JP2875142B2 - Ultra high vacuum heat treatment apparatus and heat treatment method - Google Patents

Ultra high vacuum heat treatment apparatus and heat treatment method

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JP2875142B2 JP24684893A JP24684893A JP2875142B2 JP 2875142 B2 JP2875142 B2 JP 2875142B2 JP 24684893 A JP24684893 A JP 24684893A JP 24684893 A JP24684893 A JP 24684893A JP 2875142 B2 JP2875142 B2 JP 2875142B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、耐熱金属等導電性材料
を高真空、高温に保持し、熱処理、時効処理、脱ガス処
理を行うための装置及び方法に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an apparatus and a method for holding a conductive material such as a heat-resistant metal at a high vacuum and a high temperature and performing a heat treatment, an aging treatment and a degassing treatment.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来より高真空中の加熱・熱処理は、工
業的にも広く実施されている。真空中において熱処理を
行う際の加熱方式として、(1)セラミックス等の絶縁
材料にニクロム線等を巻き付け、ニクロム線に電流を流
すことによって発生するジュール熱を絶縁材料に伝える
熱電導を利用する方法、(2)直接試料に通電し、ジュ
ール熱により自己発熱する方法、(3)タングステン等
の高融点金属を用いたヒーターからの輻射により試料を
加熱する方法、(4)高周波誘導により導電性試料に電
流を発生させ加熱する方法、(5)太陽光、赤外線を集
光させ、加熱する方式、がある。
2. Description of the Related Art Conventionally, heating and heat treatment in a high vacuum have been widely practiced industrially. As a heating method for performing heat treatment in a vacuum, (1) a method using a thermoelectric conductor that transfers Joule heat generated by winding a nichrome wire or the like around an insulating material such as ceramics and passing a current through the nichrome wire to the insulating material. (2) a method in which the sample is directly heated by self-heating by Joule heat, (3) a method in which the sample is heated by radiation from a heater using a refractory metal such as tungsten, and (4) a conductive sample by high-frequency induction. And (5) a method in which sunlight and infrared rays are collected and heated.

【0003】しかしながら、前記(1)の方法は、固体
あるいは気体の熱電導と輻射によって試料を加熱するた
め真空中で用いる場合、熱電導が十分でなく不適当であ
る。また、(2)の直接通電方式は、高真空に保ったま
まで試料を融点近傍まで比較的広い昇温速度の範囲にお
いて加熱できる利点はあるが、大電流を必要とするため
非常に大きな電源装置が必要である。さらに、試料サイ
ズにも断面積の制限があること、また試料形状も均質な
ものが必要であるため特殊な用途でしか使用できない。
前記(3)のタングステンヒーターは、輻射による間接
加熱方式であるため熱伝導率の低い材料でも加熱できる
利点はあるが、輻射は全方向におこり試料以外も加熱す
る。従って、高温に保持するためには大容量の電源装置
が必要である。真空中では、タングステンヒーターから
ヒーターの表面積に比例する大量のガス放出があり、高
温において高真空(10-7Torr程度)を保つことは
不可能である。前記(4)の高周波誘導加熱は最高温度
に制限はないが、試料形状に制限がある。また、高周波
発生装置が必要であり高価である。さらに、前記(5)
の太陽光、赤外線を集光させる方法は、光を通過させる
透明物質を介して試料部を真空に保持する必要があり、
均熱範囲が狭く、体積の小さな試料についてのみ有効で
ある。従って、現状においては、比較的大きな試料を1
-7Torr以下の高真空中において、2000℃以上
に効率的に加熱する方法は見あたらない。
However, when the method (1) is used in a vacuum for heating a sample by thermal conduction and radiation of a solid or gas, the thermal conduction is insufficient and unsuitable. The direct energization method (2) has the advantage that the sample can be heated to a temperature close to the melting point in a relatively wide range of temperature rising rates while maintaining a high vacuum, but a very large power supply device is required because a large current is required. is necessary. Furthermore, since the sample size is limited in cross-sectional area and the sample shape must be uniform, it can be used only for special applications.
The tungsten heater of the above (3) is an indirect heating method by radiation, and therefore has an advantage that it can heat even a material having low thermal conductivity. However, radiation occurs in all directions and heats other than the sample. Therefore, a large-capacity power supply device is required to maintain the temperature at a high temperature. In a vacuum, a large amount of gas is released from a tungsten heater in proportion to the surface area of the heater, and it is impossible to maintain a high vacuum (about 10 −7 Torr) at a high temperature. In the high-frequency induction heating of (4), the maximum temperature is not limited, but the sample shape is limited. Further, a high-frequency generator is required and is expensive. Further, the above (5)
In the method of collecting sunlight and infrared rays, it is necessary to hold the sample part in a vacuum through a transparent substance that allows light to pass through,
It is effective only for small volume samples with a narrow soaking range. Therefore, at present, relatively large sample
There is no known method for efficiently heating to 2000 ° C. or higher in a high vacuum of 0 −7 Torr or lower.

【0004】一方、電子ビームを用いた加熱方法は、真
空中で特に有効であり、高真空中において電子ビームに
よる溶解も行なわれている。しかしながら、細線条のフ
ィラメントから放出された熱電子に電圧を引荷して加速
し、電磁コイルを用いて電子を収束させ、エネルギー密
度の高い電子線を試料に照射する方法では、温度の不均
一が存在し熱処理の目的を達成できない。さらに、通常
熱処理に必要な昇温及び降温速度の制御が困難である
(例えば、特開平2−194129号公報参照)。ま
た、特殊形状の熱処理法として、針金・薄板金属を10
-3ないし10-5Torrの真空中で電子の流れによって
加熱する加熱装置が公開されている(特開昭49−61
732号公報参照)。しかしながら、上記装置は、電子
発生装置から生ずる電子による加熱のみを意図したもの
であり、輻射による効果は全く示されていない。また、
試料形状が長さが長く厚みの薄い金属質部品に限定され
ており、体積の大きい導電性固体試料は使用できない。
さらに、高真空、高温での加熱装置については全く述べ
られていない。
On the other hand, a heating method using an electron beam is particularly effective in a vacuum, and melting by an electron beam is also performed in a high vacuum. However, in the method in which the voltage is applied to the thermoelectrons emitted from the filaments of the filament and accelerated, the electrons are converged using an electromagnetic coil, and the sample is irradiated with an electron beam having a high energy density, the temperature is not uniform. And the purpose of the heat treatment cannot be achieved. Furthermore, it is difficult to control the temperature raising and lowering rates required for the normal heat treatment (for example, see Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-194129). In addition, as a heat treatment method for special shapes, wire
A heating apparatus has been disclosed in which heating is performed by a flow of electrons in a vacuum of -3 to 10 -5 Torr (JP-A-49-61).
732). However, the above-mentioned device is intended only for heating by electrons generated from the electron generating device, and does not show any effect by radiation. Also,
The sample shape is limited to long and thin metal parts, and a large-volume conductive solid sample cannot be used.
Furthermore, there is no mention of a heating device at high vacuum and high temperature.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、高真空を保
持した状態で、金属等の導電性材料を、効率的に200
0℃以上の超高温まで温度コントロールを行い、加熱・
保持・冷却パターンによって脱ガス処理と熱処理をおこ
なう装置を提供することを目的としている。
SUMMARY OF THE INVENTION According to the present invention, a conductive material such as a metal can be efficiently removed while maintaining a high vacuum.
Perform temperature control to an ultra-high temperature of 0 ° C or higher,
It is an object of the present invention to provide an apparatus for performing a degassing process and a heat treatment according to a holding / cooling pattern.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明は、次の事項を要
旨としている。 導電性材料を高真空、高温下で熱処理する装置にお
いて、熱電子を発生するフィラメントと電源装置からな
る電気回路Aと被加熱材1とフィラメントの間に被加熱
材が正になるように高圧電源を接地した電気回路Bを有
することを特徴とする熱処理装置。 本熱処理装置において、電気回路Bに電流計を組み
込み、電流により被加熱材の温度を算出する演算装置を
有することを特徴とする熱処理装置。 フィラメントが高融点金属線(タングステン、モリ
ブデンまたはタンタル族)からなるコイル形状であるこ
とを特徴とする熱処理装置。 真空排気装置をもつ容器内に、熱電子を放出する発
熱源を導電性試料の周りに配置し、発熱源に外部電源装
置より電力を供給し発熱させ、輻射によって試料を加熱
すると同時に、試料と発熱源の間に外部電源装置より試
料側が正になるバイアス電圧を負荷する外部高圧電源装
置を備え、発熱源より発生した熱電子をバイアス電圧に
より加速し、試料に衝突させ、電子の持つ運動エネルギ
ーを熱エネルギーに変換することによって熱効率を向上
させたことを特徴とする超高真空熱処理方法。
The gist of the present invention is as follows. In an apparatus for heat-treating a conductive material under a high vacuum and a high temperature, a high-voltage power supply is provided between an electric circuit A comprising a filament for generating thermoelectrons and a power supply, and a material to be heated 1 so that the material to be heated becomes positive. A heat treatment apparatus comprising: an electric circuit B having a grounded ground. The heat treatment apparatus according to the present invention, further comprising an arithmetic unit that incorporates an ammeter into the electric circuit B and calculates the temperature of the material to be heated based on the current. A heat treatment apparatus, wherein the filament has a coil shape made of a high melting point metal wire (tungsten, molybdenum or tantalum group). A heat source that emits thermoelectrons is placed around a conductive sample in a container with a vacuum exhaust device, and power is supplied to the heat source from an external power supply device to generate heat. Equipped with an external high-voltage power supply that applies a bias voltage that makes the sample more positive than the external power supply between the heat sources, accelerates the thermoelectrons generated from the heat source by the bias voltage, collides with the sample, and the kinetic energy of the electrons An ultra-high-vacuum heat treatment method characterized in that thermal efficiency is improved by converting gas into heat energy.

【0007】以下に、本発明を詳細に説明する。まず、
本発明の超真空雰囲気加熱装置を、図1によって説明す
る。超高真空雰囲気中で、固体試料を電子の衝突によっ
て加熱する加熱装置において、真空度を10-8Torr
以下の高真空に保つ真空排気装置と試料を納める容器6
と、タングステン、モリブデンまたはタンタル族の高融
点金属金属線によって構成されるコイル形状のフィラメ
ント2を有し、フィラメントの両端にフィラメント電源
3を通して電流を付加し、輻射による加熱を行う(電気
回路A)。フィラメントが高温まで加熱されると熱電子
が放出される。試料1に高電圧電源装置4から導入端子
によって真空中に電源端子を取り出し、試料と接触させ
ることによって試料とフィラメントの間にフィラメント
に対して著しく負の電圧を電源装置4によって与える
(電気回路B)。放出された熱電子は、効果的に試料両
面に引き寄せられ、試料表面と衝突することにより、電
子の持つ運動エネルギーを熱に変換することによって、
超高温状態(1500℃以上)を効率的に得ることがで
きる。試料とフィラメントの間に電流計5を設置し、電
流値から試料温度を間接的に測定する。
Hereinafter, the present invention will be described in detail. First,
The ultra-vacuum atmosphere heating device of the present invention will be described with reference to FIG. In a heating device that heats a solid sample by electron impact in an ultra-high vacuum atmosphere, the degree of vacuum is set to 10 −8 Torr.
Vacuum evacuation device for maintaining high vacuum and container 6 for holding sample
And a coil-shaped filament 2 composed of a tungsten, molybdenum or tantalum group high-melting metal wire, and a current is applied to both ends of the filament through a filament power supply 3 to perform radiation heating (electric circuit A). . When the filament is heated to a high temperature, thermoelectrons are emitted. The power supply terminal is taken out from the high voltage power supply device 4 into the vacuum by the introduction terminal from the high voltage power supply device 4 and brought into contact with the sample to apply a significantly negative voltage to the filament between the sample and the filament by the power supply device 4 (electric circuit B ). The emitted thermoelectrons are effectively attracted to both surfaces of the sample and collide with the sample surface, converting the kinetic energy of the electrons into heat,
An ultra-high temperature state (1500 ° C. or higher) can be efficiently obtained. The ammeter 5 is installed between the sample and the filament, and the sample temperature is indirectly measured from the current value.

【0008】導電性試料を最大限の効率で加熱保持する
には、発熱体からの輻射による熱移動と電子発生装置か
ら出た電子を試料に衝突させ、電子の持つ運動エネルギ
ーを熱エネルギーに変換することが最も効果がある。従
来は、輻射あるいは電子による衝突のいずれか一方のみ
によって加熱装置が構成されていたが、本加熱装置は輻
射と電子の衝突による加熱を同時に実現した従来にない
加熱装置である。
In order to heat and hold a conductive sample with maximum efficiency, heat transfer due to radiation from a heating element and electrons emitted from an electron generator collide with the sample, and the kinetic energy of the electrons is converted into thermal energy. Is most effective. Conventionally, a heating device has been constituted by only one of radiation and collision by electrons. However, the present heating device is a heating device which has not been realized in the past, which realizes heating by radiation and collision of electrons at the same time.

【0009】電子の発生装置としては、電界放出型と熱
電子放出型があるが、輻射による熱と電子を同時に得る
ためには、熱電子放出型である必要がある。電子発生装
置によって発生された熱電子は、運動エネルギーを持っ
ておらず、直ちに発生源に戻る。発生した熱電子に十分
な運動エネルギーを与えるためには、発生装置と発生装
置から距離をおいた場所の間に電位差を生じさせ、この
電位差によって電子に運動エネルギーを与えられる必要
がある。バイアス電圧を電子発生装置と試料の間に印加
した場合、運動エネルギーを持った熱電子が試料に衝突
し、運動エネルギーが熱エネルギーに変換され、最も高
い効率によってエネルギー変換が起きる。与えるバイア
ス電圧は、熱電子を加速するのに必要な電圧から試料表
面に電子衝撃によるダメージが起こらない電圧までの範
囲が望ましい。
Electron generators include a field emission type and a thermionic emission type. In order to obtain heat and electrons by radiation simultaneously, it is necessary to use a thermionic emission type. Thermions generated by the electron generator have no kinetic energy and return immediately to the source. In order to give sufficient kinetic energy to the generated thermoelectrons, it is necessary to generate a potential difference between the generator and a place at a distance from the generator, and to give the electrons kinetic energy by this potential difference. When a bias voltage is applied between the electron generator and the sample, thermoelectrons having kinetic energy collide with the sample, the kinetic energy is converted into heat energy, and energy conversion occurs with the highest efficiency. The bias voltage to be applied is desirably in a range from a voltage required for accelerating thermoelectrons to a voltage at which damage to the sample surface due to electron impact does not occur.

【0010】熱電子を得る方法としては、導体、例え
ば、タングステン、モリブデンまたはタンタルの族から
の高融点金属に通電し、ジュール熱により加熱し、仕事
関数以上のエネルギーを与え、電子が金属表面から外に
放出されることが必要である。板状あるいは細線状高融
点金属に電流を流し、そのジュール熱によってエネルギ
ーを与える電子発生装置は、構造が簡単で取扱いが容易
である。電子発生装置のための電源は、熱電子を放出さ
せる温度以上に金属を加熱するのに必要な電気量を供給
可能な電源装置でなければならない。
As a method for obtaining thermoelectrons, a conductor, for example, a high melting point metal from the group of tungsten, molybdenum or tantalum is energized and heated by Joule heat to give an energy higher than the work function, so that electrons are transferred from the metal surface. It needs to be released outside. An electron generator which applies a current to a plate-like or thin-line high-melting metal and gives energy by Joule heat has a simple structure and is easy to handle. The power supply for the electron generator must be a power supply capable of supplying the amount of electricity required to heat the metal above the temperature at which thermionic electrons are emitted.

【0011】電子を発生させ、加速し、試料に衝突させ
るためには、真空雰囲気が必要である。真空度が高くな
るに従って、電子と気体分子の衝突によるエネルギーの
損失が減じ、より効果的である。超高真空雰囲気は、例
えばターボ分子ポンプ、クライオポンプ、イオンポンプ
等で、10-8Torr以下の真空度を容易に達成でき
る。
In order to generate, accelerate, and collide electrons with a sample, a vacuum atmosphere is required. As the degree of vacuum increases, the loss of energy due to collision of electrons and gas molecules decreases, which is more effective. The ultra-high vacuum atmosphere can easily achieve a degree of vacuum of 10 −8 Torr or less by a turbo molecular pump, a cryopump, an ion pump, or the like.

【0012】超高真空中で加熱を行う際に一番の問題
は、チャンバー、加熱体、試料に吸着あるいは原子状で
固体内に固溶しているガス成分が拡散し、表面からガス
として放出されるため、高真空が保持できない点であっ
た。放出ガスを抑えるためには、装置を真空に保ちなが
ら、200℃前後に加熱ベーキングする方法が取られて
いた。しかしながら、熱処理炉として高温に保持する場
合、装置あるいは発熱体に用いられている導体から平衡
蒸気圧に相当する原子あるいはガス放出があり、理論上
平衡蒸気圧以上の高真空は達成できない。しかし、加熱
装置は金属が水素、酸素、窒素等を固溶しているため、
これらの原子がガス成分として発熱体、およびその周辺
を構成する金属から放出されるため、理論到達真空度よ
りもはるかに低い真空度しか達成できない。この問題を
解決するためには、真空排気速度を上げるとともに、試
料以外の部分ができるだけ高温にならないようにするた
めに、小さな熱源で効率的に試料を加熱する方法が必要
である。
The biggest problem when heating in an ultra-high vacuum is that the gas component adsorbed on the chamber, the heating element, or the sample or diffused as a solid solution in the solid in a solid state is diffused and released as a gas from the surface. Therefore, a high vacuum cannot be maintained. In order to suppress the released gas, a method of heating and baking at about 200 ° C. while keeping the apparatus under vacuum has been adopted. However, when the heat treatment furnace is maintained at a high temperature, atoms or gases corresponding to the equilibrium vapor pressure are released from the conductor used for the apparatus or the heating element, and a high vacuum higher than the equilibrium vapor pressure cannot be achieved theoretically. However, in the heating device, the metal has a solid solution of hydrogen, oxygen, nitrogen, etc.
Since these atoms are released as gas components from the heating element and the metal that forms its surroundings, it is possible to achieve a vacuum degree much lower than the theoretically reached vacuum degree. In order to solve this problem, there is a need for a method of efficiently heating the sample with a small heat source in order to increase the evacuation speed and keep portions other than the sample as high as possible.

【0013】本発明による装置は、発熱源が高融点金属
線によるコイル形状であるため、同じ熱量を与えるのに
必要な体積を通常のメッシュ形状の発熱体に比べて著し
く小さくることができ、従って表面積を少くすることが
可能となった。発熱体表面積の減少によって発熱体から
のガス発生を少く抑えることができる。
In the apparatus according to the present invention, since the heat source is in the form of a coil made of a high melting point metal wire, the volume required to give the same amount of heat can be significantly reduced as compared with a normal mesh-shaped heating element. Therefore, the surface area can be reduced. By reducing the surface area of the heating element, gas generation from the heating element can be suppressed to a small extent.

【0014】加熱装置を用いて、試料の熱処理を行う場
合には、単位時間当り発生する熱量を制御し、昇温速
度、降温速度、一定温度一定時間保持の各種パターン通
りに制御可能でなければならない。本加熱装置は導体に
通電する電流を制御し、発生する熱電子の量を変化させ
ることにより試料の温度を制御することが可能である。
導体、例えば、タングステン、モリブデンまたはタンタ
ル族の高融点金属金属線によって構成されるコイル形状
のフィラメントに電流を流すとジュール熱により加熱さ
れる。
When heat treatment of a sample is performed using a heating device, the amount of heat generated per unit time is controlled, and it is necessary to control the heating rate, the cooling rate, and the constant temperature for a fixed time for various patterns. No. This heating apparatus can control the temperature of the sample by controlling the current flowing through the conductor and changing the amount of generated thermoelectrons.
When an electric current is applied to a conductor, for example, a coil-shaped filament composed of a refractory metal wire of the tungsten, molybdenum or tantalum group, it is heated by Joule heat.

【0015】ジュール熱による加熱は、次式で与えられ
る。 抵抗値 R=ρ(L/A) (1) 発生するジュール熱 J=RI2 (2) ここで、Lはフィラメントの長さ、Aはフィラメント断
面積、ρは定効率、Iは電流である。ジュール熱によっ
てフィラメントは加熱され、加熱されたフィラメントか
らの輻射によって試料は加熱される。さらに、フィラメ
ントから発生する熱電子の量はフィラメント温度の関数
で示されており、フィラメント温度が上昇するに従って
急激に増加する。従って、フィラメントに通電する電流
を制御することによって、フィラメント温度の制御が可
能となり、輻射量と熱電子量を同時に制御することがで
きる。試料温度は、熱電対あるいは放射温度計等によっ
て測定される。試料温度値と設定温度値の違いをフィー
ドバックし、フィラメント温度を制御することによっ
て、試料温度の制御が可能である。従って、所定の温度
パターンの熱処理を高真空下で行うことが初めて可能と
なった。
Heating by Joule heat is given by the following equation. Resistance value R = ρ (L / A) (1) Generated Joule heat J = RI 2 (2) where L is the length of the filament, A is the cross-sectional area of the filament, ρ is the constant efficiency, and I is the current. . The filament is heated by Joule heat, and the sample is heated by radiation from the heated filament. Further, the amount of thermoelectrons generated from the filament is shown as a function of the filament temperature, and increases sharply as the filament temperature increases. Therefore, by controlling the current supplied to the filament, the filament temperature can be controlled, and the amount of radiation and the amount of thermoelectrons can be controlled simultaneously. The sample temperature is measured by a thermocouple, a radiation thermometer, or the like. By controlling the filament temperature by feeding back the difference between the sample temperature value and the set temperature value, the sample temperature can be controlled. Therefore, it has become possible for the first time to perform a heat treatment at a predetermined temperature pattern under a high vacuum.

【0016】発生した電子による運動エネルギーUは U=neV (3) ここで、eは、一個あたりの電荷、nは、電子発生装置
から単位時間当たり発生する電子の数、Vは、フィラメ
ントと試料間の電位差である。従って、電位差Vを制御
することにより電子の運動エネルギーが制御可能であ
り、電子の衝突によって試料に与えられるエネルギーを
正確に変化させることができる。試料が受け取る全エネ
ルギーWは、理想状態を仮定した場合、ジュール熱によ
る輻射Jと電子の衝突によって得られるエネルギーUの
和である。 W=J+U (4) 式(4)から明らかなように、輻射による加熱方式に比
較して、電子の衝突によるエネルギーが加わるために加
熱効率が著しく改良される。
The kinetic energy U of the generated electrons is U = neV (3) where e is the electric charge per unit, n is the number of electrons generated per unit time from the electron generator, and V is the filament and sample. Potential difference between the two. Therefore, the kinetic energy of the electrons can be controlled by controlling the potential difference V, and the energy given to the sample by the collision of the electrons can be accurately changed. The total energy W received by the sample is the sum of the energy U obtained by the collision of the radiation J due to Joule heat with the electrons, assuming an ideal state. W = J + U (4) As is apparent from the equation (4), the heating efficiency is remarkably improved due to the addition of energy due to the collision of electrons, as compared with the heating method using radiation.

【0017】試料に衝突した電子の数は、試料とフィラ
メント間を流れるバイアス電流として検出できる。衝突
した電子の数は、フィラメントから発生した全電子が試
料に衝突するので電子数と一致する。フィラメントから
発生する電子の数は、フィラメント表面温度に依存し、
既知である。したがって、試料とフィラメント間を流れ
るバイアス電流を測定することにより、容易にフィラメ
ント温度が推定できる。
The number of electrons hitting the sample can be detected as a bias current flowing between the sample and the filament. The number of colliding electrons coincides with the number of electrons because all the electrons generated from the filament collide with the sample. The number of electrons generated from the filament depends on the filament surface temperature,
Is known. Therefore, the filament temperature can be easily estimated by measuring the bias current flowing between the sample and the filament.

【0018】試料温度は放射温度計、熱電対等で測定可
能であるが、放射温度計の場合は測定が不安定であり、
温度制御用信号として用いるには適していない。熱電対
を用いる場合にバイアス電圧を負荷している為に、不導
体で保護した熱電対を用いる必要がある。さらに、バイ
アス電圧の変化によって影響を受け、実際の試料温度を
正確に測定している保証はない。試料温度を求めるに
は、放射温度計による測定、バイアスOVの状態におけ
る熱電対による測定によって、放射温度計を補正する。
さらに、バイアスを負荷した状態で、放射温度計による
測定とバイアス電流を測定し、標準データを採取してお
くことによって、以後バイアス電流値による測定のみ
で、試料温度を推定することが可能である。
Although the sample temperature can be measured with a radiation thermometer, a thermocouple or the like, the measurement is unstable in the case of a radiation thermometer,
It is not suitable for use as a temperature control signal. Since a bias voltage is applied when a thermocouple is used, it is necessary to use a thermocouple protected by a nonconductor. Furthermore, there is no guarantee that the actual sample temperature will be accurately measured, being affected by changes in the bias voltage. To determine the sample temperature, the radiation thermometer is corrected by measurement using a radiation thermometer and measurement using a thermocouple in a state of bias OV.
Further, by measuring the bias current and measuring the bias current with the bias applied, and collecting the standard data, it is possible to estimate the sample temperature only by measuring the bias current value thereafter. .

【0019】上記原理により、輻射と電子の衝突による
加熱方式を備えた本発明の加熱装置は、従来の真空加熱
装置に比較して、投入したエネルギーに対する試料が得
た熱エネルギー比が飛躍的に向上した。
According to the above principle, the heating apparatus of the present invention provided with the heating method by the collision of radiation and electrons has a remarkable heat energy ratio of the sample to the input energy compared with the conventional vacuum heating apparatus. Improved.

【0020】[0020]

【実施例】以下に、本発明を実施例に基いてさらに説明
する。図1に示す、超高真空装置とタングステンフィラ
メントを有した、超高温雰囲気熱処理炉を作製した。超
高真空排気にはクライポンプを使用し、ベークキング後
の到着真空度は、1x10-8Torrであった。フィラ
メントは、直径1mmのタングステン線を用い、内径8
0mm、7ターンのコイル形状用いた。試料として、5
0φ×50mmの円柱状のタングステン試料を用いた。
EXAMPLES The present invention will be further described below with reference to examples. An ultra-high-temperature atmosphere heat treatment furnace having an ultra-high vacuum device and a tungsten filament shown in FIG. 1 was produced. A cry pump was used for ultra-high vacuum evacuation, and the arrival vacuum degree after baking was 1 × 10 −8 Torr. For the filament, use a tungsten wire with a diameter of 1 mm and an inner diameter of 8 mm.
A coil shape of 0 mm and 7 turns was used. As a sample, 5
A columnar tungsten sample of 0φ × 50 mm was used.

【0021】フィラメント電源は、5kW直流電源装置
を用いた。さらに、バイアス電源として、最高電圧1k
eV2Aの出力を持つ直流高圧電源装置を用い、+端子
を試料として接触させ、−端子をフィラメントと接続し
た。熱電対は、試料と絶縁状態にし、試料のすぐ近傍に
設置した。
As the filament power supply, a 5 kW DC power supply was used. Further, as a bias power supply, a maximum voltage of 1 k
Using a DC high-voltage power supply having an output of eV2A, the positive terminal was brought into contact with the sample, and the negative terminal was connected to the filament. The thermocouple was insulated from the sample and placed immediately adjacent to the sample.

【0022】試料をタングステン製試料台の上に置き、
真空排気を行った。超高真空雰囲気中において加熱実験
を行った。各試料温度におるタングステンヒーター電流
と電圧、さらに投入電力を示す。また、各温度における
真空度も測定した。温度制御は熱電対からの温度変化を
コントローラーに入力し、コントローラー内でPID制
御を行い、フィラメント電流、電圧を制御した。さら
に、バイアス電圧を200Vおよび500V印加した状
態でのタングステンヒーター電流と電圧バイアス電流、
2つの電源装置から投入した電力を示す。各温度におい
て30分以上保持し、±1℃以内の精度で十分な温度コ
ントロールが可能であった。
The sample is placed on a tungsten sample table,
Evacuation was performed. A heating experiment was performed in an ultra-high vacuum atmosphere. The tungsten heater current and voltage and the input power at each sample temperature are shown. The degree of vacuum at each temperature was also measured. For temperature control, a temperature change from the thermocouple was input to the controller, and PID control was performed in the controller to control the filament current and voltage. Further, a tungsten heater current and a voltage bias current in a state where bias voltages of 200 V and 500 V are applied,
It shows the power supplied from the two power supplies. Each temperature was maintained for 30 minutes or more, and sufficient temperature control was possible with an accuracy within ± 1 ° C.

【0023】比較例 電気回路Aによるフィラメント加熱のみで行った場合の
各試料温度におけるフィラメント電流、フィラメント電
圧、さらにそれらの積で示される総投入電力を比較例と
して、表1に示す。
The filament current at each sample temperature when performing only filament heating according to Comparative Example an electric circuit A, as a comparative example the total input power represented by filament voltage, further their product, shown in Table 1.

【0024】[0024]

【表1】 [Table 1]

【0025】実施例1 電気回路Aおよび温度コントローラーによってフィラメ
ント電流を制御しながら、電気回路Bによってバイアス
電圧200Vを印加した場合のフィラメント電源の電流
値・電圧値、バイアス電源装置から検出されるバイアス
電流値、さらに総投入電力として、フィラメント電流X
電圧+バイアス電流X電圧を、表2に示す。ここで、電
力削減率は、比較例におけバイアス電源を投入しない場
合とバイアスを200V印加した場合の総投入電力の差
を実施例1における総投入電力で除した値である。
Embodiment 1 A current value / voltage value of a filament power supply when a bias voltage of 200 V is applied by an electric circuit B while controlling a filament current by an electric circuit A and a temperature controller, and a bias current detected from a bias power supply device Value, and the total input power, filament current X
Table 2 shows the voltage + bias current X voltage. Here, the power reduction rate is a value obtained by dividing the difference between the total applied power when the bias power is not applied and the case where the bias is applied at 200 V in the comparative example by the total applied power in the first embodiment.

【0026】[0026]

【表2】 [Table 2]

【0027】実施例2 実施例1と同様の条件で電気回路Bによってバイアス電
圧500Vを印加した場合のフィラメント電源の電流値
・電圧値、バイアス電源装置から検出されるバイアス電
流値、さらに総投入電力、電力削減率を、表3に示す。
さらに、各温度における真空度を測定した。その結果も
併せて、表3に示す。
Embodiment 2 When a bias voltage of 500 V is applied by the electric circuit B under the same conditions as in Embodiment 1, the current value / voltage value of the filament power supply, the bias current value detected from the bias power supply, and the total input power Table 3 shows the power reduction rates.
Further, the degree of vacuum at each temperature was measured. Table 3 also shows the results.

【0028】[0028]

【表3】 [Table 3]

【0029】本発明の超高真空熱処理装置によれば、表
1〜3から明らかなように、従来のものに比べ投入電緑
地あるいは電力削減率を対比してもその加熱効率が大幅
に向上している。さらに、真空度は、従来のフィラメン
ト加熱の場合よりも5倍も改善されており、超高温域に
おいても高真空度を保つことができる。
According to the ultra-high vacuum heat treatment apparatus of the present invention, as is apparent from Tables 1 to 3, the heating efficiency is greatly improved compared with the conventional apparatus, even if the input green space or the power reduction rate is compared. ing. Further, the degree of vacuum is improved by a factor of 5 as compared with the case of conventional filament heating, and a high degree of vacuum can be maintained even in an ultra-high temperature range.

【0030】[0030]

【発明の効果】本発明によれば、加熱効率が大幅に向上
し、また、真空度も向上し、超高温域において高真空度
を保つ事が可能となり、これによって高融点金属等の熱
処理、あるいは脱ガス反応を経済的、かつ効果的に行う
ことができる。
According to the present invention, the heating efficiency is greatly improved, the degree of vacuum is also improved, and a high degree of vacuum can be maintained in an ultra-high temperature range. Alternatively, the degassing reaction can be performed economically and effectively.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の超高温真空熱処理装置の模式図であ
る。
FIG. 1 is a schematic view of an ultra-high temperature vacuum heat treatment apparatus of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 試料 2 フィラメント 3 フィラメント電源 4 高電圧電源(バイアス電源) 5 電流計 6 真空容器 Reference Signs List 1 sample 2 filament 3 filament power supply 4 high voltage power supply (bias power supply) 5 ammeter 6 vacuum vessel

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C21D 1/34,1/773 H05B 3/00 B22F 3/10 F27B 5/04,9/04,14/04 F27D 7/06 H01L 21/22 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Fields surveyed (Int.Cl. 6 , DB name) C21D 1 / 34,1 / 773 H05B 3/00 B22F 3/10 F27B 5 / 04,9 / 04,14 / 04 F27D 7/06 H01L 21/22

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】導電性材料を高真空、高温下で熱処理する
装置において、熱電子を発生するフィラメント2と電源
装置8からなる電気回路Aと被加熱材1とフィラメント
2の間に被加熱材1が正になるように高圧電源4を設置
した電気回路Bを有することを特徴とする熱処理装置。
1. An apparatus for heat-treating a conductive material under high vacuum and high temperature, wherein an electric circuit A comprising a filament 2 for generating thermoelectrons and a power supply 8 and a material 1 to be heated are interposed between the material 1 to be heated and the filament 2. A heat treatment apparatus having an electric circuit B in which a high-voltage power supply 4 is installed so that 1 becomes positive.
【請求項2】電気回路Bに電流計を組み込み、電流によ
り被加熱材の温度を算出する演算装置を有することを特
徴とする請求項1に記載の熱処理装置。
2. The heat treatment apparatus according to claim 1, further comprising an arithmetic unit that incorporates an ammeter into the electric circuit B and calculates the temperature of the material to be heated based on the current.
【請求項3】フィラメント2がタングステン、モリブデ
ンまたはタンタル族の高融点金属線からなるコイル形状
であることを特徴とする請求項1または2に記載の熱処
理装置。
3. The heat treatment apparatus according to claim 1, wherein the filament has a coil shape made of a refractory metal wire of a tungsten, molybdenum or tantalum group.
【請求項4】真空排気装置をもつ容器内に、熱電子を放
出する発熱源を導電性試料の周りに配置し、発熱源に外
部電源装置より電力を供給し発熱させ、輻射によって試
料を加熱すると同時に、試料と発熱源の間に外部電源装
置により試料側が正になるバイアス電圧を負荷する外部
高圧電源装置を備え、発熱源より発生した熱電子をバイ
アス電圧により加速し、試料に衝突させる電子の持つ運
動エネルギーを熱エネルギーに変換することによって熱
効率を向上させたことを特徴とする熱処理方法。
4. A heat source for emitting thermoelectrons is arranged around a conductive sample in a container having a vacuum exhaust device, and power is supplied to the heat source from an external power supply to generate heat, and the sample is heated by radiation. At the same time, an external high-voltage power supply is provided between the sample and the heat source that applies a bias voltage that makes the sample side positive by an external power supply, and the thermoelectrons generated from the heat source are accelerated by the bias voltage and collide with the sample. A heat treatment method characterized by improving thermal efficiency by converting kinetic energy possessed by the material into heat energy.
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