JP5019200B2 - Ion source electrode - Google Patents

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Description

本発明は、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などに適用されるイオン源において、プラズマ中のイオンを加速して高速イオンビームを生成するイオン源電極に関する。 The present invention relates to an ion source electrode for generating a high-speed ion beam by accelerating ions in plasma in an ion source applied to a neutral particle injection device, an ion mixing device, or the like of a fusion apparatus.

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おいては、プラズマから高速イオンビームを生成するイオン源が用いられている。   In a neutral particle injection device or ion mixing device of a fusion device, an ion source that generates a high-speed ion beam from plasma is used.

例えば、図8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、水素などのガス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。そして、このプラズマ中のガスが電離したイオンを、電極36に高電圧電源37により高電圧を印加することで形成される電界によってプラズマから引き出して加速し、高エネルギーを有する高速のイオンビーム40を発生するものである。   For example, as shown in FIG. 8, an ion source 32 of a neutral particle injection device 31 used in a fusion apparatus has a gas 33 such as hydrogen introduced therein, and a plasma generation unit 35 having a filament 34 passes through the filament 34. Plasma is generated by arc discharge. Then, the ions in which the gas in the plasma is ionized are extracted from the plasma by an electric field formed by applying a high voltage to the electrode 36 by a high voltage power source 37 and accelerated to generate a high-speed ion beam 40 having high energy. It is what happens.

このイオンビーム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ため、ガスを満たした中性子セル39を通過させて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子ビーム41に変換し、炉心プラズマ42に入射させる。   Since the ion beam 40 is bent by the magnetic field of the coil of the fusion apparatus as it is, the neutron beam 41 is passed through the neutron cell 39 filled with gas and the kinetic energy is preserved by collision reaction between ions and gas. Into the core plasma 42.

上述したイオン源におけるイオン加速用の電極36は、図示するように3段あるいは5段(図示しない)などから構成され、当該電極に多数形成されたイオンビーム引出し孔を通してプラズマからイオンビームを引き出すようになっており、特にイオン源に最も近い1段目の電極は高温のイオンビームと直接接触する構造となっている。このため、電極には電極自体の熱負荷を下げ、耐久性能を向上させる冷却チャンネルが形成されている。   The electrode 36 for accelerating ions in the ion source described above is composed of three stages or five stages (not shown) as shown in the figure, and draws out the ion beam from the plasma through ion beam extraction holes formed in a large number on the electrode. In particular, the first-stage electrode closest to the ion source is in direct contact with the high-temperature ion beam. For this reason, the electrode is formed with a cooling channel that lowers the thermal load of the electrode itself and improves the durability.

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。   Usually, the cooling channel is provided between a plurality of ion beam extraction holes formed in order to effectively perform cooling.

図9は、従来の1段目のイオン源電極の一例を示す断面図である。   FIG. 9 is a cross-sectional view showing an example of a conventional first-stage ion source electrode.

すなわち、イオン源電極43は耐熱性が高く線膨張係数が小さく、且つ入手が容易なモリブデン材からなる電極板43a,43bを貫通して形成された多数のビーム引出し孔44を備えている。このビーム引出し孔44に隣接して冷媒が流れる冷却チャンネル45を形成している。   That is, the ion source electrode 43 is provided with a number of beam extraction holes 44 formed so as to penetrate through electrode plates 43a and 43b made of molybdenum material, which has high heat resistance, a small linear expansion coefficient, and is easily available. A cooling channel 45 through which the refrigerant flows is formed adjacent to the beam extraction hole 44.

このイオン源電極43の構成をより詳細に述べると、モリブデンからなる2枚の電極板43a,43bを、一方の板に冷却チャンネル45を加工し、もう一方の板は平板を用い、これら2枚のモリブデンからなる板を真空中で高温にて加圧可能なホットプレス装置を用いて拡散接合し、電極板43a,43bを通してビーム引出し孔44を有する構造としたものである。   The structure of the ion source electrode 43 will be described in more detail. Two electrode plates 43a and 43b made of molybdenum are processed on one plate, a cooling channel 45 is processed on one plate, and a flat plate is used on the other plate. A plate made of molybdenum is diffusion-bonded using a hot press apparatus capable of pressurizing at a high temperature in a vacuum, and has a structure having a beam extraction hole 44 through electrode plates 43a and 43b.

ところで、上記のような構成のイオン源電極43を用いてイオンビームを引き出すとき、イオン源電極にはイオン源電極自体の熱負荷を下げるため、冷却チャンネル45の中に冷媒である純水を通している。   By the way, when an ion beam is extracted using the ion source electrode 43 having the above-described configuration, pure water as a coolant is passed through the cooling channel 45 in order to reduce the heat load of the ion source electrode itself. .

しかし、電極板の材料として高熱負荷に耐え、且つビーム引出し孔の熱負荷による位置の精度維持のために線膨張の小さい材料、さらには入手が容易であるなどの理由からモリブデンが用いられているが、このモリブデン材料はその素材が焼結金属で製造されるために、純水などの冷却水で腐食するという欠点がある。したがって、本発明者らの経験ではその電極としての寿命は1年ないし2年と非常に短い。このようなことから、腐食しにくい耐食性に優れ、且つ寿命の長いイオン源電源が望まれている。   However, molybdenum is used as a material for the electrode plate because it can withstand high heat load and maintain the accuracy of the position due to the heat load of the beam extraction hole. However, this molybdenum material has a drawback that it is corroded by cooling water such as pure water because the material is made of sintered metal. Therefore, according to the experience of the present inventors, the lifetime as an electrode is as short as 1 to 2 years. For this reason, an ion source power source that is resistant to corrosion and has excellent corrosion resistance and a long lifetime is desired.

そこで、その対策として、以下のようなイオン源電源の製造方法が提案されている。   Therefore, as a countermeasure, the following ion source power supply manufacturing method has been proposed.

(1)冷却水通路用の溝を設けた溝付きモリブデン板の溝表面に冷却水による腐食を防ぐためにニッケルを被覆しておき、その上にニッケルにて被覆されたモリブデン平板を重ね、拡散接合により溝付きモリブデン板と一体化すると共に、ニッケルにて被覆された冷却水通路孔を形成し、その後イオンビーム孔を加工する方法(特許文献1)。特に、この電極はプラズマ生成部の開口部側に装着し、電界を形成する電極に好適な耐熱金属かつ高融点材料のモリブデンから構成されている。 (1) The groove surface of the grooved molybdenum plate provided with grooves for cooling water passages is coated with nickel to prevent corrosion due to cooling water, and a molybdenum flat plate coated with nickel is overlaid thereon to perform diffusion bonding. A method of forming a cooling water passage hole covered with nickel, and then processing an ion beam hole (PTL 1). In particular, this electrode is mounted on the opening side of the plasma generation unit and is made of molybdenum, which is a refractory metal and a high melting point material suitable for an electrode for forming an electric field.

(2)上記と同様にモリブデン板を主体として構成されたイオン源電極において、モリブデン板を拡散接合により一体化した重合板構造とし、その冷却水通路用の冷却孔の内周面をセラミック被覆層で被覆したイオン源電極であり、この場合、セラミック被覆層をセラミックスの蒸着により形成する方法(特許文献2)。 (2) In the same manner as described above, in the ion source electrode mainly composed of a molybdenum plate, a superposed plate structure in which the molybdenum plate is integrated by diffusion bonding, and the inner peripheral surface of the cooling hole for the cooling water passage is a ceramic coating layer. In this case, a method of forming a ceramic coating layer by vapor deposition of ceramics (Patent Document 2).

(3)イオンビームを加速するイオン源電極において、タンタル板の拡散接合により一体化した重合板構造のタンタル板を主体として構成され、タンタル板を拡散接合するにあたり、接合面にチタンを介して拡散接合する方法(特許文献3)。 (3) The ion source electrode for accelerating the ion beam is mainly composed of a superposed tantalum plate with diffusion bonding of the tantalum plate. When diffusion bonding of the tantalum plate, diffusion is performed on the bonding surface via titanium. Joining method (Patent Document 3).

(4)真空あるいはガス雰囲気中での拡散接合が可能な加熱ヒータを設置した真空容器内で、互いの端面を向かい合わせた一対の電極要素である溝付き板と平板との間に上記電極要素材料の融点より低温で共晶反応により液相を生成して電極要素と固溶する薄膜層を形成し、共晶反応を利用した拡散接合で一体化する方法(特許文献4)。この場合、溝付き板には冷媒を流すための冷却孔を構成する細溝及びイオンビームの引出しのためのビーム引出し孔が形成される。 (4) In a vacuum vessel provided with a heater capable of diffusion bonding in a vacuum or gas atmosphere, the electrode element is provided between a grooved plate and a flat plate, which are a pair of electrode elements facing each other. A method in which a liquid phase is generated by a eutectic reaction at a temperature lower than the melting point of the material to form a thin film layer that is solid-solved with the electrode element, and integrated by diffusion bonding using the eutectic reaction (Patent Document 4). In this case, the grooved plate is formed with a narrow groove that constitutes a cooling hole for allowing the coolant to flow and a beam extraction hole for extracting the ion beam.

この方法の特徴は、共晶反応により生成する液相を利用することにより、比較的小さい加圧力を作用させただけで拡散接合できるので、液相が拡散凝固してギャップやボイドが消失し、電極全体を変形させたり、溝付き板の冷却孔を変形させたり、あるいは埋めることなく、両電極要素の接合面全体において、密着性に優れた良好な接合面を得ることができることである。また、冷却孔用に形成した細溝が加圧力によって変形することにより冷却効率を低下させたり、製品としての寸法精度が低下したりすることが少ないなどの利点がある。
特願平3−129638号公報 特願平5−029093号公報 特願平6−314600号公報 特許第2523742号公報
The feature of this method is that by using the liquid phase generated by the eutectic reaction, diffusion bonding can be performed only by applying a relatively small pressure, so that the liquid phase diffuses and solidifies, and gaps and voids disappear. It is possible to obtain a good bonding surface with excellent adhesion on the entire bonding surfaces of both electrode elements without deforming the entire electrode, deforming or filling the cooling holes of the grooved plate. In addition, there is an advantage that the narrow groove formed for the cooling hole is deformed by the applied pressure, so that the cooling efficiency is reduced and the dimensional accuracy as a product is hardly lowered.
Japanese Patent Application No. 3-129638 Japanese Patent Application No. 5-029093 Japanese Patent Application No. 6-314600 Japanese Patent No. 2523742

上記(1)の方法により製造されたイオン源電極は、モリブデン製の電極板にニッケルをコーティングすることによって、冷却水によるモリブデン電極板の腐食を防ぎ、製品としての長寿命化を図るために工夫されたものであるが、モリブデン製の電極板の水路内へのニッケルの健全なコーティングは難しく、時にそのコーティングの不健全部から腐食し、冷却水の漏水事故を引起す自体が考えられる。   The ion source electrode manufactured by the above method (1) is designed to prevent the molybdenum electrode plate from being corroded by cooling water and to extend the life of the product by coating nickel on the molybdenum electrode plate. However, it is difficult to have a sound coating of nickel in the water channel of the electrode plate made of molybdenum, and sometimes it corrodes from the unhealthy part of the coating, causing a leakage of cooling water itself.

コーティングの健全性が得難いのは、水路になる溝が2mm乃至3mmと非常に細く、このような細い溝の内部のコーティングが要求されるからである。このコーティング方法あるいは手段として電気メッキやPVD(物理蒸着)、CVD(化学蒸着)などの最先端のコーティング技術を用いても細い溝の内部のコーティングは難しい。また、溝形状は冷却効率を高めるために角溝であり、その溝内部およびコーナ部分のコーティング厚みが均一且つ健全であるようにコーティングするのは非常に難しい。   The reason why the soundness of the coating is difficult to obtain is that the groove to be a water channel is very thin, 2 mm to 3 mm, and coating inside such a thin groove is required. Even if a state-of-the-art coating technique such as electroplating, PVD (physical vapor deposition), or CVD (chemical vapor deposition) is used as the coating method or means, it is difficult to coat the inside of the narrow groove. Further, the groove shape is a square groove in order to increase the cooling efficiency, and it is very difficult to coat the groove so that the coating thickness in the groove and in the corner portion is uniform and sound.

また、上記(1),(2),(3)の方法により製造されたイオン源電極は、いずれも高融点材料であるモリブデンまたはタンタルから構成されるもので、その構造は溝付き板と平板とを拡散接合で一体化するものである。高融点材料であるモリブデンまたはタンタルからなる溝付き板と平板とを拡散接合するには、接合中、特に温度、雰囲気、加圧力については厳しく条件を守ることが求められる。さらに、これらの条件は定時間安定に保たなければならない。   The ion source electrodes manufactured by the above methods (1), (2), and (3) are all made of molybdenum or tantalum, which is a high melting point material, and the structure is a grooved plate and a flat plate. Are integrated by diffusion bonding. In order to perform diffusion bonding of a grooved plate made of molybdenum or tantalum, which is a high melting point material, and a flat plate, it is required to strictly observe the conditions regarding the temperature, atmosphere, and pressure during the bonding. Furthermore, these conditions must be kept stable for a fixed time.

拡散接合に必要な温度は、一般にその材料の融点に対して0.7倍以上の温度あるいはその材料の再結晶温度以上と言われている。雰囲気は、拡散接合に必要な温度において被接合材料の表面酸化などの問題にならない雰囲気が必要である。したがって、高真空中あるいはアルゴンまたはヘリウムなどの不活性ガス雰囲気中で接合することが要求される。加圧力は、接合面の面粗さや接合温度で適正加圧力が決まる。温度が高ければ、加圧力は小さく、温度が低ければ、加圧力を大きく設定しなければならない。また、面粗さについては被接合面の凹凸が細かい場合は加圧力を小さく、逆に接合面の凹凸が粗い場合は加圧力を高く設定しなければならない。   The temperature required for diffusion bonding is generally said to be at least 0.7 times the melting point of the material or higher than the recrystallization temperature of the material. The atmosphere should be an atmosphere that does not cause problems such as surface oxidation of the material to be joined at the temperature required for diffusion bonding. Therefore, bonding in a high vacuum or an inert gas atmosphere such as argon or helium is required. The appropriate pressure is determined by the surface roughness of the bonding surface and the bonding temperature. If the temperature is high, the applied pressure is small. If the temperature is low, the applied pressure must be set large. Further, regarding the surface roughness, the pressurizing force must be set low when the surface to be joined is fine, and conversely, the pressurizing force must be set high when the joint surface is rough.

要するに、接合面同士のコンタクト(密着)が重要である。この条件を保持する時間は温度、雰囲気、加圧力によって左右される。すなわち、温度が高く、かつ加圧力が高ければ相互拡散は積極的に進み、保持時間は短くてすむ。   In short, contact (adhesion) between the joint surfaces is important. The time for maintaining this condition depends on the temperature, atmosphere, and pressure. That is, if the temperature is high and the pressure is high, the interdiffusion proceeds positively and the holding time is short.

しかし、拡散接合によるイオン源電極板の接合では、接合を容易とする接合面の精度、例えば面粗さを5S以下に保つようにしたとき、機械加工後にバフ研磨が必要となり、また、その平坦度、さらには清浄度を保つためには加工中及び加工後の保管にも注意が必要である。特に、イオン源電極板の板厚は、例えば約3〜10mmと薄く、この部材の接合面全体を均一に加圧し、かつ溝の変形を抑えながら加圧力を制御することは難しい。その装置を作るとしても非常に複雑かつ高価な設備となる。このような拡散接合では製造コストが高く、その信頼性は低く、イオン源電極板のような大面積となると、接合面全域にわたる均一な接合は困難と考えられる。   However, in ion source electrode plate bonding by diffusion bonding, when the accuracy of the bonding surface that facilitates bonding, for example, the surface roughness is maintained at 5S or less, buffing is required after machining, and the flatness In order to maintain the degree of cleanliness, and also cleanliness, care must be taken during storage and after processing. In particular, the plate thickness of the ion source electrode plate is as thin as about 3 to 10 mm, for example, and it is difficult to control the pressure while uniformly pressing the entire joint surface of this member and suppressing the deformation of the groove. Even if the device is made, it becomes a very complicated and expensive facility. Such diffusion bonding has a high manufacturing cost, its reliability is low, and when the area is large like an ion source electrode plate, uniform bonding over the entire bonding surface is considered difficult.

また、上記(4)の方法により製造されたイオン源電極は、共晶反応を利用した拡散接合で一体化するものであり、その特徴は共晶反応により生成する液晶を利用することであり、比較的小さい圧力を作用させた状態で拡散接合が可能になる。   The ion source electrode manufactured by the method of (4) is integrated by diffusion bonding using a eutectic reaction, and the feature is that it uses a liquid crystal generated by the eutectic reaction. Diffusion bonding is possible with a relatively small pressure applied.

しかし、拡散接合で各部材を一体化するには、拡散接合あるいは共晶反応が起る温度域まで全ての部材を加熱する必要がある。この方法では、接合面に平坦な面が得られず加熱状態で接合面の密着が充分でない場合には、共晶反応は起らず、液相が生成しないので、そこに欠陥であるボイドが発生する可能性がある。   However, in order to integrate the members by diffusion bonding, it is necessary to heat all the members to a temperature range where diffusion bonding or a eutectic reaction occurs. In this method, when a flat surface is not obtained on the bonding surface and the bonding surface is not sufficiently adhered in the heated state, no eutectic reaction occurs and no liquid phase is generated. May occur.

一方、この方法は上述した(1)〜(3)の方法による電極板の接合において述べたと同様な問題に直面する可能性がある。すなわち、拡散接合によるイオン源電極では接合を容易にする接合面の精度、例えば面粗さを5S以下に保つようにしたとき、機械加工後にバフ研磨が必要であり、さらにこうした工程を得た後でも、平坦度及び静浄度を保ち続けるように保管に注意しなければならない。   On the other hand, this method may face the same problem as described in the joining of the electrode plates by the methods (1) to (3) described above. That is, in the ion source electrode by diffusion bonding, when the accuracy of the bonding surface for facilitating the bonding, for example, the surface roughness is kept at 5S or less, buffing is necessary after machining, and after such a process is obtained. But care must be taken to keep flatness and cleanliness.

本発明は上記のような事情に鑑みてなされたもので、冷却効率が高く、且つ耐食性に優れ、寿命の長いイオン源電極を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide an ion source electrode having high cooling efficiency, excellent corrosion resistance, and a long lifetime.

本発明は上記の目的を達成するため、次のような手段によりイオン源電極を構成するものである。 In order to achieve the above object, the present invention comprises an ion source electrode by the following means .

請求項1に対応する発明は、平板と冷却溝を設けた溝付き平板とを接合した構造のイオン源電極において、前記平板と溝付き平板のそれぞれの接合面及び溝付き平板の溝内部にパウダー状のろう材を塗布して加熱溶融し溶融したろう材を切削成形して0.1〜0.2mm厚さのバリヤを形成し、これらのバリヤを形成した平板及び溝付き平板を前記バリヤを介して接合して一体化したものである。
According to a first aspect of the present invention, there is provided an ion source electrode having a structure in which a flat plate and a grooved flat plate provided with a cooling groove are joined together. A brazing material is applied and melted by heating, and the molten brazing material is cut and formed to form barriers having a thickness of 0.1 to 0.2 mm. Are joined and integrated.

請求項2に対応する発明は、請求項1に対応する発明のイオン源電極において、前記平板及び溝付き平板は、モリブデンもしくはタンタルを主成分とする材料で構成されるAccording to a second aspect of the present invention, in the ion source electrode according to the first aspect of the present invention, the flat plate and the grooved flat plate are made of a material mainly composed of molybdenum or tantalum .

本発明によれば、冷却効率が高く、かつ溶融層により耐食性が優れ、冷却水の漏水の危険が少なく、冷却効率の高いイオン源電極を得ることができる。   According to the present invention, it is possible to obtain an ion source electrode having high cooling efficiency, excellent corrosion resistance due to the molten layer, less risk of cooling water leakage, and high cooling efficiency.

以下本発明の実施形態について図面を参照して説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

図1は本発明の第1の実施形態に係るイオン源電極を構成する製作前の部品形状を示す図であり、図2及び図3はその製造工程を示す図である。   FIG. 1 is a diagram showing the shape of a part before production constituting the ion source electrode according to the first embodiment of the present invention, and FIGS. 2 and 3 are diagrams showing the production process.

このイオン源電極の製造方法としては、図1(a),(b)に示すようにモリブデンからなる平板1と幅及び深さがそれぞれ約2mmの複数の溝2を互いに平行かつ所定の間隔を存して形成したモリブデンからなる溝付きの平板3を製作する。   As a method for manufacturing this ion source electrode, as shown in FIGS. 1A and 1B, a flat plate 1 made of molybdenum and a plurality of grooves 2 each having a width and a depth of about 2 mm are parallel to each other at a predetermined interval. A grooved flat plate 3 made of molybdenum is formed.

次に、図2に示すように平板1の一面及び溝付き平板3の一面並びに溝内部に、ニッケルろうのパウダー4,5を塗布し、ヒータ6を内蔵した真空炉7内に挿入する。その後、ニッケルろうのパウダー4,5を塗布した平板1及び溝付き平板3を排気ポンプ8により10-2Pa以下の真空雰囲気内で、ろう材が溶融する温度である1050〜1100℃まで加熱し、10分以上保持する。 Next, as shown in FIG. 2, nickel brazing powder 4, 5 is applied to one surface of the flat plate 1, one surface of the grooved flat plate 3, and the inside of the groove, and inserted into a vacuum furnace 7 in which a heater 6 is built. After that, the flat plate 1 and the grooved flat plate 3 coated with nickel brazing powder 4 and 5 are heated by an exhaust pump 8 to 1050 to 1100 ° C. which is a temperature at which the brazing material melts in a vacuum atmosphere of 10 −2 Pa or less. Hold for at least 10 minutes.

その後、これら平板1及び溝付き平板3を真空炉7から取り出し、平板1の一面(接合面)と溝付き平板3の一面(接合面)とを接合後、冷却孔となる溝内部の溶融したろう材を、機械加工することによりバリヤ9,10が形成された所定の形状の溝11及び平面に仕上げる。特に本実施形態では、バリヤ9,10の厚みとして0.1〜0.2mm程度の厚みを目標にして切削加工し、所定の厚みを得ると共に、その後の工程である接合ができるように平面仕上げにも細心の注意を払いながら機械加工を施した。   Thereafter, the flat plate 1 and the grooved flat plate 3 are taken out from the vacuum furnace 7, and after joining one surface (joint surface) of the flat plate 1 and one surface (joint surface) of the grooved flat plate 3, the inside of the groove serving as a cooling hole is melted. The brazing material is machined to finish the groove 11 and the flat surface in which the barriers 9 and 10 are formed. In particular, in the present embodiment, the barriers 9 and 10 are cut to a thickness of about 0.1 to 0.2 mm as a target to obtain a predetermined thickness, and the flat finish is performed so that the subsequent bonding can be performed. In addition, machining was performed with great care.

このようにして所定の平面度が得られた平板1及び溝付き平板3を、図3に示すような構成で真空炉7内に重ね合せてセットし、所定の重しなどを用いて真空雰囲気中で加熱することで、平板1及び溝付き平板3のバリヤ9,10を介して接合し一体化する。   The flat plate 1 and the grooved flat plate 3 having a predetermined flatness in this way are set so as to overlap each other in the vacuum furnace 7 with the configuration shown in FIG. 3, and a vacuum atmosphere is used using a predetermined weight or the like. By heating inside, it joins and integrates through the barriers 9 and 10 of the flat plate 1 and the grooved flat plate 3.

なお、加熱温度などの接合条件は、バリヤの生成温度と同程度の1050〜1100℃、加熱時間10分以上で行った。   The bonding conditions such as the heating temperature were 1050 to 1100 ° C., which is the same as the barrier generation temperature, and the heating time was 10 minutes or more.

図4は、平板1及び溝付き平板3をバリヤ9,10を介して接合した後に、イオンビームの引き出し孔用のビーム穴12をNC加工機で加工した後のイオン源電極の断面図を示す。   FIG. 4 shows a cross-sectional view of the ion source electrode after the flat plate 1 and the grooved flat plate 3 are joined through the barriers 9 and 10 and then the beam hole 12 for extracting the ion beam is processed by the NC processing machine. .

図4において、一点鎖線は溶融層を介して接合した平板1及び溝付き平板3の接合面14を示し、また平板1及び溝付き平板3を接合し、一体化したことで得られた冷却孔12をそれぞれ示している。   In FIG. 4, the alternate long and short dash line indicates the joining surface 14 of the flat plate 1 and the grooved flat plate 3 joined through the molten layer, and the cooling hole obtained by joining and integrating the flat plate 1 and the grooved flat plate 3. 12 respectively.

このような方法でイオン源電極を製造すれば、図4の断面図に示すように冷却孔13に純水を通水することで冷却効率を高めることができるので、ビーム反射による高熱負荷の試験運転にもビーム穴12の寸法変化もなく、また、冷却孔13はバリヤで覆われており、モリブデン材が直接接することがないために純水の冷却媒体による腐食による冷却水の漏洩の心配はない。したがって、高熱負荷運転が想定されるモリブデンからなるイオン源電極に対する信頼性が高めることができると共に、耐熱性及び長寿命化を図ることができる。   If the ion source electrode is manufactured by such a method, the cooling efficiency can be increased by passing pure water through the cooling hole 13 as shown in the sectional view of FIG. There is no change in the dimensions of the beam hole 12 during operation, and the cooling hole 13 is covered with a barrier, and the molybdenum material is not in direct contact, so there is no concern about leakage of cooling water due to corrosion by pure water cooling medium. Absent. Therefore, it is possible to improve the reliability of the ion source electrode made of molybdenum, which is assumed to be operated at a high heat load, and to achieve heat resistance and long life.

なお、本実施形態では、溶融層の生成にニッケルろうを用いた方法について説明したが、ニッケルろう以外にも金ろう、チタン入り銀ろう、パラジウムろうなどを用いても、モリブデンとのぬれ性および反応性から見て、同様の作用効果が得られる。   In the present embodiment, a method using nickel brazing for producing a molten layer has been described. However, in addition to nickel brazing, wetting with molybdenum can be achieved by using gold brazing, titanium brazing silver brazing, palladium brazing, and the like. Similar effects can be obtained from the viewpoint of reactivity.

このように本発明の第1の実施形態では、強制冷却タイプのモリブデンからなるイオン源電極は平板1及び溝付き平板3のそれぞれの接合面と溝付き平板3の溝内面にモリブデンと反応性のよい金属でバリヤが形成されているので、冷却媒体の純水がモリブデン材と直接接することがない。このため、モリブデン材の冷却水による腐食がなくなるので、従来の拡散接合タイプのモリブデン電極と比較して、長寿命化が実現できる。また、製造方法としては大型かつ特殊な接合装置を必要とした拡散接合方式と比較して、真空炉などの装置のみを用いた簡便な製造方法により、信頼性の高いイオン電極を安価に製作できる。   As described above, in the first embodiment of the present invention, the ion source electrode made of forced cooling type molybdenum is reactive with molybdenum on the joint surfaces of the flat plate 1 and the grooved flat plate 3 and the groove inner surface of the grooved flat plate 3. Since the barrier is formed of a good metal, the pure water of the cooling medium does not come into direct contact with the molybdenum material. For this reason, corrosion of the molybdenum material due to cooling water is eliminated, so that a longer life can be realized as compared with a conventional diffusion bonding type molybdenum electrode. In addition, as compared with a diffusion bonding method that requires a large and special bonding device as a manufacturing method, a highly reliable ion electrode can be manufactured at low cost by a simple manufacturing method using only a device such as a vacuum furnace. .

図5は本発明の第2の実施形態を説明するためのイオン電極を構成する部品の断面図である。   FIG. 5 is a cross-sectional view of parts constituting an ion electrode for explaining a second embodiment of the present invention.

第2の実施形態では、熱膨張係数の小さい金属と純水に対して耐食性の高い金属とを真空中で圧延したクラッド材からなる2枚の平板を用い、その一方の平板に耐食性に優れた金属の厚み以下の溝加工を施して溝付き平板とし、これら平板及び溝付き平板を真空炉中または雰囲気ガス中で接合して一体化し、イオン電極を製造する。   In the second embodiment, two flat plates made of a clad material obtained by rolling a metal having a small thermal expansion coefficient and a metal having high corrosion resistance with respect to pure water in a vacuum are used, and one of the flat plates has excellent corrosion resistance. Grooving is performed below the thickness of the metal to form a grooved flat plate, and the flat plate and the grooved flat plate are joined and integrated in a vacuum furnace or atmospheric gas to produce an ion electrode.

ここで、上記イオン電極板の製造方法を図5(a),(b)により具体的に説明する。   Here, the manufacturing method of the said ion electrode plate is demonstrated concretely with FIG. 5 (a), (b).

図5(a),(b)に示すように、熱膨張係数の小さい金属であるモリブデンからなる板厚の異なる平板15,16に、純水に対して耐食性が高いニッケルからなる厚みの異なる平板17,18を図示しない真空圧延装置を用いて真空雰囲気中で圧延し、これら平板15と17、平板16と18をそれぞれ接合して一体化し、モリブデン及びニッケルからなる2層構成のクラッド材19,20を製作する。   As shown in FIGS. 5A and 5B, flat plates 15 and 16 made of molybdenum, which is a metal having a small thermal expansion coefficient, have different thicknesses, and flat plates made of nickel having high corrosion resistance against pure water. 17 and 18 are rolled in a vacuum atmosphere using a vacuum rolling apparatus (not shown), and the flat plates 15 and 17 and the flat plates 16 and 18 are joined and integrated, respectively, and a clad material 19 composed of molybdenum and nickel is formed. 20 is produced.

このモリブデン及びニッケルからなるクラッド材19,20として、それぞれ図5(a)のクラッド材19はモリブデンが0.3mm、ニッケルが0.2mmでトータル板厚が0.5mmであり、また図5(b)のクラッド材20はイオン源電極の冷却孔用の溝加工を施すためにモリブデンが0.8mm、ニッケルが0.7mmでトータル板厚が1.5mmである。   As the clad materials 19 and 20 made of molybdenum and nickel, the clad material 19 shown in FIG. 5 (a) is 0.3 mm in molybdenum, 0.2 mm in nickel, and 0.5 mm in total plate thickness. The clad material 20 of b) is 0.8 mm of molybdenum, 0.7 mm of nickel and 1.5 mm in total plate thickness in order to perform groove processing for cooling holes of the ion source electrode.

図5(b)に示すクラッド材20に対して、ニッケル側に幅2mm、深さ0.5mmの冷却溝21を約20mmのピッチで加工する。   With respect to the clad material 20 shown in FIG. 5B, cooling grooves 21 having a width of 2 mm and a depth of 0.5 mm are processed at a pitch of about 20 mm on the nickel side.

図6は、イオン源の冷却孔となる溝加工を施した後のクラッド材20の断面図である。   FIG. 6 is a cross-sectional view of the clad material 20 after performing the groove processing that becomes the cooling hole of the ion source.

このように溝加工を施したクラッド材20と図5(a)に示すクラッド材19とを接合するために、それぞれのクラッド材19,20を重ね合せ、図2或いは図3に示したような真空炉内で、チタン入り銀ろう或いは比較的低温のろう材であるインジウムが入ったチタン入り銀ろうなどのろう材を用いて真空ろう付けを行い、平板のクラッド材19と溝付きクラッド材20とを接合し一体化させて図7に示す冷却孔23を有するイオン源電極を製作する。   In order to join the clad material 20 thus grooved with the clad material 19 shown in FIG. 5 (a), the clad materials 19 and 20 are overlapped, as shown in FIG. 2 or FIG. In a vacuum furnace, vacuum brazing is performed using a brazing material such as titanium brazing silver brazing or titanium brazing silver brazing containing indium, which is a relatively low temperature brazing material, and a flat clad material 19 and a grooved clad material 20. Are joined and integrated to produce an ion source electrode having a cooling hole 23 shown in FIG.

その後、さらに第1の実施形態で示した図4に示すイオン源電極の断面図と同様、図示しないがイオンビームの引き出し孔用のビーム孔12をNC加工機で加工し、所定の構造及び形状であるイオン源電極に仕上げる。   Thereafter, similarly to the cross-sectional view of the ion source electrode shown in FIG. 4 shown in the first embodiment, although not shown, the beam hole 12 for extracting the ion beam is processed by an NC processing machine to obtain a predetermined structure and shape. The ion source electrode is finished.

このように図5(a)に示すモリブデン及びニッケルからなるクラッド材19と図6に示すニッケル側に溝21を加工したモリブデン及びニッケルからなるクラッド材20を真空炉内で接合し、一体化したイオン源電極は、冷却孔に純水を通水して冷却効率を高めることで、ビーム照射による高熱負荷の試験運転にもビーム孔の寸法変化もなく、また、冷却孔は耐食性に優れるニッケルで覆われているので、モリブデンが直接純水と接することがなく、腐食による冷却水の漏洩の心配がなくなる。したがって、高熱負荷運転が想定されるモリブデン製イオン源電極の信頼性を向上させることができると共に、長寿命化を図ることができる。   Thus, the clad material 19 made of molybdenum and nickel shown in FIG. 5 (a) and the clad material 20 made of molybdenum and nickel with grooves 21 processed on the nickel side shown in FIG. 6 were joined and integrated in a vacuum furnace. The ion source electrode is made of nickel with excellent corrosion resistance. Since it is covered, molybdenum does not come into direct contact with pure water, and there is no risk of leakage of cooling water due to corrosion. Therefore, it is possible to improve the reliability of the molybdenum ion source electrode assumed to operate at a high heat load, and to extend the life.

また、耐熱性及び耐食性に優れるモリブデン及びニッケルからなるクラッド材は、真空圧延により製造されるため、モリブデンとニッケルの接合性及び圧延クラッドの実績から見てその信頼性に優れており、イオン源電極の信頼性も向上する。   In addition, since the clad material made of molybdenum and nickel, which is excellent in heat resistance and corrosion resistance, is manufactured by vacuum rolling, it has excellent reliability from the viewpoint of the bondability of molybdenum and nickel and the results of rolling clad. Reliability is also improved.

なお、本実施形態では、モリブデンとニッケルのクラッド材を用いたが、耐熱性及び耐食性を有する金属の組合せであれば、モリブデンとニッケルの組合せに限定されるものではない。例えば、モリブデンと銅のクラッド材でもモリブデンとニッケルの組合せと同様の作用効果を得ることができる。   In this embodiment, the clad material of molybdenum and nickel is used. However, the present invention is not limited to the combination of molybdenum and nickel as long as it is a combination of metals having heat resistance and corrosion resistance. For example, the same effect as the combination of molybdenum and nickel can be obtained with a clad material of molybdenum and copper.

また、モリブデンとニッケルなどのクラッド材は、HIP(熱間等方圧加圧)による製造方法でも、接合の信頼性は高く、そのクラッド材を用いても本実施形態と同様の耐熱性、耐食性に優れたイオン源電極を得ることができる。   Also, clad materials such as molybdenum and nickel have high bonding reliability even in a manufacturing method using HIP (hot isostatic pressing), and even if the clad material is used, the same heat resistance and corrosion resistance as in this embodiment. Can be obtained.

このように本発明の第2の実施形態では、強制冷却タイプのモリブデン製イオン源電極板は冷却媒体の純水がモリブデンと材と直接接することがないので、モリブデン材の冷却水による腐食がなく、従来の拡散接合タイプのモリブデン電極と比較して、長寿命化を図ることができる。また、製造方法としては大型かつ特殊な接合装置を必要とした拡散接合方式と比較して、真空炉などの簡易な装置のみで信頼性の高いイオン電極を簡便な方法で安価に製造することができる。   As described above, in the second embodiment of the present invention, the forced cooling type molybdenum ion source electrode plate does not directly contact the molybdenum and the material with pure water of the cooling medium, so that the molybdenum material is not corroded by the cooling water. As compared with the conventional diffusion bonding type molybdenum electrode, the life can be extended. In addition, as compared with the diffusion bonding method that requires a large and special bonding device as a manufacturing method, a highly reliable ion electrode can be manufactured at a low cost by a simple method using only a simple device such as a vacuum furnace. it can.

本発明の第1の実施形態に係るイオン源電極板を構成する製作前の部品を示す断面図。Sectional drawing which shows the components before manufacture which comprise the ion source electrode plate which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 同実施形態において、イオン源電極板の途中までの製造工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the manufacturing process to the middle of the ion source electrode plate in the embodiment. 同実施形態において、イオン源電極板の最終の製造工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the last manufacturing process of an ion source electrode plate in the embodiment. 同実施形態のイオン源電極を示す断面図Sectional drawing which shows the ion source electrode of the embodiment 本発明の第2の実施形態に係るイオン源電極を構成する製作前の部品を示す断面図。Sectional drawing which shows the components before manufacture which comprise the ion source electrode which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 同実施形態において、イオン源電極板の途中までの製造工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the manufacturing process to the middle of the ion source electrode plate in the embodiment. 同実施形態において、イオン源電極板の最終の製造工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the last manufacturing process of an ion source electrode plate in the embodiment. 中性粒子入射装置の概略構成を示す断面図。Sectional drawing which shows schematic structure of a neutral particle injection apparatus. 従来のイオン源電極板を示す断面図。Sectional drawing which shows the conventional ion source electrode plate.

符号の説明Explanation of symbols

1…平板、2…溝、3…溝付き平板、4,5…パウダー、6…ヒータ、7…真空炉、8…排気ポンプ、9,10…バリヤ、11…冷却孔溝、12…ビーム穴、13…冷却孔、14…接合面、15…モリブデン平板、16,18…ニッケル平板、17…モリブデン、19,20…クラッド材、21…冷却溝、23…冷却孔   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Flat plate, 2 ... Groove, 3 ... Flat plate with groove, 4, 5 ... Powder, 6 ... Heater, 7 ... Vacuum furnace, 8 ... Exhaust pump, 9, 10 ... Barrier, 11 ... Cooling hole groove, 12 ... Beam hole , 13 ... cooling hole, 14 ... joint surface, 15 ... molybdenum plate, 16, 18 ... nickel plate, 17 ... molybdenum, 19, 20 ... cladding material, 21 ... cooling groove, 23 ... cooling hole

Claims (2)

平板と冷却溝を設けた溝付き平板とを接合した構造のイオン源電極において、
前記平板と溝付き平板のそれぞれの接合面及び溝付き平板の溝内部にパウダー状のろう材を塗布して加熱溶融し溶融したろう材を切削成形して0.1〜0.2mm厚さのバリヤを形成し、これらのバリヤを形成した平板及び溝付き平板を前記バリヤを介して接合して一体化したことを特徴とするイオン源電極。
In an ion source electrode having a structure in which a flat plate and a grooved flat plate provided with a cooling groove are joined,
Wherein the powdery brazing material is heated and melted by applying the groove within each of the joint surface and the grooved flat plate of the flat plate and the grooved flat plate, 0.1 to 0.2 mm thickness by cutting shaping the molten brazing material An ion source electrode comprising: a barrier plate, and a flat plate having grooves and a flat plate with grooves joined together through the barrier.
請求項1記載のイオン源電極において、
前記平板及び溝付き平板は、モリブデンもしくはタンタルを主成分とする材料で構成したことを特徴とするイオン源電極。
The ion source electrode according to claim 1.
The ion source electrode according to claim 1, wherein the flat plate and the grooved flat plate are made of a material mainly composed of molybdenum or tantalum.
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