JP5787902B2 - 絶縁層付きセラミック構造体、金属体付きセラミック構造体、荷電粒子線出射装置、および絶縁層付きセラミック構造体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、絶縁層付きセラミック構造体、金属体付きセラミック構造体、荷電粒子線出射装置、および絶縁層付きセラミック構造体の製造方法に関する。

例えば、荷電粒子線出射装置において荷電粒子を加速するための加速部材や、荷電粒子の方向を制御するための偏向部材等には、セラミック体の表面に複数の電極が設けられた、金属体付きセラミック部材が用いられている。かかる金属体付きセラミック部材では、金属体に電圧が印加された際、金属体間で起こる電荷の蓄積（チャージアップ）が必要以上に大きくなると、蓄積した電荷が一気に流れ出す電子雪崩によって大電流が発生し、加速部材や偏向部材自体の動作不良や損傷に繋がる虞がある。特許文献１（特開２００５−１９０８５３号公報）には、偏向部材に適した金属体付きセラミック部材として、適度な導電性を有する（半導電性を有する）セラミック体を用いた、金属体付きセラミック部材が提案されている。特許文献１では、セラミック部材として、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）にチタン（Ｔｉ）を含有させた、表面抵抗率が１０^４〜１０^１０Ω／□程度の半導電性のセラミック体を提案している。特許文献１では、具体的には、チタン酸アルミニウム（Ａｌ_２ＴｉＯ_５）の粉末を酸化アルミニウムの粉末に混合させた混合粉末を成形した後に焼結し、酸化アルミニウムの粒界に、αアルミナとの反応生成物であるＡｌ_２ＴｉＯ_５が均一に分散して固溶した状態の焼結体を得ている。その後、この焼結体を還元雰囲気で焼成して、この均一に分散されたＡｌ_２ＴｉＯ_５の一部を還元して酸素欠乏チタン酸化物とし、１０^４〜１０^１０Ω／□程度の表面抵抗率を有する半導電性のセラミック体を得ている。

半導電性のセラミック部材に金属体が設けられた、金属体付きセラミック部材は、例えば電子源用加速管の電圧端子、Ｘ線管用絶縁碍子など、比較的高い電圧が印加される部材に適用されている。特許文献１記載の半導電性セラミック体では、セラミック体の表面全体が還元処理されており、表面全体が１０^４〜１０^１０Ω／□程度の低い表面抵抗率となっている。このような特許文献１の半導電性セラミック体では、表面全体の抵抗率が一様に低いので、セラミック体自体に定常的に流れる電流が、比較的大きくなり過ぎる場合があった。また、特許文献１記載の半導電性セラミック体は、還元処理されたセラミック体が、比較的真空度の低い雰囲気に曝されており、セラミック体の表面に付着した水分やガス成分によって表面の抵抗率がさらに小さくなり、高い電圧が印加された際にリーク電流が発生し易いといった課題もあった。本発明は、かかる課題を解決するためになされたものである。

上記課題を解決するために、本発明は、酸化アルミニウムの結晶相、およびチタン酸アルミニウムの結晶相を含有するセラミック体と、前記セラミック体の表面に設けられた、酸化珪素を主成分として含む絶縁層とを有する絶縁層付きセラミック構造体であって、前記セラミック体は、前記絶縁層によって被覆された第１表面部分を備える第１の領域と、前記第１の領域以外に配置された、表面抵抗率が１×１０^６〜１×１０^９Ω／□である第２の領域とを有し、前記第１の領域の表面抵抗率は、前記第２の領域の表面抵抗率よりも高く、前記セラミック体は、一方端面と、他方端面と、前記一方端面および前記他方端面の間を貫通した貫通孔とを有する円筒形状であり、前記第１の領域が、前記セラミック体の外周面の、前記一方端面および前記他方端面の間の中央領域に配置され、前記第２の領域は、前記セラミック体の前記一方端面および前記他方端面の間で前記貫通孔の内周面を経て連続していることを特徴とする絶縁層付きセラミック構造体を提供する。

また、前記絶縁層付きセラミック構造体と、前記セラミック体の前記一方端面に接合された第１の金属体と、前記セラミック体の前記他方端面に接合された第２の金属体とを有することを特徴とする金属体付きセラミック構造体を提供する。

また、前記金属体付きセラミック構造体と、前記金属体付きセラミック構造体の前記貫通孔を通過するように荷電粒子線を出射する荷電粒子線出射手段と、前記第１の金属体と前記第２の金属体とに接続された、前記第１の金属体と前記第２の金属体との間に前記荷電粒子線を加速するための電位差を与えるための電圧印加手段とを備えることを特徴とする荷電粒子線出射装置を提供する。

また併せて、酸化アルミニウムを主成分とする第１の粉末と、チタン酸アルミニウムを主成分とする第２の粉末との混合物を成形し、得られた成形体を焼成した後、得られた焼成体の表面の一部に、酸化珪素を主成分として含む還元抑制層を形成し、得られた還元抑制層付き焼成体を還元雰囲気にて還元焼成することで、前記還元抑制層が焼成された、酸化珪素を主成分として含む絶縁層と、酸化アルミニウムの結晶相およびチタン酸アルミニウムの結晶相を含有するセラミック体とを有する絶縁層付きセラミック構造体であって、前記セラミック体が、前記絶縁層によって被覆された第１表面部分を備える第１の領域と、前記第１の領域以外に配置された、表面抵抗率が１×１０^６〜１×１０^９Ω／□である第２の領域とを有し、前記第１の領域の表面抵抗率が、前記第２の領域の表面抵抗率よりも高い絶縁層付きセラミック構造体を得ることを特徴とする絶縁層付きセラミック構造体の製造方法を、併せて提供する。

本発明の絶縁層付きセラミック構造体、金属体付きセラミック構造体、および荷電粒子線出射装置では、セラミック体に高い電圧が印加された場合であっても、セラミック体の表面部分における過度なリーク電流の発生が抑制される。また、本発明のセラミック構造体の製造方法では、セラミック体の表面部分における過度なリーク電流の発生が抑制されるセラミック構造体を、比較的少ないコストで製造することができる。

（ａ）は、本発明の絶縁層付きセラミック構造体の一実施形態の概略斜視図、（ｂ）は（ａ）に示す絶縁層付きセラミック構造体の概略断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明の絶縁層付きセラミック構造体の製造方法の一実施形態について説明する概略断面図である。 図１に示す絶縁層付きセラミック構造体における、金属体の近傍を拡大して示す概略断面図である。 本発明の絶縁層付きセラミック構造体を用いて構成された、荷電粒子線出射装置の概略断面図である。 表面抵抗率が１×１０^６〜１×１０^９Ω／□である第２の領域と、前記第２の領域の表面抵率よりも高い表面抵抗率を有する第１の領域とを有するセラミック体の他の例の概略断面図である。 図５に示すセラミック体の製造方法の一実施形態について説明する概略断面図である。

以下に、添付の図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１（ａ）は、本発明の金属体付きセラミック構造体の一実施形態である、荷電粒子加速用部材１０（以降、加速部材１０とする）の概略斜視図であり、図１（ｂ）は加速部材１０の概略概略図である。加速部材１０は、本発明の絶縁層付きセラミック構造体の一実施形態である、絶縁層付きセラミック構造体１１（以降、セラミック構造体１１とする）と、第１の金属体１４ａと、第２の金属体１４ｂとを備えて構成されている。セラミック構造体１１は、セラミック体１２と絶縁層１５とを備えている。セラミック構造体１１と第１の金属体１４ａとは、第１の接合層１８ａを介して接合されており、セラミック構造体１１と第２の金属体１４ｂとは、第２の接合層１８ｂを介して接合されている。

セラミック体１２は、酸化アルミニウムの結晶相、およびチタン酸アルミニウムの結晶相を含有する。なお、セラミック体は、酸化アルミニウムの結晶相を含有するのみでなく、第３遷移元素（Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ）および第４遷移元素（Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ）から選ばれた少なくとも１種以上の特定遷移元素の酸化物をさらに含有するものであってもよい。

セラミック体１２は、絶縁層１５によって被覆された第１の領域１３ａと、第１の領域１３ａ以外に配置された、表面抵抗率が１×１０^６〜１×１０^９Ω／□である第２の領域１３ｂとを有する。第１の領域１３ａの表面抵抗率は、第２の領域１３ｂの表面抵抗率よりも高い。セラミック体１２は、一方端面１２Ａと、他方端面１２Ｂと、一方端面１２Ａおよび他方端面１２Ｂの間を貫通した貫通孔１７とを有する円筒形状である。第１の領域１３ａは、セラミック体１２の外周面１２Ｃの、一方端面１２Ａおよび他方端面１２Ｂの間の中央領域に配置され、第２の領域１３ｂは、セラミック体１２の一方端面１２Ａおよび他方端面１２Ｂの間で貫通孔１７の内周面を経て連続している。

絶縁層１５は、酸化珪素を主成分とした層であり、表面抵抗率および体積固有抵抗が、第１の領域１３ａより高くなっている。絶縁層１５が被覆された状態で、第１の領域１３ａと絶縁層１５とを合わせた表面抵抗率は、例えば１×１０^１０〜１×１０^１４Ω／□となっている。なお、本明細書における表面抵抗率の大きさは、例えばＡｇｉｌｅｎｔ社製Ｈｉｇｈ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ Ｍｅｔｅｒ ４３３９Ｂを用い、印加電圧ＤＣ１ｋＶの条件で測定した値である。

セラミック体１２は、第１の領域１３ａも第２の領域１３ｂも、比較的高い表面抵抗率を有し、例えば第１の金属体１４ａおよび第２の金属体１４ｂの間に比較的高い電圧を印加した場合であっても、セラミック体１２の表面を流れるリーク電流は小さくされている。

また、本実施形態のセラミック体１２は、第１の領域１３ａに比べて表面抵抗率が低い第２の領域１３ｂが、貫通孔１７の内面に露出し、セラミック体１２の一方端面１２Ａおよび他方端面１２Ｂの間で貫通孔１７の内周面を経て連続している。すなわち、貫通孔１７の内周面の全体には、適度な導電性を有する第２の領域１３ｂが露出しており、この第２の領域１３ｂが、一方端面１２Ａに設けられた金属体１４Ａと電気的に接合するとともに、他方端面１２Ｂに設けられた金属体１４Ｂと電気的に接続している。このため、貫通孔１７の内周面に到達した陽イオンや電子による電荷は、貫通孔１７の内周面に長時間留まることなく、比較的早く金属体１４ａまたは金属体１４ｂまで移動し、金属体１４ａまたは金属体１４ｂからごく微量な電流として逃げていく。このため、例えばセラミック体１２の貫通孔１７に荷電粒子を通した場合でも、この荷電粒子によって発生したイオン等が、セラミック体１２の貫通孔１７の内周面に到達して長時間留まり、貫通孔１７の内周面に大きな電荷が蓄積されることが抑制されている。

セラミック体１２は、また、第１の領域１３ａが、セラミック体１２の外周面の、一方端面１２Ａおよび他方端面１２Ｂの間の中央領域に配置され、第１の領域１３ａは絶縁層１５によって被覆されている。加速部材１０は例えば、貫通孔１７に荷電粒子を通してこの荷電粒子を加速する、荷電粒子線出射装置の加速部材等に用いられる。セラミック体１２の外周面は、貫通孔１７の内周面に比べて、真空度が低い雰囲気に曝されることが多い。セラミック体１２の外周面に水分や気体分子が付着すると、その部分で抵抗率が極端に低減して、外周面に露出した第１の領域１３ａの表面を介してリーク電流が流れることがある。セラミック体１２では、第１の領域１３ａ全体が絶縁層１５で被覆されており、水分やガス分子などの不純物が付着することが抑制されており、水分やガスに起因した外周面でのリーク電流が抑制されている。

このように、セラミック体１２を備えて構成された加速部材１０では、第１の金属体１４ａおよび第２の金属体１４ｂの間に比較的高い電圧を印加した場合であっても、セラミック体１２の表面の帯電を抑制することができ、帯電による絶縁破壊に伴うリーク電流も抑制することができる。

本実施形態のセラミック体１２は、アルミニウム（Ａｌ）をＡｌ_２Ｏ_３換算で６８〜９８質量％含有し、かつチタン（Ｔｉ）を酸化物換算で２〜３２質量％含有している。セラミック体１２は、酸化アルミニウムを主成分とする結晶相２１ａ（図３を参照）、およびチタン酸アルミニウムを主成分とする結晶相２１ｂ（図３を参照）をそれぞれ含んで構成されている。ここで、チタン酸アルミニウムまたは酸化チタンに含まれるチタンは、平均の原子価が４未満であることが好ましい。チタン酸アルミニウムおよび酸化チタンは、完全に酸化された状態、例えば化学式でＡｌ_２ＴｉＯ_５、ＴｉＯ_２からなる場合は、通常絶縁体であるが、チタンの原子価が４以下（酸素欠乏チタン酸化物）であると電気抵抗が低下する。セラミック体１２において、第１の領域１３ａおよび第２の領域１３ｂは、チタンの原子価が４以下（酸素欠乏チタン酸化物）である結晶相が含有されており、セラミック体１２は半導電性とされている。

また、セラミック体１２は、α−アルミナ（酸化アルミニウムをアルミナともいう）を主成分とし、半導電性結晶としてチタン酸アルミウムＡｌ_２ＴｉＯ_５−ｘ（ｘは０より大きく５より小さい）の結晶相を含むことがさらに好ましい。この場合には、絶縁破壊し難いα−アルミナを主成分とするので、セラミック体１２がより絶縁破壊しにくくなる。ここで、耐絶縁性を向上するには、セラミック体１２に含まれるα−アルミナは７０〜８５質量％、チタン酸アルミニウムＡｌ_２ＴｉＯ_５−ｘが１５〜３０質量％であることが好ましい。

第１の領域１３ａと第２の領域１３ｂとは、酸素欠乏チタン酸化物の含有割合が異なっており、第１の領域１３ａに対して第２の領域１３ｂの方が、酸素欠乏チタン酸化物の含有割合がより多くなっている。第２の領域１３ｂは、例えば、還元雰囲気下での熱処理を経て形成することができる。即ち、チタン酸アルミニウム粉末をアルミナ粉末に含めたものを成形、焼成することで形成された、第１の領域１３ａと同様の表面部分について、Ａｌ_２ＴｉＯ_５やＡｌ_２ＴｉＯ_５−ｘを還元雰囲気でさらに熱処理して、酸素欠乏チタン酸化物の割合を多くすることで、第２の領域１３ｂを形成することができる。還元は、表面から内部に向けて進行するので、セラミック体１２の表面から内部に向けて、酸素欠乏チタン酸化物の含有量が漸減している。酸素欠乏チタン酸化物の含有量は、例えばＸ線回折またはオージェ電子分光分析によって、焼結体内のＴｉ^４＋量とＴｉ^３＋量との合計を求めることで、確認することができる。

セラミック構造体１１は、例えば以下のように製造することができる。図２（ａ）〜（ｃ）は、セラミック構造体１１の製造方法の一実施形態について説明する概略断面図である。まず、高純度のアルミナ粉末６８〜９９質量％と、酸化チタン粉末１〜３２質量％とを秤量し、水とともにボールミルにて混合、粉砕する。アルミナ粉末は、純度９９質量％以上で、平均粒径が０．３〜１μｍのアルミナ粉末を用いることが好ましい。得られたスラリーに有機バインダーを添加し、噴霧乾燥して顆粒を作製する。得られた顆粒をプレス成形、ＣＩＰ（冷間等方加圧）成形などの公知の方法で成形して、図２（ａ）に示すような、略円筒状の生成形体３０を作製する。成形圧は最大で８０〜２００ＭＰａの範囲内であることが好ましい。

続いて、加工した生成形体を約１４００〜１６００℃で焼成してセラミック焼結体３２を作製する。このセラミック焼結体３２は、アルミナの結晶相とチタン酸アルミニウムの結晶相とを含んでいる。この焼成では、生成形体が収縮を開始する温度から最高温度までの昇温速度と、最高温度から結晶の粒成長が止まるまでの降温速度とを制御し、アルミナ結晶の粒界にチタン酸アルミニウム結晶を分散させることが好ましい。このようにして得られたセラミック焼結体３２は、遷移元素であるＴｉが、内部に比べて表面により多く分布している。次に、このセラミック焼結体３２の表面に、絶縁層１５の前駆体である釉薬を塗布し、この釉薬からなる還元抑制層１９を形成する。釉薬としては、例えば、高純度のＳｉＯ_２粒子をバインダと混合させたペースト状のものを用いればよい。

次に、この還元抑制層１９が設けられたセラミック焼結体３２を、還元雰囲気中で熱処理する。この際、水素、窒素、あるいはアルゴンなどの還元雰囲気において、１０００〜１５００℃での熱処理を行う。この還元処理により、図２（ｃ）に示すように、酸化珪素を主成分として含む絶縁層１５（図２（ｂ）に示す還元抑制層１９が焼成された層）と、酸化アルミニウムの結晶相およびチタン酸アルミニウムの結晶相を含有するセラミック体１２とを有する絶縁層付きセラミック構造体１１を得ることができる。

本実施形態の製造方法によれば、表面抵抗率が１×１０^６〜１×１０^９Ω／□である第２領域と、第２領域に比べて表面抵抗率がより高い、絶縁層によって被覆された第１の領域を備えるセラミック体を、比較的安価に製造することができる。

なお、本発明者は、実験によって、絶縁層１５が被着されている領域についても、条件によっては、還元雰囲気による再焼成によって表面低効率が低減することを確認している。すなわち、釉薬層などの還元抑制層を設けても、この還元抑制層を介して還元を進行させ、還元抑制層下の領域も表面抵抗率を低減させることができる。

図３を参照し、第１の接合層１８ａおよび第２の接合層１８ｂの構成について説明しておく。図３は、第１の接合層１８ａの近傍を拡大して示す図である。なお、第２の接合層１８ｂの構成は、第１の接合層１８ａと同様の構成となっている。本明細書では、第１の接合層１８ａについて説明する。

金属層１８ａは、第１の層２２、第２の層２４、第３の層２６、および第４の層２８を有して構成されている。第１の層２２はＴｉを含有し、セラミック体１２の表面に接合している。この第１の層２２の表面には、Ａｇ、Ｃｕ、およびＴｉとを含む第２の層２４が積層している。第１の層２２におけるチタン（Ｔｉ）の含有割合は、第２の層２４のチタンの含有割合に比べて高い。

第１の層２２および第２の層２４は、例えば、従来周知の厚膜ペースト法を用いて形成することができる。具体的には、例えば、銀（Ａｇ）の粉末と銅（Ｃｕ）の粉末とチタン（Ｔｉ）の粉末とを所定量計量し、エチルセルロースなどのバインダーをテルピネオールなどの有機溶剤で溶剤したビヒクルと、上記の各粉末とをミキサーで混合し、ペースト（Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉろうう材）を作製する。作製したこのＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉろう材を、スクリーン印刷などでセラミック体１２の一方端面１２Ａに塗布し、真空雰囲気で焼成して、第１の層２２および第２の層２４を形成すればよい。ペーストにおける銀粉末と銅粉末とチタン粉末との配合割合は、例えば、銀（Ａｇ）と銅（Ｃｕ）とチタン（Ｔｉ）とが、不可避不純物以外た合計１００質量％となるように、銀（Ａｇ）を５０〜９０質量％、銅（Ｃｕ）を１０〜５０質量％、チタン（Ｔｉ）を３．０〜９．０質量％の範囲内で混合させて用いることが望ましい。

第１の層２２および第２の層２４を形成するためのＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉろう材は、融点が８００〜８５０℃と比較的低く、第１の層２２および第２の層２４を形成する際の温度を比較的低く抑えることができる。第１の層２２および第２の層２４を、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉろう材を用いて形成した場合、セラミック体１２の焼成温度に対し、十分に低い温度でろう材層を形成することができる。

加速用部材１０では、第２の層２４のチタンの含有割合に比べて、この第１の層２２におけるチタンの含有割合が高い。第１の層２２は、セラミック体１２の表面に設けたＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉろう中のチタン成分と、セラミック体１２に含まれるチタン成分が、セラミック体１２とＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉろうとの境界部分に集中して形成された層である。このチタンを主成分とする第１の層２２は、セラミック体１２との接合強度が高い。チタンが含有されたこの第１の層２２によって、セラミック体１２と金属体１４との接合強度が高くされている。第２の層２４は、第１の層２２と同時焼成されて形成された層であり、ペースト中のチタン成分が第１の層２２に偏析することで、チタン成分の含有割合は比較的少なくされている。

本実施形態のセラミック体１２は、チタン酸アルミニウムの結晶相２１ｂを含んでいる。このチタン酸アルミニウムの結晶相２１ｂは、セラミック体１２の表面にも露出している。すなわち、セラミック体１２と第１の層２２との境界面においても露出している。第１の層２２に多く含まれるチタン（Ｔｉ）成分は、チタン酸アルミニウム結晶相２１ｂと結合する。加速部材１０では、セラミック体１２の一方端面１２Ａのチタン酸アルミニウム結晶相２１ｂと、第１の層２２のチタンとが良好に結合し、セラミック体１２と第１の層２２とが強固に接合されている。

かかる第１の層２２では、チタンの含有割合が、６〜１２質量％となっている。なお、チタンの含有割合（質量％）は、例えば走査型電子顕微鏡装置を用いて行う、従来公知のＥＤＳ（エネルギー分散型Ｘ線分析法）によって求めることができる。例えば、ＥＤＡＸ社製ＰＨＯＥＮＩＸを用い、加速電圧１５ｋＶで各原子に対応するスペクトルを求め、各原子に対応するスペクトル強度から算出することができる。第３の層２６は、例えばニッケル（Ｎｉ）メッキを主成分として構成されている。チタンなどの遷移金属は反応性に富み、ニッケルや金や銅といったメッキ材料と反応して化合物を形成する。第２の層２６の表面にＮｉメッキを施すことで、第１の層に含有されるチタンが、第３の層２６にも含有されるとともに、第２の層２４と第３の層２６との界面部分でチタン化合物を主成分とする結合層を構成する。第３の層２６は、この結合によって、第２の層２４と比較的強固に接合している。 第３の層を形成するには、ニッケルメッキのみに限らず、金メッキ、銅メッキ等を用いてもよい。第３の層はニッケル、銅、および金のうち少なくとも１種と、チタンとを含んでいればよい。

第４の層２８は、例えば、銀（Ａｇ）を５０〜９０質量％、銅（Ｃｕ）を１０〜５０質量％、チタン（Ｔｉ）を３〜９質量％含有するＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉろう材層で構成されている。第３の層２８に含まれるニッケルは、第４の層２８に含まれるチタンとも反応して化合物を形成し、第３の層２６と第４の層２８とが強固に接合されている。

また、第４の層２８を構成するＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉろう材は、融点が８００〜８５０℃と比較的低く、第４の層２８を形成する際の温度を比較的低く抑えることができる。第４の層２８としてＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉろう材を用いた場合、セラミック体１２の焼成温度に対し、十分に低い温度でろう材層を形成することが可能であり、セラミック体１２の機械的強度や導電性が、ろう付け工程において変動することが抑制される。なお、第１の層２２や第４の層２８を構成するろう材は、上記Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉろう材のみに限定されず、例えば、Ａｇ−Ｃｕろう、Ｃｕろう、Ａｇ−Ｐｄろう、Ａｕ−Ｃｕろう、Ａｕ−Ｐｄろう、Ｐｔ−Ｃｕろう、Ｐｔ−Ｐｄろう、Ａｌろう、Ａｕ−Ｓｎろう、Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎろう、Ｃｕ−Ｔｉろう、Ａｇ−Ｐｄ−Ｔｉろう、Ｐｔ−Ｃｕ−Ｔｉろう、Ｐｔ−Ｐｄ−Ｔｉろう、などを用いてもよい。本実施形態の加速部材１０では、セラミック体１２と電極１４ａ、１４ｂとが、比較的高い接合強度で接合されている。

図４は、本発明の荷電粒子線出射装置の一実施形態を説明する概略断面図である。図４に示すように、荷電粒子線出射装置１００は、加速部材１０と、加速部材１０の貫通孔１７を通過するように荷電粒子線を出射する荷電粒子線出射手段１０１と、加速部材１０の第１の金属体１４ａと第２の金属体１４ｂとに接続された、第１の金属体１４ａと第２の金属体１４ｂとの間に荷電粒子線を加速するための電位差を与えるための電圧印加手段と１０６とを備えて構成されている。荷電粒子線出射手段１０１の少なくとも一部および加速部材１０は、容器１０３の内部に配置される。容器１０３は、例えば、真空チャンバであり、容器１０３の内部には、荷電粒子が到達する位置に対象物Ｐが配置される。対象物Ｐは、例えばステージＳ上に配置されてもよい。荷電粒子線出射手段１０１は、例えば公知の電子銃であり、加速部材１０は、電極１４ａおよび１４ｂの間に印加された電圧によって、荷電粒子線出射手段１０１から出射した電子を加速する。

加速部材１０は、セラミック体１２の第１の領域１３ａおよび第２の領域１３ｂが、比較的高い体積固有抵抗を有し、例えば電極１４ａと電極１４ｂとの間に比較的高い電圧を印加した場合であっても、セラミック体１２の内部を流れるリーク電流の発生が抑制されている。また、第１の領域１３ａおよび第２の領域１３ｂは、いずれも表面抵抗率が比較的高くされており、電極１４ａと電極１４ｂとの間に比較的高い電圧を印加した場合であっても、セラミック体１２の表面を流れるリーク電流が抑制されている。

加速部材１０は、セラミック体１２の外側表面に絶縁層１５が被着されており、セラミック体１２の外側表面に、水分やガス分子などの不純物が付着することが抑制されている。加速部材１０では、水分やガスに起因したセラミック体１２表面（外側表面）のリーク電流も抑制されている。

なお、このような荷電粒子線出射装置では、セラミック体１２の貫通孔１７内を通過する荷電粒子線によって電離した陽イオンや電子が、セラミック体１２の貫通孔１７の内周面に到達することがある。貫通孔１７の内周面が例えば高純度のアルミナで、表面抵抗率が高すぎる場合、到達した陽イオンや電子が動かずに帯電し、ある一定以上の電荷が溜まった際に、大電流が一気に電極側に流れる場合がある。本実施形態の荷電粒子線装置１０１では、セラミック体１２の貫通孔１７の内周面に、表面抵抗率が１×１０^６〜１×１０^９Ω／□と比較的低い第２の領域が配置されており、セラミック体１２の表面の帯電が抑制されている。かかるセラミック体１２を備える荷電粒子線出射装置１００では、チャージアップに伴って発生する過大電流や、表面の漏れ電流に伴う、動作不良が比較的少ない。

このような荷電粒子線出射装置１００は、例えば電子顕微鏡における電子銃や、電子ビーム露光装置における電子銃などとして用いることができる。また、本発明の絶縁層付きセラミック構造体は、例えばＸ線管用の絶縁碍子や、真空スイッチ用の碍子、また、荷電粒子線の方向を制御する静電偏向部材など、比較的高電圧が印加される種々の装置に用いることができる。このような比較的高電圧が印加される用途に用いられた場合でも、絶縁破壊し難く、適用した装置の動作信頼性を高くすることができる。セラミック構造体における、第１の領域や第２の領域の配置や形状は、印加される電圧分布や、電流発生を抑制したい箇所などに応じて適宜設定すればよい。

次に、表面抵抗率が１×１０^６〜１×１０^９Ω／□である第２の領域と、第２の領域の表面抵抗率よりも高い表面抵抗率を有する第１の領域とを有するセラミック体の他の例であるセラミック体１１２を用いた金属体付きセラミック構造体１１１（以降、セラミック構造体１１１という）、およびこのセラミック構造体１１１の製造方法について説明する。

図５は、セラミック構造体１１１の概略断面図である。セラミック構造体１１１は、セラミック体１１２と、セラミック体１１２の一方端面１１２Ａに接合された第１の金属体１１４ａと、セラミック体１１２の他方端面１１２Ｂに接合された第２の金属体１１４ｂとを備えて構成されている、
セラミック体１１２は、上記実施形態のセラミック体１２と同様、酸化アルミニウムの結晶相、およびチタン酸アルミニウムの結晶相を含有する。セラミック体１１２は、表面抵抗率が１×１０^１０〜１×１０^１４Ω／□である第１の領域１１３ａと、表面抵抗率が１×１０^６〜１×１０^９Ω／□である第２の領域１１３ｂとを有する。

第２の領域１１３ｂは、セラミック体１１２の貫通孔１１７の内周面の両端部に配置されており、第１の領域１１３ａは、セラミック体１１２の貫通孔１１７の内周面の、一方端面１１２Ａおよび他方端面１１２Ｂの中央領域に配置されている。セラミック体１１２の貫通孔１１７の内周面において、一方端面１１２Ａ側の第２の領域１１３ｂと、他方端面１１２Ｂ側の第２の領域１１３ｂとは、第１の領域１１３ａによって分断された状態となっている。この例では、貫通孔１１７の内周面全体が第２の領域１１３ｂとなっている場合に比べて、第１の金属体１１４ａと第２の金属体１１４ｂとの間に電圧が印加された場合に定常的に流れるリーク電流が小さくされている。

また、このようなセラミック体１１２を荷電粒子線出射装置の加速部材として用いた場合など、セラミック体１１２内を通過する荷電粒子線によって電離した陽イオンや電子が、セラミック体１１２の貫通１１７の内周面に到達することがある。貫通孔１１７の内周面が例えば高純度のアルミナで、表面抵抗率が高すぎると、到達した陽イオンや電子が動かずに帯電し、ある一定以上の電荷が溜まった際に、大電流が一気に電極側に流れる場合がある。本例のセラミック体１１２では、貫通孔１１７の内周面に、表面抵抗率が１×１０^１０〜１×１０^１４Ω／□である第１の領域１１３ａと、表面抵抗率が１×１０^６〜１×１０^９Ω／□である第２の領域１１３ｂとが露出しており、適度な導電性を有している。このため、貫通孔１１７の内周面に到達した陽イオンや電子による電荷は、長時間留まることなく比較的早く第２の金属体１１４ｂまで移動し、第１の金属体１１４ａまたは第２の金属体１１４ｂからごく微量な電流として逃げていく。表面抵抗率が１×１０^６〜１×１０^９Ω／□である第２の領域１１３ｂに比べ、表面抵抗率が１×１０^１０〜１×１０^１４Ω／□である第１の領域１１３ａは、帯電した電荷が移動し難いといえるが、セラミック体１１２の内周面において、第１の金属体１１４ａは、第２の領域１１３ｂと隣接しているため、貫通孔１１７の内周面全体を第１の領域１１３ａが全面を覆っている場合に比べて、第１の領域１１３ａの電荷は、隣接する第２の領域１１３ｂを介して比較的早く逃がすことができる。

このように、セラミック体１１２では、第１の金属体１１４ａと第２の金属体１１４ｂとの間に比較的高い電圧を印加した場合であっても、セラミック体１１２の表面を流れるリーク電流についても抑制されているとともに、セラミック体１１２の表面の帯電を抑制することができる。かかるセラミック体１１２では、チャージアップに伴って発生する過大電流や、表面の漏れ電流に伴う、動作不良が比較的少ない。

図６（ａ）〜（ｃ）は、セラミック体１１２の製造方法について説明する概略断面図である。まず、例えば、高純度のアルミナ粉末６８〜９９質量％と、酸化チタン粉末１〜３２質量％とを秤量し、水とともにボールミルにて混合、粉砕する。アルミナ粉末は、純度９９質量％以上で、平均粒径が０．３〜１μｍのアルミナ粉末を用いることが好ましい。得られたスラリーに有機バインダーを添加し、噴霧乾燥して顆粒を作製する。得られた顆粒をプレス成形、ＣＩＰ（冷間等方加圧）成形などの公知の方法で成形する。この成形によって、貫通孔を備え、この貫通孔の内周面の内周面の中央部付近に凸状部を有する、略円筒状の生成形体１３０を作製する。成形圧は最大で８０〜２００ＭＰａの範囲内であることが好ましい。

続いて、加工した生成形体を最高温度１４００〜１６００℃で焼成してセラミック焼結体を作製する。このセラミック焼結体は、アルミナの結晶相とチタン酸アルミニウムの結晶相とを含んでいる。この焼成では、生成形体が収縮を開始する温度から最高温度までの昇温速度と、最高温度から結晶の粒成長が止まるまでの降温速度とを制御し、アルミナ結晶の粒界にチタン酸アルミニウム結晶を分散させることが好ましい。このようにして得られた焼結体は、遷移元素であるチタンが、内部に比べて表面により多く分布している。

次に、このアルミナ−チタン酸アルミニウム焼結体を還元雰囲気中で熱処理を行う。即ち、水素、窒素、あるいはアルゴンなどの還元雰囲気の焼成炉による熱処理、またはＨＩＰ処理にて１０００〜１５００℃にて熱処理を行う。この還元処理により、図６（ｂ）に示すように、表面全体に、内側部分１３２に比べて表面抵抗率が低い、第２の領域に対応する還元層１３４が形成される。焼成体は、成形体と同様に貫通孔の内周面に凸状部を備え、還元処理によって凸状部の表面も還元処理される。

このようにして得られた焼結体を機械研磨して、図６（ｃ）に示すようなセラミック体１１２を得ることができる。本実施形態では、外周面を全面的に研磨するとともに、例えば内面ホーミング加工等によって内面を機械研磨し、断面視において、第１の領域１１３ａの表面と第２の領域１１３ｂの表面との境界部分が平坦な、円筒状のセラミック体１１２を形成している。この研磨によって、内周面に形成されていた凸部を覆っていた還元層部分は除去されて、充分に還元が進行していない領域が、貫通孔１１７の内周面に露出する。

本例の製造方法によれば、表面抵抗率が１×１０^１０〜１×１０^１４Ω／□である第１の領域１１３ａと、表面抵抗率が１×１０^６〜１×１０^９Ω／□である第２の領域１１３ｂとを、所望の部分に配置したセラミック体を比較的安価に製造することができる。また本例の製造方法によれば、生成形体１３０の形状と、還元層１３４の厚さと、研磨量との調整によって、第１の領域１１３ａと第２の領域１１３ｂそれぞれの、チタン（Ｔｉ）含有割合および酸素欠乏チタン酸化物の含有割合を調整することができ、各領域の表面抵抗率や体積固有抵抗を、所望の範囲に調整することが可能となっている。

以上、本発明の絶縁層付きセラミック構造体、金属体付きセラミック構造体、荷電粒子線出射装置、および絶縁層付きセラミック構造体の製造方法について説明したが、本発明は上記各実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良および変更を行ってもよいのはもちろんである。

１０ 荷電粒子加速用部材
１１ 絶縁層付きセラミック構造体
１２ セラミック体
１２Ａ 一方端面
１２Ｂ 他方端面
１３ａ 第１の領域
１３ｂ 第２の領域
１４ａ 第１の金属体
１４ｂ 第２の金属体
１５ 絶縁層
１７ 貫通孔
１８ａ 第１の接合層
１８ｂ 第２の接合層
２２ 第１の層
２４ 第２の層
２６ 第３の層
２８ 第４の層
３２ セラミック焼結体

Claims (7)

1. 酸化アルミニウムの結晶相、およびチタン酸アルミニウムの結晶相を含有するセラミック体と、
   前記セラミック体の表面に設けられた、酸化珪素を主成分として含む絶縁層とを有する絶縁層付きセラミック構造体であって、
   前記セラミック体は、前記絶縁層によって被覆された第１表面部分を備える第１の領域と、前記第１の領域以外に配置された、表面抵抗率が１×１０^６〜１×１０^９Ω／□である第２の領域とを有し、前記第１の領域の表面抵抗率は、前記第２の領域の表面抵抗率よりも高く、
   前記セラミック体は、一方端面と、他方端面と、前記一方端面および前記他方端面の間を貫通した貫通孔とを有する円筒形状であり、
   前記第１の領域が、前記セラミック体の外周面の、前記一方端面および前記他方端面の間の中央領域に配置され、前記第２の領域は、前記セラミック体の前記一方端面および前記他方端面の間で前記貫通孔の内周面を経て連続していることを特徴とする絶縁層付きセラミック構造体。
2. 前記セラミック体は、化学等量より酸素量が少ないチタン酸アルミニウム結晶相である酸素欠乏チタン酸化物を含み、前記酸素欠乏チタン酸化物は、前記第１の領域に比べて、前記第２の領域により多く含まれていることを特徴とする請求項１に記載の絶縁層付きセラミック構造体。
3. 前記第１の領域の体積固有抵抗は、前記第２の領域の体積固有抵抗に比べて大きいことを特徴とする請求項１に記載の絶縁層付きセラミック構造体。
4. 前記セラミック体は、前記第２の領域の表面から内部に向かって、前記酸素欠乏チタン酸化物が減少していることを特徴とする請求項１に記載の絶縁層付きセラミック構造体。
5. 請求項１に記載の絶縁層付きセラミック構造体と、
   前記セラミック体の前記一方端面に被着された第１の接合層と、前記第１の接合層を介して前記一方端面に接合された第１の金属体と、
   前記セラミック体の前記他方端面に被着された第２の接合層と、
   前記第２の接合層を介して前記他方端面に接合された第２の金属体とを有することを特徴とする金属体付きセラミック構造体。
6. 請求項５に記載の金属体付きセラミック構造体と、
   前記金属体付きセラミック構造体の前記貫通孔を通過するように荷電粒子線を出射する荷電粒子線出射手段と、
   前記第１の金属体と前記第２の金属体とに接続された、前記第１の金属体と前記第２の金属体との間に前記荷電粒子線を加速するための電位差を与えるための電圧印加手段とを備えることを特徴とする荷電粒子線出射装置。
7. 請求項１に記載の絶縁層付きセラミック構造体の製造方法であって、
   酸化アルミニウムを主成分とする第１の粉末と、チタン酸アルミニウムを主成分とする第２の粉末との混合物を成形し、
   得られた成形体を焼成した後、
   得られた焼成体の表面の一部に、酸化珪素を主成分として含む還元抑制層を形成し、
   得られた還元抑制層付き焼成体を還元雰囲気にて還元焼成することで、前記還元抑制層が焼成された、酸化珪素を主成分として含む前記絶縁層と、前記絶縁層によって被覆された前記第１表面部分を備える前記第１の領域と、前記第１の領域以外に配置された、表面抵抗率が１×１０^６〜１×１０^９Ω／□である前記第２の領域とを有し、前記第１の領域の表面抵抗率が、前記第２の領域の表面抵抗率よりも高い前記絶縁層付きセラミック構造体を得ることを特徴とする絶縁層付きセラミック構造体の製造方法。

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