction orthogonal to the penetration direction. The end of each cooling pipe is inserted into the header and joined. A joining part is formed in the electrode plate, and this joining part has a plurality of first protrusions arranged at intervals in the direction in which the cooling pipes are arranged and a groove adjacent to the protrusions. A joint part is formed in the header, and the joint part has a second convex part that is fitted in the concave groove and is sandwiched by the first convex part in the direction in which the cooling pipes are arranged. It is characterized in that the electrode plate and the header are joined by fitting these joint portions into an uneven shape.
(1)実施の形態に係るイオン源用電極は、プラズマ中のイオンを加速させてイオンビームを生成するイオン源用電極であって、耐熱性でかつ線膨張係数が小さい金属板で形成され、厚み方向に貫通する複数のビーム引出し孔を有する電極板と、前記電極板よりも線膨張係数が大きくかつ熱伝導性が良好な金属製で、前記電極板をこの電極板の厚み方向と直交する方向から挟んで前記電極板に接合されたヘッダと、前記ヘッダと同種の金属製で、前記ヘッダに挿入して接合された管端部を有して前記電極板に貫通され、この貫通の方向と直交する方向に並んで配設された複数の冷却管と、を具備し、前記電極板と前記ヘッダとがこれらの接合部位の少なくとも一部を凹凸嵌合させた形態で接合され、前記凹凸嵌合が、前記電極板に形成されて前記冷却管の並び方向に間隔的に配置された複数の第1凸部に隣接した凹溝と、前記ヘッダに形成されて前記凹溝に嵌入し前記冷却管の並び方向に前記第1凸部で挟まれた第2凸部とでなされていることを特徴とする。 (1) An ion source electrode according to an embodiment is an ion source electrode that generates an ion beam by accelerating ions in plasma, and is formed of a metal plate that is heat resistant and has a small linear expansion coefficient. An electrode plate having a plurality of beam extraction holes penetrating in the thickness direction and a metal having a larger linear expansion coefficient and better thermal conductivity than the electrode plate, and the electrode plate is orthogonal to the thickness direction of the electrode plate A header that is joined to the electrode plate across from the direction, and is made of the same type of metal as the header, and has a tube end portion that is inserted into and joined to the header and penetrates the electrode plate. A plurality of cooling pipes arranged side by side in a direction perpendicular to each other, wherein the electrode plate and the header are joined in a form in which at least a part of these joining portions are fitted to be uneven, A fitting is formed on the electrode plate A plurality of concave grooves adjacent to a plurality of first convex portions arranged at intervals in the arrangement direction of the cooling pipes, and the first convex parts formed in the header and fitted into the concave grooves in the arrangement direction of the cooling pipes It is made with the 2nd convex part pinched | interposed by.
前記実施形態によれば、イオンビームの生成に伴って高温となる電極板を、これを貫通した冷却管に通される冷媒により冷却できる。加えて、電極板に接合されているヘッダに、電極板の熱が放出される。しかも、この放熱において、電極板とヘッダとが凹凸嵌合されていることで、伝熱面積をより多く確保できる。したがって、電極板の除熱効果が向上され、電極板の熱負荷が低減されるので、電極板の耐久性を高めることが可能である。 According to the embodiment, the electrode plate that becomes high temperature as the ion beam is generated can be cooled by the refrigerant that is passed through the cooling pipe that passes through the electrode plate. In addition, the heat of the electrode plate is released to the header joined to the electrode plate. In addition, in this heat radiation, the electrode plate and the header are concavo-convexly fitted, so that a larger heat transfer area can be secured. Therefore, the heat removal effect of the electrode plate is improved and the thermal load on the electrode plate is reduced, so that the durability of the electrode plate can be increased.
更に、電極板とヘッダとは凹凸嵌合された接合部位において、ヘッダより線膨張係数が小さい電極板が有する複数の第1凸部で、電極板より線膨張係数が大きいヘッダの第2凸部が、複数の冷却管の並び方向に挟まれている。これにより、電極が高温となることに伴って、ヘッダが冷却管の並び方向に膨張することが抑制され、その結果、電極板とヘッダとの線膨張係数の差に起因して前記接合部位において冷却管に作用するせん断力を低減できる。したがって、せん断力を原因とする冷却管の損傷による冷媒の漏れが抑制されるに伴い、漏れ出る冷媒を原因とする電極板の腐食を防止することが可能である。 Further, in the joint portion where the electrode plate and the header are unevenly fitted, the plurality of first convex portions of the electrode plate having a smaller linear expansion coefficient than the header, the second convex portion of the header having a larger linear expansion coefficient than the electrode plate Is sandwiched in the direction in which the plurality of cooling pipes are arranged. Thereby, it is suppressed that the header expands in the arrangement direction of the cooling pipe as the electrode becomes high temperature, and as a result, due to the difference in the coefficient of linear expansion between the electrode plate and the header, The shearing force acting on the cooling pipe can be reduced. Accordingly, it is possible to prevent corrosion of the electrode plate caused by the leaking refrigerant as the leakage of the refrigerant due to damage to the cooling pipe caused by the shearing force is suppressed.
(2)前記(1)のイオン源用電極において、前記ヘッダが、前記第2凸部を複数有するとともに、これら第2凸部に隣接し前記第1凸部が嵌入される凹溝を複数有し、前記第2凸部と前記電極板が有する前記凹溝との嵌合、及び前記第1凸部と前記ヘッダが有する前記凹溝との嵌合が、前記冷却管の並び方向に沿って前記接合部位の略全体にわたっていることが好ましい。 (2) In the ion source electrode of (1), the header has a plurality of the second protrusions, and a plurality of grooves that are adjacent to the second protrusions and into which the first protrusions are fitted. Then, the fitting between the second convex portion and the concave groove of the electrode plate and the fitting of the first convex portion and the concave groove of the header are along the alignment direction of the cooling pipes. It is preferable that it extends over substantially the entire joining portion.
前記(2)の実施形態によれば、電極板からヘッダへの伝熱面積をより多く確保できるとともに、より多くの箇所で冷却管の並び方向へのヘッダの膨張を抑制できる。 According to the embodiment of (2), a larger heat transfer area from the electrode plate to the header can be secured, and expansion of the header in the direction in which the cooling pipes are arranged can be suppressed at more locations.
(3)前記(1)又は(2)のイオン源用電極において、前記第1凸部及びこれに隣接した前記電極板の凹溝と、この凹溝に嵌合された前記第2凸部とが、夫々ダブテールで形状であることが好ましい。 (3) In the ion source electrode according to (1) or (2), the first convex portion and the concave groove of the electrode plate adjacent to the first convex portion, and the second convex portion fitted in the concave groove, However, each is preferably dovetail and shaped.
前記(3)の実施形態によれば、電極が高温となることに伴って、ヘッダが冷却管の軸方向へ膨張することが抑制される。この結果、高温状態から電極の温度が下がってヘッダが冷却管の軸方向に熱収縮するに伴って、冷却管の管端部をその根元において座屈させようとする力が低減される。したがって、座屈を原因とする冷却管の損傷による冷媒の漏れが抑制されるので、漏れ出る冷媒を原因とする電極板の腐食を防止することが可能である。 According to the embodiment (3), the header is prevented from expanding in the axial direction of the cooling pipe as the electrode becomes hot. As a result, as the electrode temperature decreases from the high temperature state and the header thermally contracts in the axial direction of the cooling pipe, the force for buckling the pipe end of the cooling pipe at its root is reduced. Therefore, since leakage of the refrigerant due to damage to the cooling pipe caused by buckling is suppressed, it is possible to prevent corrosion of the electrode plate caused by the leaking refrigerant.
(4)前記(1)から(3)のうちのいずれかのイオン源用電極において、前記冷却管に嵌合される複数の溝を有した二枚の電極板材で前記電極板が形成され、これら電極板材の前記溝が形成された面同士が接合されて、二枚の前記電極板材で前記冷却管が挟まれていることが好ましい。 (4) In the ion source electrode according to any one of (1) to (3), the electrode plate is formed of two electrode plate members having a plurality of grooves fitted into the cooling pipe, It is preferable that the surfaces of the electrode plate members on which the grooves are formed are bonded to each other so that the cooling pipe is sandwiched between the two electrode plate members.
前記(4)の実施形態によれば、冷却管を通すための通孔を電極板に加工すること、及びこの通孔に冷却管を挿通させる手間が不要となるので、コストを低減することが可能である。これとともに、溝を形成する凹面が冷却管の中間部位の周方向全体に接合されるので、電極板を冷却管で冷却する効果を高めることも可能である。 According to the embodiment of (4), it is not necessary to process the through hole for passing the cooling pipe into the electrode plate and to insert the cooling pipe into the through hole, thereby reducing the cost. Is possible. At the same time, since the concave surface forming the groove is joined to the entire circumferential direction of the intermediate portion of the cooling pipe, it is possible to enhance the effect of cooling the electrode plate with the cooling pipe.
(5)前記(1)から(4)のうちのいずれかのイオン源用電極において、前記ヘッダが、前記管端部が挿入された第1ヘッダ部材と、この第1ヘッダ部材に被着された第2ヘッダ部材とを有し、前記各管端部の先端を夫々閉じる栓を取付けるとともに、前記第1ヘッダ部材に前記各管端部に夫々連通する孔を形成し、前記第2ヘッダ部材に、前記各冷却管の並び方向に延びて前記各孔に連通するヘッダ溝と、このヘッダ溝に連通され前記各冷却管より少数の出入口を形成することが好ましい。 (5) In the ion source electrode according to any one of (1) to (4), the header is attached to the first header member into which the tube end portion is inserted, and the first header member. A second header member, and a stopper for closing the end of each tube end portion is attached, and a hole communicating with each tube end portion is formed in the first header member, and the second header member is formed. Further, it is preferable that a header groove extending in the direction in which the cooling pipes are arranged to communicate with the holes, and a smaller number of inlets / outlets than the cooling pipes are formed in communication with the header grooves.
前記(5)の実施形態によれば、冷媒を通すためにヘッダに設けられる出入口の数が冷却管の数より少ないので、出入口に接続される配管数を減らすことが可能である。 According to the embodiment of (5), since the number of inlets / outlets provided in the header for passing the refrigerant is smaller than the number of cooling pipes, the number of pipes connected to the inlet / outlet can be reduced.
(6)実施の形態に係るイオン源用電極の製造方法は、プラズマ中のイオンを加速させてイオンビームを生成するイオン源用電極の製造方法であって、両端に夫々形成された複数の第1凸部及び厚み方向に貫通した複数のイオン引出し孔を有するモリブデン焼結体製の電極板と、前記両端から夫々突出される管端部を有し前記電極板を貫通して前記厚み方向と直交する方向に並んで配設された銅又は銅合金製の複数の冷却管を有する電極本体部を準備するとともに、前記第1凸部間に形成された凹溝に嵌入し前記第1凸部により前記冷却管の並び方向に挟まれる第2凸部及び前記管端部が挿入される複数の管通孔を夫々有する銅又は銅合金製のヘッダを準備する工程と、前記管通孔に前記管端部を夫々挿入するとともに前記凹溝と前記第2凸部とを嵌合させることにより、前記電極板を挟んで前記ヘッダを夫々配置して、前記電極本体部と前記ヘッダとを組み合わせてなる電極アッセンブリを仮組みする工程と、前記管端部と前記管通孔との接合部を、真空又は不活性ガスの雰囲気下でシール溶接する工程と、シール溶接が施された前記電極アッセンブリを接合容器本体に収納するとともに、前記接合容器本体に容器蓋を被せた上で、これら接合容器本体と容器蓋をシール溶接して接合容器を組立てる工程と、前記接合容器を熱間等方圧加圧装置に収納し、前記電極アッセンブリを外気から遮断する工程と、前記熱間等方圧加圧装置を動作させて前記電極アッセンブリを熱間等方圧加圧法で処理することにより、前記電極板と前記冷却管と前記ヘッダの各接合部を接合する工程と、前記熱間等方圧加圧装置から前記接合容器を取出す工程と、前記接合容器を解体し、前記接合により一体化された前記電極アッセンブリを取出す工程と、を備えることを特徴とする。 (6) A method of manufacturing an ion source electrode according to an embodiment is a method of manufacturing an ion source electrode that generates ions by accelerating ions in plasma, and includes a plurality of second electrodes formed at both ends. An electrode plate made of a sintered molybdenum body having one convex portion and a plurality of ion extraction holes penetrating in the thickness direction, a tube end portion projecting from each of the both ends, penetrating the electrode plate, and the thickness direction An electrode main body having a plurality of cooling pipes made of copper or copper alloy arranged side by side in an orthogonal direction is prepared, and the first convex portion is fitted into a concave groove formed between the first convex portions. Preparing a header made of copper or copper alloy each having a plurality of pipe through holes into which the second protrusions and the pipe end parts sandwiched in the direction in which the cooling pipes are arranged, and in the pipe through holes, The tube ends are inserted respectively, and the concave groove and the second convex The headers are arranged with the electrode plates interposed therebetween, and the electrode assembly formed by combining the electrode main body portion and the header is temporarily assembled, and the tube end portion and the tube The step of sealing and welding the joint with the through-hole in an atmosphere of vacuum or inert gas, and the electrode assembly subjected to seal welding are housed in the joint container body, and the joint container body is covered with a container lid. In addition, a process of assembling the junction container by sealing and welding the junction container body and the container lid, storing the junction container in a hot isostatic press, and shutting off the electrode assembly from outside air, Operating the hot isostatic pressing device to process the electrode assembly by a hot isostatic pressing method, thereby joining the joints of the electrode plate, the cooling pipe, and the header; From serial heat during isostatic pressing apparatus comprising the steps of retrieving the junction container, dismantle the joint container, characterized in that it comprises a step of taking out the electrode assembly which is integrated by the bonding.
前記(6)の実施形態によれば、熱間等方圧加圧法によって、モリブデン製の電極板と銅又は銅合金製の冷却管とを接合するとともに、これら電極板及び冷却管と銅又は銅合金製のヘッダを接合したので、各部品相互を位置合わせできるとともに強固に接合できる。これにより製造されたイオン源用電極は、高熱負荷に曝される電極板から冷却管及びヘッダへの放熱性能が向上されることに加えて、電極板とヘッダとが凹凸嵌合された接合部位において、電極板からヘッダへの伝熱面積をより多く確保できる。したがって、電極板の除熱効果を高められる。 According to the embodiment of (6), the electrode plate made of molybdenum and the cooling pipe made of copper or copper alloy are joined by the hot isostatic pressing method, and the electrode plate and the cooling pipe and copper or copper are joined. Since the alloy header is joined, the components can be aligned with each other and firmly joined. The ion source electrode manufactured in this way is improved in the heat dissipation performance from the electrode plate exposed to high heat load to the cooling pipe and the header, and in addition, the joint portion where the electrode plate and the header are unevenly fitted. Thus, a larger heat transfer area from the electrode plate to the header can be secured. Therefore, the heat removal effect of the electrode plate can be enhanced.
これとともに、製造されたイオン源用電極は、ヘッダより線膨張係数が小さい電極板が有する第1凸部で、電極板より線膨張係数が大きいヘッダの第2凸部を、複数の冷却管の並び方向に挟んでいるので、電極が高温となることに伴い、ヘッダが冷却管の並び方向へ膨張することが抑制される。その結果、電極板とヘッダとの線膨張係数の差に起因して前記接合部位において冷却管に作用するせん断力が低減される。 At the same time, the manufactured ion source electrode is the first convex portion of the electrode plate having a smaller linear expansion coefficient than the header, and the second convex portion of the header having a larger linear expansion coefficient than the electrode plate is formed by the plurality of cooling tubes Since the electrodes are sandwiched in the arrangement direction, it is suppressed that the header expands in the arrangement direction of the cooling pipes as the electrodes become high temperature. As a result, the shearing force acting on the cooling pipe at the joint portion due to the difference in the linear expansion coefficient between the electrode plate and the header is reduced.
以上のようにように(6)の実施形態により製造された電極は、電極板の冷却効率が高いとともに、耐久性が高く、かつ、せん断力を原因とする冷却管の損傷による冷媒の漏れによる電極板の腐食を防止することができる。 As described above, the electrode manufactured according to the embodiment (6) has high cooling efficiency of the electrode plate, high durability, and leakage of refrigerant due to damage to the cooling pipe caused by shearing force. Corrosion of the electrode plate can be prevented.
(7)前記(6)のイオン源用電極の製造方法で、前記電極本体部を用意する工程においては、前記冷却管の管端部以外の中間部位に嵌合される溝が片面に複数有するとともに、前記第1凸部及び前記凹溝を形成する凹凸形状の縁部を有する二枚の電極板材を準備し、二枚の前記電極板材の溝を向き合わせ、向かい合った前記溝間に前記中間部位が配置されるように、二枚の前記電極板材で前記冷却管を挟んで前記電極板を組立てて、前記電極本体部を形成することが好ましい。 (7) In the ion source electrode manufacturing method according to (6), in the step of preparing the electrode main body, a plurality of grooves fitted to an intermediate portion other than the tube end of the cooling pipe are provided on one side. In addition, two electrode plate materials having an uneven edge portion forming the first convex portion and the concave groove are prepared, the grooves of the two electrode plate materials are faced, and the intermediate between the grooves facing each other is prepared. It is preferable that the electrode body is formed by assembling the electrode plate with the cooling pipe sandwiched between the two electrode plate members so that the portions are arranged.
前記(7)の実施形態によれば、冷却管を通すための通孔を電極板に加工すること、及びこの通孔に冷却管を挿通させる手間が不要となるので、コストを低減することが可能である。これとともに、溝を形成する凹面が冷却管の周方向全体に接合されるので、電極板を冷却管で冷却する効果を高めることも可能である。 According to the embodiment of (7), it is not necessary to process the through hole for passing the cooling pipe into the electrode plate and to insert the cooling pipe into the through hole, thereby reducing the cost. Is possible. At the same time, since the concave surface forming the groove is joined to the entire circumferential direction of the cooling pipe, it is possible to enhance the effect of cooling the electrode plate with the cooling pipe.
(8)前記(7)のイオン源用電極の製造方法において、前記管通孔及び前記第2凸部が形成された第1枠部、及びこの第1枠部と同様に前記管通孔及び前記第2凸部が形成された第2枠部を有する銅又は銅合金製の四角い枠体を用意し、前記第1、第2の枠部が有する前記管通孔に前記冷却管の管端部を夫々挿入して、前記冷却管を前記第1枠部と第2枠部にわたって配設した後、前記枠体内に、二枚の前記電極板材を収納した上で、これら電極板材を覆う銅又は銅合金製の第1蓋を収納するとともに、この第1蓋を前記枠体とともに覆う銅又は銅合金製の第2蓋を収納して、前記電極アッセンブリを仮組みシ、この仮組みにより形成された前記接合容器を前記熱間等方圧加圧法で処理し、処理された前記接合容器に機械加工を施して、前記電極アッセンブリに相当する部分以外の余分な部分を除去して前記電極アッセンブリに相当する部分を残すことが好ましい。 (8) In the method for manufacturing an ion source electrode according to (7), the tube through hole and the second frame are formed in the same manner as the first frame portion in which the tube through hole and the second convex portion are formed. A square frame made of copper or a copper alloy having a second frame portion on which the second convex portion is formed is prepared, and the tube end of the cooling pipe is inserted into the tube through hole of the first and second frame portions. After the cooling pipe is disposed over the first frame portion and the second frame portion, the two electrode plate materials are accommodated in the frame body, and the copper covering the electrode plate materials is then inserted. Alternatively, a first lid made of copper alloy is housed, and a second lid made of copper or copper alloy covering the first lid with the frame body is housed, and the electrode assembly is temporarily assembled and formed by this temporary assembly. The processed bonding container is processed by the hot isostatic pressing method, the processed bonding container is machined, It is preferred that the excess portions other than the portion corresponding to the electrode assembly is removed leaving a portion corresponding to the electrode assembly.
前記(8)の実施形態によれば、複数の冷却管を枠体の第1枠部と第2枠部にわたって配設することで、各冷却管を適正に位置決めできる。この位置決め下において、枠体内に二枚の電極板材を収容することで、これら電極板材に形成された溝の夫々が冷却管の中間部位をくるむように嵌合される。それにより、電極板に冷却管を一本一本通す面倒な手間を要することなく、電極板と冷却管とが適正に組み合わされる。この上で、枠体に第1蓋と第2蓋を収納することで、熱間等方圧加圧法で処理するのに好適な電極アッセンブリに相当する構造を有した接合容器が仮組みされる。更に、この後、熱間等方圧加圧法で処理された接合容器の不要部分を除去することでイオン源用電極とする。したがって、前記(8)の実施形態によれば、イオン源用電極の製造性を向上することが可能である。 According to the embodiment of (8), each cooling pipe can be properly positioned by disposing a plurality of cooling pipes across the first frame part and the second frame part of the frame body. Under this positioning, the two electrode plate members are accommodated in the frame, so that the grooves formed in these electrode plate members are fitted so as to enclose the intermediate portion of the cooling pipe. Thereby, an electrode plate and a cooling pipe are combined appropriately, without requiring the troublesome thing which passes a cooling pipe to an electrode board one by one. On this, by joining the first lid and the second lid in the frame body, a junction container having a structure corresponding to an electrode assembly suitable for processing by the hot isostatic pressing method is temporarily assembled. . Further, after that, unnecessary portions of the bonding container processed by the hot isostatic pressing method are removed to obtain an ion source electrode. Therefore, according to the embodiment of (8), it is possible to improve the manufacturability of the ion source electrode.
以下、添付の図面を参照して種々の好ましい実施の形態を説明する。 Hereinafter, various preferred embodiments will be described with reference to the accompanying drawings.
まず、実施形態のイオン源用電極が利用される核融合装置の関連部分の構成について概要を説明する。 First, an outline of the configuration of the relevant part of the fusion device in which the ion source electrode of the embodiment is used will be described.
図1に示すように、核融合装置に用いられる中性粒子入射装置31のイオン源32は、水素等の第1のガス33が導入されフィラメント34を有するプラズマ生成部35において、当該フィラメント34を介してアーク放電を行うことによりプラズマを生成する。更に、イオン源32は、電源37により電極列38の各電極36に高電圧を夫々印加して、電界を形成する。この電界によって、前記プラズマ中の第1のガス33が電離したイオンを、プラズマから引出して加速し、高エネルギーを有する高速のイオンビーム40が生成される。
As shown in FIG. 1, an
イオンビーム40はそのままでは核融合装置のコイルの磁場によって曲げられてしまう。このため、イオン源32は、第2のガス41を満たした中性化セル39にイオンビーム40を通過させる。それにより、イオンビーム40は、イオンと第2のガス41との衝突反応により運動エネルギーを保存したまま中性粒子ビーム42に変換される。この中性粒子ビーム42は炉心プラズマ43に入射される。
The ion beam 40 is bent as it is by the magnetic field of the coil of the fusion device. For this reason, the
前述したイオン源におけるイオン加速用の電極列38は、平行に離間配置された3段あるいは5段(図示しない)の電極36により構成される。電極36に複数形成されたビーム引出し孔を通してプラズマからイオンビームが引出される。イオン源32に最も近い1段目の電極36は高温のイオンビーム40と直接接触する。各電極36は、電極自体の熱負荷を下げて耐久性を向上させるための冷却手段を備えている。この冷却手段は、以下の各実施形態で詳細に説明するが、電極全体を効果的に冷却するために、ビーム引出し孔と干渉しないように配置された冷却管を有する。
The electrode array 38 for accelerating ions in the ion source described above is constituted by three or five (not shown)
(第1の実施の形態)
図2〜図8を参照して第1の実施の形態を説明する。
(First embodiment)
The first embodiment will be described with reference to FIGS.
図2及び図3に示すように、第1実施形態のイオン源用電極(以下、単に電極と略称する。)36は、電極板1と、複数の冷却管11と、二個のヘッダ15とを備える。電極板1と各冷却管11とにより電極本体部Aが構成される。更に、この電極本体部Aと各ヘッダ15とにより電極36が構成される。
As shown in FIGS. 2 and 3, the ion source electrode (hereinafter simply referred to as an electrode) 36 of the first embodiment includes an electrode plate 1, a plurality of cooling
電極板1は、高熱負荷に耐えることができるような耐熱性を有しかつ線膨張係数が小さい金属製である。この種の金属として、モリブデンの焼結体を好適に使用できる。電極板1を構成するモリブデンの融点は例えば2630℃であり、かつ、同モリブデンの線膨張係数は25℃で5.43×10−6・℃−1である。なお、電極板1をなす金属材料としては、モリブデンに代えて、例えばタンタルの焼結体等を用いることも可能である。 The electrode plate 1 is made of metal having heat resistance that can withstand a high heat load and a small linear expansion coefficient. As this kind of metal, a sintered body of molybdenum can be suitably used. The melting point of molybdenum constituting the electrode plate 1 is, for example, 2630 ° C., and the linear expansion coefficient of the molybdenum is 5.43 × 10 −6 · ° C. −1 at 25 ° C. As the metal material forming the electrode plate 1, for example, a tantalum sintered body or the like can be used instead of molybdenum.
電極板1は、平板であり、その厚みは、3mm〜6mm程度、例えば5mmである。この電極板1の形状は、例えば四角形状をなしているが、これに限らず円形等であっても差し支えない。電極板1は一対の接合部位1aを有する。接合部位1aは、図2及び図3に示すように電極板1の形状が長方形である場合、その長手方向一端部と他端部が担っている。
The electrode plate 1 is a flat plate and has a thickness of about 3 mm to 6 mm, for example, 5 mm. The shape of the electrode plate 1 is, for example, a square shape, but is not limited to this, and may be a circular shape. The electrode plate 1 has a pair of joining
電極板1は、プラズマからイオンビームを引き出すためのビーム引出し孔2を複数有する。これらビーム引出し孔2は電極板1の全域にわたって規則的例えば縦横に整列する形態で配列されている。各ビーム引出し孔2は、例えば丸孔であり、その両端は電極板1の厚み方向両側面に夫々開放されている。
The electrode plate 1 has a plurality of
電極板1は冷却管11と同数の通孔3(図4及び図5参照)を有する。各通孔3は例えば丸孔であり、その径は、冷却管11の外径と略同じで、例えば2mm〜3mmである。これら通孔3は、各ビーム引出し孔2と交叉しないように設けられ、その両端はヘッダ15が接続される電極板1の接合部位1aに夫々開放されている。
The electrode plate 1 has the same number of through
このため、電極板1の例えば長手方向に並べられた複数のビーム引出し孔2からなる孔列と、通孔3とは、電極板1を図2に示すように平面視した場合に、前記孔列及び通孔3が延びる方向と直交する方向に交互に設けられている。
For this reason, for example, when the electrode plate 1 is viewed in a plan view as shown in FIG. 2, the hole array including the plurality of
電極板1はその接合部位1aに複数の第1凸部4を有する。一対の接合部位1aのうちの一方に形成された第1凸部4と、一対の接合部位1aのうちの他方に形成された第1凸部4とは、互に遠ざかる方向に突出されている。これら第1凸部4の両側面は平行である。
The electrode plate 1 has a plurality of first
各第1凸部4は、冷却管11の並び方向、換言すれば、互に平行な通孔3の並び方向に間隔的に設けられている。各第1凸部4の先端面に通孔3の端が開放されている。
The
第1凸部4に隣接する複数の凹溝5が接合部位1aに夫々形成されている。各凹溝5の幅は、変化がなく一定となるように第1凸部4によって規定されている。これら凹溝5と第1凸部4とは、第1実施形態では接合部位1aの略全体にわたって、前記孔列及び通孔3が延びる方向とは直交する方向、換言すれば、長方形状の電極板1の短手方向に交互に設けられている。したがって、第1実施形態では接合部位1aは櫛形形状をなしている。
A plurality of
冷却管11は、電極板1よりも線膨張係数が大きくかつ熱伝導性が良好な金属製である。この種の金属として、銅(純銅)又は銅合金を好適に使用できる。純銅は純度99.99%以上の無酸素銅が好ましい。銅合金には、Cu−Ag系合金、Cu−Cr−Zn系合金、Cu−Ni系合金、Cu−Ag−Ni系合金、Cu−Ni−Al系合金、Cu−Ni−Zn系合金等を使用できる。これらの銅又は銅合金は、高温耐食性に優れ、かつ、高温・高圧の負荷環境で高い信頼性を有する。
The cooling
各冷却管11は例えば無酸素銅からなる継目無し管である。これらの冷却管11は通孔3の形状に対応した丸パイプである。各冷却管11の全長は、電極板1の接合部位1aにわたる長さよりも長い。各冷却管11の外径は例えば3mmであり、厚みは0.5mmである。
Each cooling
各冷却管11は通孔3を貫通して電極板1に拡散接合により一体化されている。こうして電極板1を貫通した各冷却管11は、それらの貫通の方向(冷却管11の軸方向)と直交する方向に並んで配置されている。各冷却管11の両端部は夫々電極板1から突出されている。このように突出された端部を、ここでは管端部11aと称する。
Each cooling
各ヘッダ15は、夫々冷却管11と同種の金属、即ち銅(純銅)又は銅合金製である。ヘッダ15は、例えばベース部位15aとこれに折れ曲がるように連続した管接続部15bとを有する一体構造のブロックで形成されている。ベース部位15aと管接続部15bとは一体に形成されているが、別々の部材をろう付け等で一体化されていてもよい。
Each
ヘッダ15の厚みは電極板1の厚みに等しい。ヘッダ15の幅は、電極板1の幅(各冷却管11が並んだ方向の両端間の寸法)に等しい。ヘッダ15の概略サイズは次の通りである。縦350mm、横50mmである。ベース部位15aの厚さは5mmである。管接続部15bの高さは15mmである。
The thickness of the
ベース部位15aは、冷却管11と同数の管通孔16を有する。これらの管通孔16の径と配設間隔は、電極板1の通孔3の径と配設間隔と同じである。
The
ベース部位15aの先端部は接合部位15cをなしている。接合部位15cに、複数の第2凸部18が、互に平行な管通孔16の並び方向に間隔的に設けられている。各第2凸部18の先端面に管通孔16の端が開放されている。なお、管通孔16は、その端を次に説明する各凹溝19に開放させて設けることも可能である。
The tip of the
第2凸部18に隣接する複数の凹溝19が接合部位15cに夫々形成されている。これら凹溝19と第2凸部18とは、第1実施形態では接合部位15cの略全体にわたってヘッダ15の幅方向に交互に設けられている。したがって、第1実施形態において接合部位15cは櫛形形状をなしている。各凹溝19の幅は、変化がなく一定となるように第2凸部18によって規定されている。
A plurality of
管接続部15bは、例えば管通孔16と同数の出入口17を有する。これら出入口17は管通孔16に直角に連続した形態でこの管通孔16に連通されている。各出入口17は管接続部15bの先端面に開放され、これらの出入口17には図示しない配管が例えば挿入して接続される。
The
各ヘッダ15の接合部位15cと電極板1の接合部位1aとは凹凸嵌合されている。即ち、接合部位1aの第1凸部4と接合部位15cの凹溝19とが嵌合されているとともに、接合部位1aの凹溝5と接合部位15cの第2凸部18とが嵌合されている。それにより、各第2凸部18はこれに隣接した第1凸部4で冷却管11の並び方向に挟まれている(図12参照)。更に、ヘッダ15の管通孔16に、冷却管11の管端部11aが挿入されている。
The joining
したがって、二個のヘッダ15は、電極板1をこの電極板1の厚み方向と直交する方向から挟んで配置されている。この配置により、ヘッダ15のベース部位15aと電極板1とは面一に連続される。これらヘッダ15と電極板1、及びヘッダ15と各冷却管11の管端部11aとは拡散接合により一体化されている。
Therefore, the two
二個のヘッダ15は、多数の冷却管11に冷媒として例えば純水を均等に分配するための部材である。そのため、一方側のヘッダ15に出入口17に純水が図示しない冷却媒体供給源から供給されることに伴い電極36を水冷できる。つまり、供給された純水が、前記一方側のヘッダ15の出入口17を通って各冷却管11に流入するとともに、これら冷却管11を流通した純水が、他方側のヘッダ15の出入口17を通って、電極36外に流出される。
The two
次に、第1実施形態のイオン源用電極36を製造する方法を説明する。
Next, a method for manufacturing the
まず、電極板1、複数の冷却管11、及び一対のヘッダ15を準備する。この場合、準備されたヘッダ15は、それに管通孔16は形成されているが、出入口17は形成されていない構成物である。更に、準備された各部品の接合予定面を所定の表面粗さに仕上げる。この仕上げは、サンドペーパー研磨、バフ研磨、化学薬液と硬質微粒子を組み合わせた研磨法で行うことができる。例えば、バフ研磨で接合予定面を仕上げる場合は、表面粗さを5S以下となるように仕上げる。
First, an electrode plate 1, a plurality of cooling
こうして用意された電極板1と複数の冷却管11とを組み合わせて電極本体部Aを準備する。電極本体部Aは、電極板1の各通孔3に冷却管11を夫々貫通させることにより形成される。この場合、各冷却管11はその管端部11aが、電極板1の接合部位1aから夫々突出されるように電極板1に貫通される。
The electrode body A is prepared by combining the electrode plate 1 thus prepared and the plurality of cooling
次に、電極アッセンブリBを形成する。ここで、電極アッセンブリBとは、後述する熱間等方圧加圧法により接合される前の状態の電極を指している。この電極アッセンブリBは、電極板1の接合部位1aとヘッダ15の接合部位15cとを凹凸嵌合させるとともに、各管端部11aをヘッダ15の管通孔16に挿入することにより形成する。それにより、接合部位1aの第1凸部4に隣接した凹溝5に、接合部位15cの第2凸部18が嵌入されるとともに、電極板1をその長手方向に挟んで二個のヘッダ15が配置される。こうして、電極本体部Aとヘッダ15とが組み合わされた電極アッセンブリBが形成される。
Next, the electrode assembly B is formed. Here, the electrode assembly B refers to an electrode in a state before being joined by a hot isostatic pressing method described later. This electrode assembly B is formed by fitting the
この後、電極アッセンブリBにおけるシール対象箇所例えば管通孔16とこれに挿入された管端部11aとの間を、真空又は不活性ガスの雰囲気下でシール溶接する。この溶接により、後述する拡散接合のために用いられる高温・高圧のガスが、冷却管11と電極板1及びヘッダ15との各接合部に侵入することがないように構成された電極アッセンブリBを得ることができる。なお、図4中に符号20で、シール溶接が施された跡、つまり、シール溶接部を示す。
After that, seal welding is performed in a vacuum or an inert gas atmosphere between a portion to be sealed in the electrode assembly B, for example, between the
このシール溶接には電子ビーム溶接を採用できる。真空下で電子ビーム溶接をする場合、電極アッセンブリBを図示しない真空容器に収納し、この容器内を脱気した状態で、溶接対象部をシール溶接する。電極アッセンブリBが収納された真空容器を完全に脱気するために30分以上真空排気をした上で、溶接対象部に対するシール溶接を、電子ビームを用いて行った。この場合、冷却管11の肉厚が薄いために、電子ビーム溶接のビーム電流などの制御を的確に行って、健全なシール溶接を行った。
Electron beam welding can be employed for this seal welding. When electron beam welding is performed under vacuum, the electrode assembly B is housed in a vacuum container (not shown), and the welding target portion is sealed and welded in a state where the inside of the container is evacuated. In order to completely deaerate the vacuum vessel in which the electrode assembly B was accommodated, the vacuum evacuation was performed for 30 minutes or more, and then seal welding was performed on the welding target portion using an electron beam. In this case, since the thickness of the cooling
なお、シール溶接後に真空容器を解体して取出された電極アッセンブリBについて、シール溶接部20の健全性の確認は、溶接ビード外観検査、蛍光探傷試験、或いは必要に応じてヘリウムリーク試験などを実施することによって行なった。
For the electrode assembly B taken out by disassembling the vacuum vessel after seal welding, the soundness of the
次いで、図6に示すようにシール溶接部20を有する電極アッセンブリBを容器本体12に収納する。この場合、各冷却管11の両端開口は容器本体12の側壁に開口された状態とする。この後、容器本体12に容器蓋13を被せてから、容器本体12と容器蓋13とをシール溶接するとともに、容器本体12と各冷却管11の両端とをシール溶接して、密封された接合容器14(図7参照)を組立てる。図7中符号14aは容器本体12と容器蓋13との間のシール溶接部を示す。
Next, as shown in FIG. 6, the electrode assembly B having the
なお、接合容器14のシール溶接には電子ビーム溶接を採用した。電子ビーム溶接は、接合容器14内の空気を完全に脱気するために、真空排気を30分以上行った後に、実行した。又、接合容器14の気密性は、前記と同様に溶接ビード外観検査、蛍光探傷試験、或いは必要に応じてヘリウムリーク試験などを実施することによって、評価した。
Electron beam welding was adopted for seal welding of the
次に、熱間等方圧加圧方法により電極アッセンブリBの接合部を拡散接合により一体化するために、まず、シール溶接部20を有する電極アッセンブリBが格納された接合容器14を、図8に示す熱間等方圧加圧装置21が有する加圧容器22に収納して外気から遮断する。加圧容器22は、容器本体と、これに被さる蓋とを有する。
Next, in order to integrate the joined portion of the electrode assembly B by diffusion bonding by the hot isostatic pressing method, first, the joining
この後、熱間等方圧加圧装置21を動作させて接合容器14を熱間等方圧加圧法で処理する。この場合の処理手順は以下の通りである。
Thereafter, the hot
まず、第1バルブV1を開けて真空ポンプ24を起動し、加圧容器22の内部を真空排気した。加圧容器22内の真空度が10-2パスカル程度に到達したところで、真空ポンプ24を停止させ、第1バルブV1を閉じて脱気を完了する。
First, the first valve V1 was opened, the
次いで、第2バルブV2を開けて高圧ポンプ25を起動し、加圧容器22の中に高圧のアルゴンガスを注入し充填した。この場合、まず、初期圧の設定値とした10メガパスカル程度まで昇圧した。次いで、加圧容器22内の加熱ヒータ26に通電して昇温を開始した。昇温と共に加圧容器22内のガス圧力が上昇する。高圧ポンプ25はその駆動と停止を繰り返した。
Next, the second valve V <b> 2 was opened and the high-pressure pump 25 was started, and high-pressure argon gas was injected into the
これにより、熱間等方圧加圧処理の接合条件である温度900℃〜1000℃例えば900℃で、ガス圧力100メガパスカル〜150メガパスカルの範囲内の圧力、例えば147メガパスカルまで加圧し、この状態を2時間〜7時間例えば2時間保持した。なお、図8中の矢印27は、ガス圧力の方向を示した。このガス圧により接合容器14全体を等方圧で加圧することができる。
Thereby, at a temperature of 900 ° C. to 1000 ° C., for example, 900 ° C., which is a joining condition for hot isostatic pressing, the gas pressure is increased to a pressure within a range of 100 megapascal to 150 megapascal, for example, 147 megapascal, This state was maintained for 2 to 7 hours, for example 2 hours. Note that the
その後、加熱ヒータ26への通電を切るとともに、高圧ポンプ25を停止させ、第2バルブV2を閉じ、別のバルブ(図示せず)を開けることにより、加圧容器22内の高圧力のガスを放出し、常温・常圧まで冷却・降圧させた。このとき、放出されたガスの回収を行った。
Thereafter, the
こうして電極アッセンブリBが収容された接合容器14を熱間等方向加圧処理することにより、電極板1と冷却管11との接触部、冷却管11とヘッダ15との接触部、および電極板1の接合部位1aとヘッダ15の接合部位15cでの接触部(凹凸嵌合部)を、夫々固相接合(溶融しないで接合する方法)により一体化した。
In this way, the
特に、この等方圧加圧処理によれば、冷却管11の内部に高温・高圧のガスが入って、冷却管11が膨張される。この一方で、電極板1とヘッダ15とがその周囲から作用する圧力で圧縮される。それにより、電極板1と冷却管11、及び冷却管11とヘッダ15とが、それらの接触面において拡散接合される。したがって、電極36は、それを構成する複数の部品が、強固で健全に接合されることにより一体化された構造物として製造される。
In particular, according to this isotropic pressure pressurization process, high-temperature and high-pressure gas enters the cooling
前記熱間等方向加圧処理後に、加圧容器22内の圧力、温度がそれぞれ大気圧と常温に近い状態になった後に、加圧容器22の蓋を開いて接合容器14を取出す。更に、この接合容器14を解体して電極36を取出した。
After the hot isotropic pressure treatment, the pressure and temperature in the
この状態で、取出された電極36のシール溶接部20を切削や研削等により除去するとともに、所定の形状にする上で必要とされる機械加工を施した。
In this state, the seal welded
次いで、図4に示す銅製の栓28を各冷却管11の両端にそれぞれ溶接し、各冷却管11の両端開口を塞ぐ。更に、ヘッダ15の管接続部15bにドリル刃を挿入して出入口17を夫々加工して、これら出入口17を冷却管11の管端部11aに夫々連通させる。
Next, copper plugs 28 shown in FIG. 4 are welded to both ends of each cooling
以上のようにして、高熱負荷対応のイオン源用の電極36を得ることができた。
As described above, the
この電極36において、ヘッダ15は熱伝導性に優れた銅又は銅合金で作られている。これにより、ヘッダ15に接合された銅又は銅合金製の冷却管11を流れる純水などの冷媒との間での熱交換が迅速になる。
In this
加えて、ヘッダ15の接合部位15cと電極板1の接合部位1aとが凹凸嵌合された形態で接合されている。これにより、電極板1からヘッダ15への伝熱面積が増える。特に、第1実施形態では、接合部位1aと接合部位15cが、共に電極36の略全幅にわたる櫛形形状をなしていて、それらが凹凸嵌合した形で接合されている。
In addition, the joining
このため、より伝熱面積を大きく確保できる。したがって、電極板1からヘッダ15への除熱が向上される。
For this reason, a larger heat transfer area can be secured. Therefore, heat removal from the electrode plate 1 to the
以上説明したように第1実施形態の電極36によれば、その電極板1の冷却効率を向上することが可能であり、それに伴い電極36の耐久性を向上できる。
As described above, according to the
更に、電極36の電極板1と冷却管11及びヘッダ15は、その線膨張係数の違いにより、既述した製造時及び使用時とその停止に伴って膨張・収縮を伴う。具体的には、胴又は銅合金からなる冷却管11及びヘッダ15は、モリブデン製の電極板1より大きく膨張及び収縮をする。
Furthermore, the electrode plate 1 of the
しかし、ヘッダ15の接合部位15cに形成された第2凸部18は、電極板1の接合部位1aに形成された複数の第1凸部4間の凹溝5に嵌入された状態で、電極板1の幅方向(具体的には各冷却管11が並んだ方向)に第1凸部4により挟まれている。このため、各冷却管11の管端部11aの根元に、前記膨張・収縮に伴って冷却管11の軸方向に直交する方向(これは前記幅方向と同じである。)のせん断力が、与えられることが抑制される。これに伴い、各冷却管11が損傷して漏水する虞が解消されるので、漏水を原因として電極板1が腐食することも防止できる。
However, the second
したがって、第1実施形態によれば、耐久性が向上され、高い信頼性を有する。 Therefore, according to 1st Embodiment, durability is improved and it has high reliability.
(第2の実施の形態)
図9〜図19に示す第2実施形態は、以下説明する構成が第1実施形態とは相違しており、それ以外の構成は第1実施形態と同じである。このため、第1実施形態と同一ないしは同様の機能を奏する構成については、第1実施形態と同じ符号を付してその説明を省略する。なお、以下の説明では、必要により図8等も参照する。
(Second Embodiment)
The second embodiment shown in FIGS. 9 to 19 is different from the first embodiment in the configuration described below, and the other configurations are the same as those in the first embodiment. For this reason, about the structure which show | plays the same or same function as 1st Embodiment, the code | symbol same as 1st Embodiment is attached | subjected and the description is abbreviate | omitted. In the following description, FIG.
第2実施形態は、電極板が二枚の電極板材を接合した構成であること、ヘッダが二部材で構成されていること、ブッシュ及び補強板を更に備えた構成であること、及び製造方法において四角い枠材を用いること等が、第1実施形態とは異なる。 In the second embodiment, the electrode plate has a configuration in which two electrode plate materials are joined, the header is configured by two members, a configuration further including a bush and a reinforcing plate, and a manufacturing method. The use of a square frame material is different from the first embodiment.
電極板1をなす二枚の電極板材51は、図14に示すように同形状であり、しかも、図18に示すように複数の溝52と、凹凸形状をなした縁部53を有する。二枚の電極板材51の厚みは、同一であることが好ましいが、異なっていても差し支えない。
The two
複数の溝52は、電極板材51の片面に互に平行に形成され、これら溝52の両端は図19に示すように縁部53に夫々開放されている。各溝52が延びる方向に直交する方向の溝断面形状は、例えば半円形状である。二枚の電極板材51が接合された状態で、対向する溝52は断面が円形の通孔3(図12参照)を形成する。なお、第2実施形態において、通孔3の端は、接合部位1aが有する第2凸部18ではなくこれに隣接した凹溝19に開口されている。
The plurality of
なお、各溝52の溝断面形状は、半楕円形若しくは四角形状等であっても差し支えない。特に、溝断面形状を四角形状とすることは、溝52の形状に倣って形成される冷却管11の断面積が増えるので、電極板1と各冷却管11との熱交換面積が増えて冷却効果を向上できる点で好ましい。
The groove cross-sectional shape of each
縁部53は、二枚の電極板材51が接合された状態で、接合部位1a(図9、図11、図13、及び図16参照)を形成する部位である。
The
ブッシュ55は、冷却管11と同種の金属材料、つまり、銅又は銅合金で形成されている。ブッシュ55は図16で代表して示すように冷却管11の両端部外周に嵌合して取付けられる。
The
図17に示すように第2実施形態のヘッダ15は、第1ヘッダ部材57とこれに接合された第2ヘッダ部材58とで形成される。
As shown in FIG. 17, the
第1ヘッダ部材57は、第1実施形態で説明したヘッダのベース部位に相当する部材である。図9及び図11などに示すように第1ヘッダ部材57は、これ部材の接合部位1aと電極板1の接合部位15cとの凹凸嵌合部(接合部)を、電極板1の片面側から覆うカバー部15dを有する。更に、第1ヘッダ部材57は、図17に示すように各冷却管11と同数の孔15eを有する。これらの孔15eは各冷却管11に夫々連通している。
The
第2ヘッダ部材58は、第1実施形態で説明したヘッダの管接続部に相当する部材であり、第1ヘッダ部材57と同種の金属材料、つまり、銅又は銅合金で形成されている。第2ヘッダ部材58は、各冷却管11が並んだ方向に延びていて、第1ヘッダ部材57に図示しない金属ろう材を用いてろう付けされて、カバー部15dを含んだ第1ヘッダ部材57の一面及び端面にわたって被着されている。第1ヘッダ部材57の端面は前記一面に直角に連続し、かつ、栓28(図11参照)が露出している。
The
図9及び図11に示すように第2ヘッダ部材58は、ヘッダ溝58aと複数の出入口17とを有する。ヘッダ溝58aは各冷却管11が並んだ方向に延びている。このヘッダ溝58aは各孔15eに夫々連通されている。出入口17の数は孔15eの数より少なぃ。これら出入口17はヘッダ溝58aに連通されている。
As shown in FIGS. 9 and 11, the
したがって、孔15e及びヘッダ溝58aを経由して各冷却管11と各出入口17とが連通されている。このため、各出入口17を通して各冷却管11に純水などの冷媒を流通させることが可能である。なお、図9及び図11等において符号59は、各出入口17の近傍に形成された取付け用のねじ穴を示している。
Therefore, each cooling
図9、図10、図12、図17に示す補強板61は、電極板1と同種の金属、つまり、モリブデン製である。図7及び図8に示すように補強板61は、対向して配置された二個の第2ヘッダ部材58の長手方向一端部間に配置され、電極板1の一側部に図示しない金属ろう材を用いてろう付けされている。この補強板61の長手方向両端は、電極板1に形成された段部1b(図11参照)に突き当てられている。
The reinforcing
電極36が補強板61を有することにより、電極板1の厚み方向の変形を防止できる他、一対のヘッダ15が互に近付く方向に膨張することを抑制できるようになっている。
Since the
次に、図12〜図16等を参照して第2実施形態のイオン源用電極36を製造する方法を説明する。
Next, a method for manufacturing the
まず、図13に示す枠体71、図14に示す一対の第1蓋81、及び一対の第2蓋83とともに、二枚の電極板材51と、複数の冷却管11と、複数のブッシュ55とを準備する。これらのうちで各冷却管11以外の部品は、熱間等方圧加圧用の接合容器C(図12参照)を形成する部品である。
First, together with the
図13に示すように枠体71は、後述する接合容器Cの容器枠部(キャン)を担う部材であり、銅又は銅合金により四角に形成されている。つまり、枠体71は、互に平行な第1枠部72及び第2枠部73と、これらの枠部72,73を一体に接続しかつ互に平行な第3枠部74及び第4枠部75とを有する。
As shown in FIG. 13, the
図16に示すように第1枠部72は、第1肉厚部76と、第2肉厚部77と、第3肉厚部78を有する。第1肉厚部76は最大の厚みであり、第3肉厚部78は最小の厚みであり、第2肉厚部78は、中間の厚み、つまり、第1肉厚部76より薄くかつ第3肉厚部78より厚い。
As shown in FIG. 16, the
更に、図16に示すように第1枠部72は、その第1肉厚部76から第3肉厚部78にわたって延びる管通孔16を冷却管11と同数有するとともに、これら管通孔16の一端が個別に開口された嵌合穴79を有する。各嵌合穴79は第1枠部72の外側面に夫々開放して形成される。
Further, as shown in FIG. 16, the
第3肉厚部78の先端部に接合部位15cが形成されている。したがって、接合部位15cにはその長手方向略全体にわたって第2凸部18と凹溝19(なお、これらの構成は第2実施形態では詳細には図示されないが、第1実施形態で説明した通りの構成である。)が交互に形成されている。各凹溝19には管通孔16の他端が開口されている。
A joining
第2枠部73は第1枠部72と同じ構成であり、第1枠部72と対称に配設されている。このため、第2枠部73で第1枠部72と同じ構成部位については、同じ符号を付して、その説明を省略する。これとともに、対称に配設された第1枠部72と第2枠部73の各接合部位15cは互に近付く方向に突出し対向されている。
The
第3枠部73と第4枠部74は、第1枠部72において管通孔とともに第3肉厚部を備えない構成である。このため、第3枠部73及び第4枠部74で第1枠部72と同じ構成部位については、同じ符号を付して、その説明を省略する。これら第3枠部73と第4枠部74は、その第2肉厚部77が互に近付く方向に突出し対向された形態で対象に配設されている。
The
枠体71等が準備された後、各冷却管11の一端部外周に夫々ブッシュ55を密に嵌合させて取付ける。ブッシュ55は銅又は銅合金製であり、冷却管11に取付けられた状態を図11に示す。
After the
この後、ブッシュ55が取付けられていない方の各冷却管11の他端部を先頭にして、各冷却管11を第1枠部72又は第2枠部73のうちの一方の枠部が有する管通孔16に挿通させる。これとともに、各冷却管11の前記他端部を、他方の枠部が有する管通孔16に枠体71の内側から夫々挿通させる。
After this, the other end of each cooling
次いで、前記他方の枠部から突出された各冷却管11の前記他端部の外周に残りのブッシュ55を夫々密に嵌合させて取付ける。こうして各冷却管11の両端部に取付けられたブッシュ55は、いずれも図16で代表して示すように嵌合穴79内に嵌入して配置される。
Next, the remaining
以上の手順により、枠体71の第1枠部72と第2枠部73とにわたって各冷却管11が取付けられる。第1枠部72と第2枠部73は、第1ヘッダ部材に加工される部位である。そのため、前記手順により、電極アッセンブリBが略組立てられる。この電極アッセンブリBにおいて、各冷却管11はそれらの長手方向と直交する方向に適正間隔を置いて並べられた状態に保持される。これとともに、図16で代表して示すように各冷却管11の両端部が、第1枠部72及び第2枠部72の外側面より突出されるとともに、各冷却管11の両端は夫々開放された状態に保持される。
With the above procedure, each cooling
次に、電極アッセンブリBの接合予定面を所定の表面粗さに仕上げる。この仕上げは、サンドペーパー研磨、バフ研磨、化学薬液と硬質微粒子を組み合わせた研磨法で行うことができる。例えば、バフ研磨で接合予定面を仕上げる場合は、表面粗さを5S以下となるように仕上げる。 Next, the planned joining surface of the electrode assembly B is finished to a predetermined surface roughness. This finishing can be performed by sandpaper polishing, buffing, or a polishing method in which a chemical solution and hard fine particles are combined. For example, when finishing the bonding scheduled surface by buffing, the surface roughness is finished to 5S or less.
この後、電極アッセンブリBに二枚の電極板材51を組み合わせて、電極本体部を準備する。
Thereafter, the electrode body B is prepared by combining the electrode assembly B with the two
即ち、既に準備された二枚の電極板材51を、冷却管11群の両側から夫々被せる。この場合、電極板材51の溝52を向い合わせ、向かい合った溝52間に各冷却管11が配置されるように、二枚の電極板材51で各冷却管11を挟み込む。それにより、二枚の電極板材51の溝52を有した面が接するとともに、向かい合った溝52によって通孔3が形成され、これらの通孔3に各冷却管11が夫々接触しかつ収容された状態となる(図16参照)。
That is, the two prepared
これとともに、二枚の電極板材51の縁部53によって形成された接合部位1aが、第1枠部72及び第2枠部73の接合部位15cに凹凸嵌合される。詳しくは、接合部位1aの第1凸部4に隣接した凹溝5に、接合部位15cの第2凸部18が嵌入されるとともに、第1凸部4が接合部位15cの凹溝19に嵌入され、更に、第1凸部4が第2凸部18を各冷却管11の並び方向に挟むように凹凸嵌合される。なお、第2実施形態では、第1凸部4、凹溝5、第2凸部18、及び凹溝19の構成は詳細には図示されないが、これらは、第1実施形態で説明した通りの構成である。
At the same time, the joining
こうして、二枚の電極板材51が枠体71に組み合わされることにより、枠体71の第1枠部72及び第2枠部73と、複数の冷却管11と、二枚の電極板材51からなる電極板1により、電極本体部が組立てられる。
Thus, the two
次に、熱間等方圧加圧方法に用いる接合容器(キャニング又はHIP接合容器とも称する。)Cを組立てる。 Next, a bonding container (also referred to as canning or HIP bonding container) C used in the hot isostatic pressing method is assembled.
この組立ては、枠体71に二枚の第1蓋81と二枚の第2蓋83を組み合わせることによって行なう。第1蓋81と第2蓋83は、いずれも枠体71と同種の金属、つまり、銅又は銅合金製である。
This assembly is performed by combining the
キャニング用の蓋である第1蓋81は、第1枠部72及び第2枠部73が有する第3肉厚部77と、第3枠部74及び第4枠部75が有する第2肉厚部76とで囲まれた領域と略同じ大きさの四角い板であり、前記領域に嵌合される。これにより、図16に示すように第1蓋81が、電極板材51及びこれに連続した第3肉厚部78を覆って配置される。第1蓋81の板厚は、第2肉厚部77と第3肉厚部78とにより形成される段部の高さと略同じである。そのため、前記配置状態で、第1蓋81と第2肉厚部77は面一に連続される。
The
キャニング用の蓋である第2蓋83は、第1枠部72から第4枠部75が有するとともに互に連続した第1肉厚部76で囲まれた領域と略同じ大きさの四角い板であり、前記領域に嵌合される。これにより、図16に示すように第2蓋83は、第1蓋81及び第1枠部72から第4枠部75が有するとともに互に連続した第2肉厚部77を覆って配置される。第2蓋83の板厚は、第1肉厚部76と第2肉厚部77とにより形成される段部の高さと略同じである。そのため、前記配置状態で、第2蓋83と第1肉厚部76は面一に連続される。
The
この後、組立てられた接合容器Cの表に露出している接合部を、真空又は不活性ガスの雰囲気下でシール溶接する。この溶接は、図16で代表して示すようにヘッダ15となる第1枠部72(及び第2枠部73)とブッシュ55と接合部に施されるとともに、枠体71の第1肉厚部76と第2蓋83との接合部に施される。これらの接合部がシール溶接されることにより、後述する拡散接合のために用いられる高温・高圧のガスが、接合容器C内の各接合部に侵入することがないように構成された接合容器Cを得ることができる。なお、図16中符号20で、シール溶接が施された跡、つまり、シール溶接部を示す。
Thereafter, the joint exposed on the surface of the assembled joining container C is sealed and welded in a vacuum or an inert gas atmosphere. This welding is performed on the first frame portion 72 (and the second frame portion 73), the
このシール溶接には電子ビーム溶接を採用できる。真空下で電子ビーム溶接をする場合、接合容器Cを図示しない蓋付きの真空容器に収納し、この真空容器内を脱気した状態で、接合部をシール溶接する。接合容器Cが収納された真空容器を完全に脱気するために30分以上真空排気をした上で、溶接対象部に対するシール溶接を行った
以上の手順で組立てられた接合容器Cの外観を図15に示す。なお、図14及び図15中符号83aは第2蓋83の中央に形成されたポートを示している。組立てられた接合容器Cにおいて、各冷却管11の両端部は、ブッシュ55で覆われ、第1枠部72又は第2枠部73から夫々突出されている。
Electron beam welding can be employed for this seal welding. When performing electron beam welding under vacuum, the joining container C is housed in a vacuum container with a lid (not shown), and the joint is sealed and welded in a state where the inside of the vacuum container is deaerated. In order to completely deaerate the vacuum container in which the junction container C is stored, after evacuating for 30 minutes or more, seal welding is performed on the welding target portion. As shown in FIG. 14 and 15,
なお、蓋付きの真空容器を解体して取出された接合容器Cのシール溶接部20の健全性は、溶接ビード外観検査、蛍光探傷試験、或いは必要に応じてヘリウムリーク試験などを実施することによって、確認する。
In addition, the soundness of the seal welded
次に、熱間等方圧加圧方法により電極アッセンブリBとなり得る部品を含んだ接合容器Cの接合部を拡散接合により一体化するために、まず、図8に示した熱間等方圧加圧装置21が有する加圧容器22に接合容器Cを収納し、この接合容器Cを外気から遮断する。加圧容器22は、容器本体と、これに被さる蓋とを有する。
Next, in order to integrate the joining portion of the joining container C including the parts that can become the electrode assembly B by the hot isostatic pressing method, the hot isostatic pressing shown in FIG. 8 is first performed. The junction container C is accommodated in the
この後、熱間等方圧加圧装置21を動作させ、熱間等方圧加圧法で接合容器Cを処理する。この場合の処理手順は以下の通りである。
Thereafter, the hot isostatic
まず、第1バルブV1を開けて真空ポンプ24を起動し、加圧容器22の内部を真空排気した。加圧容器22内の真空度が10-2パスカル程度に到達したところで、真空ポンプ24を停止させ、第1バルブV1を閉じて脱気を完了する。
First, the first valve V1 was opened, the
次いで、第2バルブV2を開けて高圧ポンプ25を起動し、加圧容器22の中に高圧のアルゴンガスを注入し充填した。この場合、まず、初期圧の設定値とした10メガパスカル程度まで昇圧した。次いで、加圧容器22内の加熱ヒータ26に通電して昇温を開始した。昇温と共に加圧容器22内のガス圧力が上昇し、高圧ポンプ25の駆動と停止を繰り返した。
Next, the second valve V <b> 2 was opened and the high-pressure pump 25 was started, and high-pressure argon gas was injected into the
これにより、熱間等方圧加圧処理の接合条件である温度900℃〜1000℃例えば900℃で、ガス圧力100メガパスカル〜150メガパスカルの範囲内の圧力、例えば147メガパスカルまで加圧し、この状態を2時間〜7時間例えば2時間保持した。なお、図8中の矢印27は、ガス圧力の方向を示した。このガス圧により接合容器C全体を等方圧で加圧することができる。
Thereby, at a temperature of 900 ° C. to 1000 ° C., for example, 900 ° C., which is a joining condition for hot isostatic pressing, the gas pressure is increased to a pressure within a range of 100 megapascal to 150 megapascal, for example, 147 megapascal, This state was maintained for 2 to 7 hours, for example 2 hours. Note that the
その後、加熱ヒータ26への通電を切るとともに、高圧ポンプ25を停止させ、第2バルブV2を閉じ、別のバルブ(図示せず)を開けることにより、加圧容器22内の高圧力のガスを放出し、常温・常圧まで冷却、降圧させた。このとき、放出されたガスの回収を行った。
Thereafter, the
こうして電極アッセンブリBを有する接合容器Cを熱間等方向加圧処理することにより、電極板1と冷却管11との接触部、ヘッダ15冷却管11の接触部、及び電極板1とヘッダ15との接触部(凹凸嵌合部)を、夫々固相接合(溶融しないで接合する方法)により一体化した。
In this way, the junction container C having the electrode assembly B is subjected to hot isostatic pressing, so that the contact portion between the electrode plate 1 and the cooling
特に、この等方圧加圧処理によれば、各冷却管11の内部に高温・高圧のガスが入るので、これら冷却管11は膨張される。この一方で、接合容器Cをなす各部材(枠体71、第1蓋81、及び第2蓋83)がその周囲から作用する圧力で圧縮される。それにより、電極板1と冷却管11、及びヘッダ15となる第1枠部72及び第2枠部73と冷却管11とが、それらの接触面において拡散接合される。したがって、電極36を構成する複数の部品が、強固で健全に接合され一体化された構造物が製造される。
In particular, according to this isotropic pressure pressurizing process, high-temperature and high-pressure gas enters the cooling
前記熱間等方向加圧処理後に、加圧容器22内の圧力、温度がそれぞれ大気圧と常温に近い状態になった後に、加圧容器22の蓋を開いて接合容器Cを取出した。
After the hot isostatic pressing, the pressure and temperature in the
この次に、取出された接合容器Cの不要部分を切削や研削等の機械加工により除去するとともに、所定の形状にする等必要とされる機械加工を施す。 Next, unnecessary parts of the taken-out joining container C are removed by machining such as cutting and grinding, and necessary machining such as a predetermined shape is performed.
この場合、電極板1の板面が露出し、かつ、カバー部15dを有するヘッダ15が形成されるように加工する。これとともに、カバー部15dと露出された電極板1の板面との間に段部1bが形成されるように加工する。更に、所定形状とするために、第1枠部72と第2枠部73をそれらの第2肉厚部77で切断することにより、各ブッシュ55及びシール溶接部20の一部が除去される。これとともに、第3枠部74及び第4枠部75を残りのシール溶接部20とともに除去して、電極板1の側端面が露出されるように加工する。
In this case, processing is performed so that the plate surface of the electrode plate 1 is exposed and the
それにより、加工された一対のヘッダ15に対して各冷却管11の端が夫々開口された状態で露出される。次いで、銅製の栓28を各冷却管11の両端に詰めてそれぞれ溶接し、各冷却管11の両端開口を塞ぐ。更に、ヘッダ15にドリル刃を挿入し、冷却管11の管端部11aに夫々連通される孔15eを夫々加工する。こうして加工された電極アッセンブリBを図17に示す。
Thus, the ends of the cooling
この後、図17に示した一対の第2ヘッダ部材58と、一個の補強板61を準備し、これらを電極アッセンブリBの所定位置に図示しないろう材を用いてろう付けする。
Thereafter, a pair of
この場合、第2ヘッダ部材58のうちの一方は、第1枠部72を機械加工して形成された第1ヘッダ部材57に重なってろう付けされ、他方は、同じく第2枠部73を機械加工して形成された第1ヘッダ部材57に重なってろう付けされる。それにより、第2ヘッダ部材58に既に加工されたヘッダ溝58aと第1ヘッダ部材57の各孔15eとが連続し、これら孔15eと第2ヘッダ部材58に既に加工された出入口17とが連通されて、ヘッダ15が組立てられる。なお、こうしたヘッダ15の組立て後に、出入口17を加工してもよい。
In this case, one of the
また、補強板61はその長手方向両端を段部1bに夫々接触して、電極板1に対して位置決めされるとともに、一対の第2ヘッダ部材58を位置決めした状態で、ろう付けされる。
Further, the reinforcing
以上のようにして、高熱負荷対応のイオン源用の電極36を得ることができた。この電極36を図10に示す。
As described above, the
この電極36において、ヘッダ15は熱伝導性に優れた銅又は銅合金で作られている。これにより、ヘッダ15に接合された銅又は銅合金製の冷却管11を流れる純水などの冷媒との間での熱交換が迅速になる。
In this
加えて、ヘッダ15の接合部位15cと電極板1の接合部位1aとが凹凸嵌合された形態で接合されている。これにより、電極板1からヘッダ15への伝熱面積が増える。特に、第1実施形態では、接合部位1aと接合部位15cが、共に電極36の略全幅にわたる櫛形形状をなしていて、それらが凹凸嵌合した形で接合されている。
In addition, the joining
このため、より伝熱面積を大きく確保できる。したがって、電極板1からヘッダ15への除熱が向上される。
For this reason, a larger heat transfer area can be secured. Therefore, heat removal from the electrode plate 1 to the
以上説明したように第2実施形態の電極36によれば、その電極板1の冷却効率を向上することが可能であり、それに伴い電極36の耐久性を向上できる。
As described above, according to the
更に、電極36の電極板1と冷却管11及びヘッダ15は、その線膨張係数の違いにより、既述した製造時及び使用時とその停止に伴って膨張・収縮を伴う。具体的には、胴又は銅合金からなる冷却管11及びヘッダ15は、モリブデン製の電極板1より大きく膨張及び収縮をする。
Furthermore, the electrode plate 1 of the
しかし、ヘッダ15の接合部位15cに形成された第2凸部18は、電極板1の接合部位1aに形成された複数の第1凸部4間の凹溝5に嵌合された状態で、電極板1の幅方向(具体的には各冷却管11が並んだ方向)に第1凸部4により挟まれている。このため、各冷却管11の管端部11aの根元に、前記膨張・収縮に伴って冷却管11の軸方向に直交する方向(これは前記幅方向と同じである。)のせん断力が、与えられることが抑制される。これに伴い、各冷却管11が損傷して漏水する虞が解消されるので、漏水を原因として電極板1が腐食することも防止できる。
However, the second
したがって、第2実施形態によれば、耐久性が向上され、高い信頼性を有する。 Therefore, according to 2nd Embodiment, durability is improved and it has high reliability.
更に、第2実施形態によれば、既に説明したように複数の冷却管11を枠体71の第1枠部72と第2枠部73にわたって配設することで、各冷却管11を適正に位置決めすることができる。そして、こうした位置決め下において、枠体71内に二枚の電極板材51を収容することで、これら電極板材51に形成された溝52の夫々が冷却管11の中間部位をくるむように嵌合される。それにより、電極板1に冷却管11を一本一本通す面倒な手間を要することなく、電極板1と冷却管11とを適正に組み合せることができる。この上で、枠体71に第1蓋81と第2蓋83を収納することで、熱間等方圧加圧法で処理するのに好適な電極アッセンブリBに相当する構造を有した接合容器Cが仮組みされる。更に、この後、熱間等方圧加圧法で処理された接合容器Cの不要部分を除去することでイオン源用電極36を製造できる。したがって、電極36の製造性を向上することが可能である。
Furthermore, according to the second embodiment, as described above, the plurality of cooling
なお、第2実施形態において、接合部位1a,15cは、その長手方向の両端部だけが凹凸嵌合された構成、又は、この逆に、接合部位1a,15cの長手方向に中央部だけが凹凸嵌合された構成、若しくは、接合部位1a,15cの長手方向に間隔的に凹凸嵌合された構成とすることも可能である。
In the second embodiment, the joining
(第3の実施の形態)
図20に示す第3実施形態は、以下説明する構成が第1実施形態とは相違しており、それ以外の構成は第1実施形態と同じである。このため、第1実施形態と同一ないしは同様の機能を奏する構成については、第1実施形態と同じ符号を付してその説明を省略する。
(Third embodiment)
The third embodiment shown in FIG. 20 is different from the first embodiment in the configuration described below, and the other configurations are the same as those in the first embodiment. For this reason, about the structure which show | plays the same or same function as 1st Embodiment, the code | symbol same as 1st Embodiment is attached | subjected and the description is abbreviate | omitted.
この第3実施形態は、電極板1の接合部位1aとこれに凹凸嵌合されたヘッダ15の接合部位15cの形状が第1実施形態とは異なる。
The third embodiment is different from the first embodiment in the shape of the
即ち、接合部位に形成された第1凸部4及び凹溝5と、接合部位15cに形成された第2凸部18と凹溝19とは、いずれもダブテール形状をなしている。
That is, the first
ここで、ダブテール形状とは、所謂鳩の尾の形状のみに限定されるものではなく、第1凸部4及び第2凸部18の場合、その根元の幅より先端の幅の方が徐々に或いは段階的に広くなる形状を指しているとともに、凹溝5,19の場合、その開口端の幅より奥の幅の方が徐々に或いは段階的に広くなる形状を指している。このため、幅方向の片側のみに斜辺を有するダブテール形状を含むとともに、斜辺を有しない構成のダブテール形状も含んでいる。
Here, the dovetail shape is not limited to the so-called dovetail shape. In the case of the first
第3実施形態のイオン源用電極36は、以上説明した以外の構成は図20に示されない構成を含めて第1実施形態と同じであるとともに、この電極36の製造方法も第1実施形態と同じである。したがって、この第3実施形態においても、耐久性が向上され、高い信頼性を有する電極36、及びこの電極36の製造方法を提供することが可能である。
The
加えて、第1凸部4とこれが嵌合された凹溝19、及び第2凸部18とこれが嵌合された凹溝5とが、ダフテール形状であることにより、以下の利点を有する。
In addition, the first
第1に、電極36が高温となることに伴い、各冷却管11の軸方向にヘッダ15が膨張することが抑制されるので、各冷却管11の管端部11aの伸びが抑制される。この結果、電極36が常温に温度降下するに伴い、各冷却管11の管端部11aの収縮量が小さくなるので、収縮に起因して管端部11aがその根元で変形して潰れることが抑制される。
First, since the
このように電極板1とヘッダ15及び各冷却管11との線膨張係数の差に起因して各管端部11aに座屈を生じることが抑制されるので、座屈を原因とする冷却管11の損傷による冷媒の漏れによる電極板1の腐食を防止することができる。
In this way, the occurrence of buckling in each
第2に、電極板1の接合部位1aとヘッダ15の接合部位15cとの接触面積が更に増え、電極板1からヘッダ15への伝熱性が高められる。その結果、電極板1の除熱性能が高められ、電極36の高寿命化を促進することが可能である。
Secondly, the contact area between the joining
なお、以上説明したダブテール形状は、前記第2実施形態において、第1凸部4、凹溝5、第2凸部18、及び凹溝19にも適用することが可能である。
In addition, the dovetail shape demonstrated above is applicable also to the 1st
以上説明した少なくとも一つの実施形態によれば、冷却効率が高く、かつ、耐食性に優れ、寿命を長くすることができる。 According to at least one embodiment described above, the cooling efficiency is high, the corrosion resistance is excellent, and the life can be extended.
以上のように本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図していない。これら新規な実施形態は、その他様々な形態で実施されることが可能であるとともに、発明の要旨を逸脱しない限り、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形などは、発明の範囲に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although several embodiments of the present invention have been described above, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope of the invention, and also included in the invention described in the claims and the equivalent scope thereof.
1…電極板、1a…接合部位、2…ビーム引出し孔、4…接合部位1aの第1凸部、5…接合部位1aの凹溝、A…電極本体部、11…冷却管、11a…管端部、15…ヘッダ、15c…接合部位、15e…孔、18…接合部位15cの第2凸部、19…接合部位15cの凹溝、B…電極アッセンブリ、21…熱間等方圧加圧装置、22…加圧容器、28…栓、36…電極、51…電極板材、52…電極板材の溝、53…電極板材の縁部、57…第1ヘッダ部材、58…第2ヘッダ部材、58a…ヘッダ溝、71…枠体、72…第1枠部、73…第2枠部、74…第3枠部、75…第4枠部、81…第1蓋、83…第2蓋、C…接合容器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Electrode plate, 1a ... Joining part, 2 ... Beam extraction hole, 4 ... 1st convex part of joining
Claims (8)
耐熱性でかつ線膨張係数が小さい金属板で形成され、厚み方向に貫通する複数のビーム引出し孔を有する電極板と、
前記電極板よりも線膨張係数が大きくかつ熱伝導性が良好な金属製で、前記電極板をこの電極板の厚み方向と直交する方向から挟んで前記電極板に接合されたヘッダと、
前記ヘッダと同種の金属製で、前記ヘッダに挿入して接合された管端部を有して前記電極板に貫通され、この貫通の方向と直交する方向に並んで配設された複数の冷却管と、
を具備し、
前記電極板と前記ヘッダとがこれらの接合部位の少なくとも一部を凹凸嵌合させた形態で接合され、
前記凹凸嵌合が、前記電極板に形成されて前記冷却管の並び方向に間隔的に配置された複数の第1凸部に隣接した凹溝と、前記ヘッダに形成されて前記凹溝に嵌入し前記冷却管の並び方向に前記第1凸部で挟まれた第2凸部とでなされている
ことを特徴とするイオン源用電極。 An ion source electrode for accelerating ions in plasma to generate an ion beam,
An electrode plate that is formed of a metal plate that is heat resistant and has a small linear expansion coefficient, and has a plurality of beam extraction holes that penetrate in the thickness direction;
A metal having a larger coefficient of linear expansion and better thermal conductivity than the electrode plate, and a header joined to the electrode plate sandwiching the electrode plate from a direction perpendicular to the thickness direction of the electrode plate;
A plurality of cooling members made of the same type of metal as the header, having a tube end portion inserted into the header and joined therethrough, penetrated through the electrode plate, and arranged side by side in a direction perpendicular to the direction of penetration. Tube,
Comprising
The electrode plate and the header are joined in a form in which at least a part of these joining portions is unevenly fitted,
The concave-convex fitting is formed in the electrode plate and is adjacent to a plurality of first convex portions arranged at intervals in the cooling pipe arrangement direction, and is formed in the header and is fitted into the concave groove. An ion source electrode comprising: a second convex portion sandwiched between the first convex portions in the direction in which the cooling tubes are arranged.
前記各管端部の先端を夫々閉じる栓を取付けるとともに、前記第1ヘッダ部材に前記各管端部に夫々連通する孔を形成し、
前記第2ヘッダ部材に、前記各冷却管の並び方向に延びて前記各孔に連通するヘッダ溝と、このヘッダ溝に連通され前記各冷却管より少数の出入口を形成したことを特徴とする請求項1から4のうちのいずれか一項に記載のイオン源用電極。 The header has a first header member into which the pipe end portion is inserted, and a second header member attached to the first header member,
Attaching a plug for closing the tip of each tube end, respectively, and forming a hole communicating with each tube end in the first header member,
A header groove that extends in the direction in which the cooling pipes are arranged and communicates with the holes, and a smaller number of inlets / outlets than the cooling pipes that are communicated with the header grooves are formed in the second header member. Item 5. The ion source electrode according to any one of Items 1 to 4.
両端に夫々形成された複数の第1凸部及び厚み方向に貫通した複数のイオン引出し孔を有するモリブデン焼結体製の電極板と、前記両端から夫々突出される管端部を有し前記電極板を貫通して前記厚み方向と直交する方向に並んで配設された銅又は銅合金製の複数の冷却管を有する電極本体部を準備するとともに、前記第1凸部間に形成された凹溝に嵌入し前記第1凸部により前記冷却管の並び方向に挟まれる第2凸部及び前記管端部が挿入される複数の管通孔を夫々有する銅又は銅合金製のヘッダを準備する工程と、
前記管通孔に前記管端部を夫々挿入するとともに前記凹溝と前記第2凸部とを嵌合させることにより、前記電極板を挟んで前記ヘッダを夫々配置して、前記電極本体部と前記ヘッダとを組み合わせてなる電極アッセンブリを仮組みする工程と、
前記管端部と前記管通孔との接合部を、真空又は不活性ガスの雰囲気下でシール溶接する工程と、
シール溶接が施された前記電極アッセンブリを接合容器本体に収納するとともに、前記接合容器本体に容器蓋を被せた上で、これら接合容器本体と容器蓋をシール溶接して接合容器を組立てる工程と、
前記接合容器を熱間等方圧加圧装置に収納し、前記電極アッセンブリを外気から遮断する工程と、
前記熱間等方圧加圧装置を動作させて前記電極アッセンブリを熱間等方圧加圧法で処理することにより、前記電極板と前記冷却管と前記ヘッダの各接合部を接合する工程と、
前記熱間等方圧加圧装置から前記接合容器を取出す工程と、
前記接合容器を解体し、前記接合により一体化された前記電極アッセンブリを取出す工程と、
を備えることを特徴とするイオン源用電極の製造方法。 A method of manufacturing an ion source electrode for accelerating ions in plasma to generate an ion beam,
An electrode plate made of a sintered molybdenum body having a plurality of first protrusions formed at both ends and a plurality of ion extraction holes penetrating in the thickness direction, and a tube end portion protruding from each of the ends. The electrode body having a plurality of copper or copper alloy cooling pipes arranged side by side in the direction perpendicular to the thickness direction through the plate and a recess formed between the first protrusions A copper or copper alloy header having a second convex portion inserted into the groove and sandwiched between the first convex portions in the direction in which the cooling pipes are arranged and a plurality of pipe through holes into which the pipe end portions are inserted is prepared. Process,
By inserting the tube end portions into the tube passage holes and fitting the concave grooves and the second convex portions, respectively, the headers are arranged with the electrode plates interposed therebetween, and the electrode main body portion and Temporarily assembling an electrode assembly in combination with the header;
Sealing the joint between the pipe end and the pipe through-hole in a vacuum or inert gas atmosphere; and
Storing the electrode assembly subjected to seal welding in a joining container body, and covering the joining container body with a container lid, and then assembling the joining container by sealing welding the joining container body and the container lid;
Storing the joining container in a hot isostatic pressing device, and shutting off the electrode assembly from outside air;
Operating the hot isostatic pressing device to process the electrode assembly by a hot isostatic pressing method, thereby joining the joints of the electrode plate, the cooling pipe, and the header;
Removing the joining container from the hot isostatic pressure press;
Disassembling the joining container and taking out the electrode assembly integrated by the joining;
A method for producing an ion source electrode, comprising:
前記冷却管の管端部以外の中間部位に嵌合される溝が片面に複数有するとともに、前記第1凸部及び前記凹溝を形成する凹凸形状の縁部を有する二枚の電極板材を準備し、
二枚の前記電極板材の溝を向き合わせ、向かい合った前記溝間に前記中間部位が配置されるように、二枚の前記電極板材で前記冷却管を挟んで前記電極板を組立てて、前記電極本体部を形成することを特徴とする請求項6に記載のイオン源用電極の製造方法。 In the step of preparing the electrode main body,
Two electrode plate materials having a plurality of grooves fitted on one side other than the tube end of the cooling pipe on one side and having an uneven edge forming the first protrusion and the groove are prepared. And
Assembling the electrode plate by sandwiching the cooling pipe between the two electrode plate materials so that the grooves of the two electrode plate materials face each other and the intermediate portion is disposed between the grooves facing each other, the electrode The method of manufacturing an ion source electrode according to claim 6, wherein a main body portion is formed.
前記第1、第2の枠部が有する前記管通孔に前記冷却管の管端部を夫々挿入して、前記冷却管を前記第1枠部と第2枠部にわたって配設した後、
前記枠体内に、二枚の前記電極板材を収納した上で、これら電極板材を覆う銅又は銅合金製の第1蓋を収納するとともに、この第1蓋を前記枠体とともに覆う銅又は銅合金製の第2蓋を収納して、前記電極アッセンブリを仮組みし
この仮組みにより形成された前記接合容器を前記熱間等方圧加圧法で処理し、
処理された前記接合容器に機械加工を施して、前記電極アッセンブリに相当する部分以外の余分な部分を除去するとともに前記電極アッセンブリに相当する部分を残す
ことを特徴とする請求項7に記載のイオン源用電極の製造方法。 Copper having the first frame part in which the pipe through hole and the second convex part are formed, and the second frame part in which the pipe through hole and the second convex part are formed in the same manner as the first frame part, or Prepare a square frame made of copper alloy,
After inserting pipe end portions of the cooling pipes into the pipe through holes of the first and second frame parts and disposing the cooling pipes over the first frame part and the second frame part,
In the frame body, after storing the two electrode plate materials, a copper or copper alloy first cover that covers these electrode plate materials is stored, and the first cover is covered with the frame body. Storing the second lid made of the product, temporarily assembling the electrode assembly, and processing the joining container formed by the temporary assembly by the hot isostatic pressing method,
8. The ion according to claim 7, wherein the processed bonding container is machined to remove an extra portion other than a portion corresponding to the electrode assembly and leave a portion corresponding to the electrode assembly. A method for producing a source electrode.
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