JP2539896Y2 - 熱シ−ルド - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この考案は原料ガスをイオンビ−
ムとするイオン源において輻射熱を遮断するために用い
られる熱シ−ルドに関する。イオン源は真空に引くこと
のできる真空チャンバと、熱電子を発生するためのフィ
ラメントと、フィラメント電源と、チャンバを正、フィ
ラメントを負として直流電圧を印加しア−ク放電を起こ
させるア−ク電源と、内部のプラズマをイオンとして引
き出すための引出電極と、真空排気装置と、チャンバの
内部にカスプ磁場を発生させるためにチャンバの外部に
沿って多数設けられた永久磁石等とを含む。常温で気体
であるような原料ガスをイオンにする場合は内部があま
り高温にならないから、別段熱シ−ルドというものは必
要でない。

【０００２】しかし、近年常温で固体である物質たとえ
ば、Ｓｉ、Ｃｒ、Ａｌ、などをイオンビ−ムにして利用
したいと言う場合が増えてきた。このような場合はもち
ろんチャンバの内部を非常な高温に保たなければならな
い。例えば２０００Ｋの高温である。そうするためには
カソ−ドフィラメントの熱量、ア−ク放電の熱量だけで
は不足するので、ヒ−タを追加し発熱量の増強を計る。
これはアノ−ド電位とすることが多くその場合はアノ−
ドフィラメントと呼ぶ。また固体原料はルツボに入れて
特別なヒ−タを備えたオ−ブンで加熱し蒸気としてイオ
ン源チャンバに導くということもある。これは外部に蒸
発源を持つ場合である。るつぼをチャンバの内部に入れ
て置いてフィラメントの熱で直接加熱し蒸気を生成する
こともある。これは内部加熱方式と言える。

【０００３】いずれにしても高融点の物質をイオンビ−
ムにしようとすると、チャンバの内部の高熱状態を保持
するために、加熱源を増強するばかりでなく、保熱につ
いても特別の配慮を要する。熱シ−ルドとういのは輻射
熱を反射するためにチャンバの内壁に沿って高融点金属
の薄板を何枚も重ねたものである。

【０００４】

【従来の技術】従来はＷやＴａの薄板を円筒に巻き端部
を相互に固着して円筒とし、これらを真空チャンバの内
壁にそって挿入して熱シ−ルドとしていた。薄板は赤外
線である輻射熱を反射する。反射は板の枚数に比例して
増加するので２枚３枚というように複数枚の熱シ−ルド
を同心円状に挿入することも多い。板が端部に置いて離
隔しているとこの隙間から熱が逃げるので望ましくな
い。それで継ぎ目は必ず板を重ね合わせて両者を固結す
る。ところがチャンバは常温から２０００Ｋにまで温度
変化する。熱シ−ルドの直径を例えば１０〜２０ｃｍと
すると、前記の温度変化によって数ｍｍの膨張収縮をす
る。常温時に適当なものとして設定すると高熱状態で膨
張した時板が波打つように歪む。すると輻射熱を反射す
る性能が低下するし、板の疲労も大きいから寿命が短く
なる。変形によって熱シ−ルドがフィラメントや電極に
接触する可能性もある。このような熱変形は望ましくな
い。

【０００５】

【考案が解決しようとする課題】温度変化が著しいので
熱シ−ルドの板が膨張収縮するのは当然である。円筒に
形成してしまうから膨張によって変形するのである。そ
こで円周方向に幾つかに板を分割するということが考え
られる。こうすれば膨張収縮してもその量は分割数の逆
数に比例するから完全な円筒の場合よりも少なくなる。
しかしそうすると相互に板を結合することが難しい。チ
ャンバの内壁に溝付の突起を３条、あるいは４条形成し
３分割板、４分割板の両端を溝に差し入れて固定すると
いうようなことも考えられるが、これはチャンバの内壁
の加工が難しい。チャンバの内壁の加工が不要であっ
て、著しい温度変化においても熱シ−ルドの内部に応力
が発生せず、不規則な変形が起こらないようにした熱シ
−ルドを提供することが本考案の目的である。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本考案の熱シ−ルドは、
金属板を円筒状に形成したものであるが、２枚の板の継
ぎ目に工夫がなされる。板の継ぎ目において、板の端近
くに円周方向に伸びる長穴を穿ちこれを重ね、固定具を
長穴に通し両者を緩やかに組み合わせたものである。長
穴であるから相互に板が円周方向に相対移動することが
できる。固定具はリベットや螺子である。長穴の軸方向
の寸法は固定具の細径部の直径より少し大きければ良
い。長穴の円周方向の長さをＬとし、固定具の細径部の
直径をＤとすると、継ぎ目において板は相互に（２Ｌ−
Ｄ）だけ移動できる。

【０００７】熱シ−ルドは円周方向に１枚としても良い
が、円周方向に２枚、あるいは３枚に分割しても良い。
この場合分割数をｎとすると、全円周で合計ｎ（２Ｌ−
Ｄ）の相対移動が許される。長穴の円周方向の長径Ｌを
適当に選べば常温〜２０００Ｋの温度変化を継ぎ目の相
対変位によって吸収することができる。複数の熱シ−ル
ドを同心円状に重ねる場合は、これらが密着しないよう
に板に突起物（デインプル）を幾つか設けるのが良い。
熱シ−ルドの材料は、Ｗ、Ｔａ、Ｍｏなど高融点金属の
薄板である。厚みは１ｍｍ以下である。手で曲げられて
加工が容易であるからである。長穴の並びは１列で良い
が、２列あるいは３列にしても良い。こうすると板の端
部での反りが少なくなる。

【０００８】同心円状に何枚も重ねる場合は、直径が少
なくなった分だけ長穴の長径を長くしておけば、内外の
熱シ−ルドに対して同じ寸法の板を共通に使用できる。
つまり円周方向の分割数をｎとしてチャンバの内壁の直
径をＸ、同心状の熱シ−ルドの隙間がｔであるとする
と、内外の板の円周の差は２πｔである。これを分割数
ｎで割って、２πｔ／ｎだけ長穴の直径を増やしておけ
ば、同じ長穴を穿った板を内外共通に使える。もしもｍ
重に熱シ−ルドを設置するのであれば、これのｍ倍に
し、長穴の長径を熱膨張による分とこれらの厚みに依る
部分との合計として決めれば良い。

【０００９】

【作用】熱シ−ルドの板の継ぎ目において、重ね合わせ
た上下の板が、長穴に挿入された固定具によって保持さ
れているだけであるので、板は継ぎ目で円周方向に相対
移動できる。板の円周方向の長さをＳとすると、線膨張
率をαとして、温度変化をΔＴとすると、板の膨張は、 ΔＳ＝αＳΔＴ （１） で与えられる。実際には線膨張が温度に依存するのでα
（Ｔ）と書いて、これを温度で積分したものが正確な膨
張量を与える。しかしここでは厳密な膨張量を知る必要
はない。これより継ぎ目の許容移動量ΔＱ ΔＱ＝２Ｌ−Ｄ （２） が大きくなるようにすればいい。つまり、 ΔＱ＞ΔＳ （３）

【００１０】こうすれば温度が常温から２０００Ｋに変
化しても変化量が継ぎ目の板の相対移動によって吸収さ
れ熱歪みによる応力が発生しない。従って板が波を打っ
て歪むということがない。分割数をｎとしチャンバの内
壁の直径をＸとすると、Ｓ＝πＸ／ｎであるから、
（３）の条件は、 Ｌ＞Ｄ／２＋απＸΔＴ／ｎ （４） で与えられる。またｍ重に熱シ−ルドを重ねるときは、 Ｌ＞Ｄ／２＋απＸΔＴ／ｎ＋２πｔｍ／ｎ （５） となるように長穴の長径を決めると、共通の寸法の板を
用いて内外の熱シ−ルドを形成できる。

【００１１】

【実施例】図１によってまずイオン源の概略を説明す
る。真空チャンバ１は真空に引くことができる空間で、
この中にプラズマを形成する。真空チャンバ１の中には
カソ−ドフィラメント２、アノ−ドフィラメント３、等
がある。カソ−ドフィラメントは陰極電位にあり熱電子
を生ずる。アノ−ドフィラメント３は特に高温にしたい
場合に設けられる。これは単にヒ−タである。真空チャ
ンバとカソ−ドフィラメントの間においてア−ク放電が
起こるので原料がプラズマになる。チャンバ１の外壁に
は複数の永久磁石４が設けられる。これはチャンバの内
部にカスプ磁場を発生する。チャンバの内壁に沿って熱
シ−ルド５が設けられる。本考案の対象はこれである。
熱シ−ルド６がフィラメントとチャンバの蓋板の間に設
けられる。熱シ−ルド５、６に囲まれた空間は高温のプ
ラズマ空間９となる。またチャンバの出口には引出し電
極系７が設置される。これは正電極、負電極、接地電極
よりなる。原料ガスは入口８から導入される。そしてこ
の先に金属の蒸発源（図示しない）が接続されている。

【００１２】チャンバの軸方向に平行な熱シ−ルド５は
円筒状の金属板よりなる。１枚よりなる例を図１に示
す。１枚の金属板を丸め両端を合わせリベット１０で結
合したものである。固結したのではない。長穴によって
相対移動可能に組み合わせたものである。図３は継ぎ目
の拡大図である。継ぎ目近くの板面に長穴１１を２列に
穿孔している。長穴１１はリベット１０の細径部の直径
よりも大きい長径を持つ。これは中間温度の場合であ
る。上下板の長穴１１の位置が揃っている。板厚は１ｍ
ｍ以下であるが望ましくは０．１〜０．３ｍｍである。
Ｗ、Ｔａ、Ｍｏなどの板である。図４は高温時の状態を
示す継ぎ目の断面図である。板が伸びるので両者の重な
り部が大きくなる方向に移動する。長穴が上下で大きく
ずれている。しかし長穴のために板に応力の発生するの
を防いでいる。この図では半球状のデインプル１２が板
に付設される。これもＷ、Ｔａ、Ｍｏなどの金属であ
る。１重の熱シ−ルドなら不必要であるが、何重にも熱
シ−ルドを設ける場合に内外の板の間に空間を残すため
に用いられる。図５は継ぎ目部分の平面図である。長穴
は等間隔に２列に穿たれる。上下の板で同じものが穿孔
されている。これをリベット１０で止めている。

【００１３】図６は他の実施例を示す。チャンバが正方
形の断面を持つものである場合である。４分割された熱
シ−ルドが使われる。それぞれ９０°に折り曲げられて
いる。平坦部においてリベットで止められる。全体とし
て正方形断面であるから４分割して熱膨張を等方的に起
こさせている。図７は熱シ−ルドを何枚も重ねる場合の
１枚の略図を示す。丸められて端部がリベットによって
固定される。これは遊びを有する接続である。またデイ
ンプル１２を外周に幾つか設けられる。図８は２重に熱
シ−ルドを設けた場合の概略断面図である．．デインプ
ル１２があるので内外の板がぴったりと接触しない。こ
れは従来も行われていたことである。板がくっついてい
ると輻射熱を反射できないし伝導によって熱が逃げる。
これを防ぐためである。

【００１４】

【考案の効果】イオン源の内部に熱を効率的に保持する
ための筒状の熱シ−ルドの継ぎ目を固定せずに、相互移
動の可能なように接続しているから、膨張しても、膨張
分を継ぎ目の相互移動によって吸収できる。このために
高温時においても板の内部に応力が発生しない。板が歪
むこともない。長寿命の熱シ−ルドとなる。また筒状に
した熱シ−ルドは外周から軽く押せば少し小さくなるの
で、小さくしておいてチャンバに差し込むと周りの器物
に触ることなく円滑に差し入れることができる。又長穴
の長径を大きくすると、何重にもする場合であっても一
種類の寸法の板を用いるこができる。さらに熱シ−ルド
の枚数を増やすのも容易になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】イオン源の概略を示す縦断面図。

【図２】円筒状にした熱シ−ルドの概略図。

【図３】中程度の温度における熱シ−ルドの継ぎ目部分
の断面図。

【図４】高温時の熱シ−ルドの継ぎ目部分の断面図。

【図５】熱シ−ルドの継ぎ目部分の平面図。

【図６】正方形断面のチャンバに設けるための正方形の
熱シ−ルドの例を示す断面図。

【図７】複数枚の熱シ−ルドを同心円状に設ける場合の
一つの熱シ−ルドを示す図。

【図８】複数枚の熱シ−ルドを同心円状に設けた場合の
熱シ−ルドの断面図。

【符号の説明】

１ 真空チャンバ ２ カソ−ドフィラメント ３ アノ−ドフィラメント ３ 永久磁石 ５ 熱シ−ルド ６ 熱シ−ルド ７ 引出し電極系 ８ ガス導入口 ９ プラズマ １０ リベット １１ 長穴 １２ デインプル

フロントページの続き (72)考案者 山下 貴敏 京都市右京区梅津高畝町47番地日新電機 株式会社内 (72)考案者 稲実 宏 京都市右京区梅津高畝町47番地日新電機 株式会社内 (72)考案者 松永 幸二 京都市右京区梅津高畝町47番地日新電機 株式会社内 (56)参考文献 実開 平２−138839（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

(57)【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 原料ガスを導入しこれを放電によって励
   起してプラズマ状としイオンビ−ムとするイオン源チャ
   ンバの内壁に沿って設けられ輻射熱をイオン源チャンバ
   の内部に閉じこめるための金属薄板よりなる熱シ−ルド
   であって、全体として筒状であり隣接する板の継ぎ目に
   於いて各板に円周方向に長い穴を穿ち、各板の長穴に固
   定具を通して両者を結合し、各板の円周方向の相対移動
   を可能としてあることを特徴とする熱シ−ルド。