JP5971727B2 - イオン源用電極及びその製造方法 - Google Patents

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

特開平３−１２９６３８号公報 特開平５−２９０９３号公報 特開平６−３１４６００号公報 特許第２５２３７４２号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

イオン源用電極を有する中性粒子入射装置の概要を示す断面図である。 第１の実施の形態に係るイオン源用電極をイオンビームの引出し側から見て示す側面図である。 図２のイオン源用電極を分解して示す斜視図である。 図２中Ｆ４−Ｆ４線に沿って示すイオン源用電極の断面図である。 図２中Ｆ５−Ｆ５線に沿って示すイオン源用電極の断面図である。 図２のイオン源用電極の製造において用いる接合容器を分解した状態でイオン源用電極とともに示す略断面図である。 図２のイオン源用電極の製造において用いる接合容器にイオン源用電極が収納された状態を示す略断面図である。 図２のイオン源用電極の製造方法を実施する熱間等方圧加圧装置の構成を示す概略図である。 第２の実施の形態に係るイオン源用電極をイオンビームの引出し側から見て示す側面図である。 図９のイオン源用電極を示す斜視図である。 図９中Ｆ１１−Ｆ１１線に沿って示すイオン源用電極の断面図である。 図９中Ｆ１２−Ｆ１２線に沿って示すイオン源用電極の断面図である。 図９のイオン源用電極の製造において用いる枠体を示す斜視図である。 図９のイオン源用電極の製造において作られる接合容器を分解して示す斜視図である。 図９のイオン源用電極の製造過程で組立てられた接合容器を示す斜視図である。 図１５中Ｆ１６−Ｆ１６線に沿って示す接合容器の断面図である。 図９のイオン源用電極の最終製造過程を説明するための分解斜視図である。 図９のイオン源用電極が有する電極板材を示す平面図である。 図１８の電極板材の縁部の一部を拡大して示す側面図である。 第３の実施形態に係るイオン源用電極をイオンビームの引出し側から見て示す側面図である。

（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。

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。

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。

（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。

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。

（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。

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。

（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。

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。

（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。

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。

（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。

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。

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。

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。

（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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims (8)

1. 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
   ことを特徴とするイオン源用電極。
2. 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を特徴とする請求項１に記載のイオン源用電極。
3. 前記第１凸部及びこれに隣接した前記電極板が有する凹溝と、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を特徴とする請求項１又は２に記載のイオン源用電極。
4. 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を特徴とする請求項１から３のうちのいずれか一項に記載のイオン源用電極。
5. 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。
6. 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イオン源用電極の製造方法。
7. 前記電極本体部を用意する工程において、
   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。
8. 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。

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