JP2011076937A - Electrode for ion source - Google Patents
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Abstract
【課題】冷却効率が高く、かつ耐食性に優れる長寿命のイオン源用電極を提供する。
【解決手段】イオンビームを引出すための複数のビーム孔23が形成され、少なくとも一方が連続する溝2,2A,2Bを有する耐熱性の金属材料からなる1対の耐熱電極板1,1A,1B,3,3A,3Bと、1対の耐熱電極板の間に挟まれ、かつ溝の周壁を被覆するように、耐熱電極板の各々に密着接合され、耐食性の金属材料からなるバリア材4,4A,4B,5,5A,5Bと、ビーム孔の近傍に配置され、溝の周壁を被覆するバリア材によって周囲を規定され、耐熱電極板を冷却するための冷媒が通流し、少なくとも一部が前記溝2,2A,2Bのなかに入り込むように配置された冷媒流路22,22A,22Bと、を有する。
【選択図】 図3A long-life ion source electrode having high cooling efficiency and excellent corrosion resistance is provided.
A pair of heat-resistant electrode plates 1, 1A, 1B made of a heat-resistant metal material having a plurality of beam holes 23 for extracting an ion beam and at least one of which has continuous grooves 2, 2A, 2B. , 3, 3A, 3B and a pair of heat-resistant electrode plates, and are tightly bonded to each of the heat-resistant electrode plates so as to cover the peripheral wall of the groove, and are made of a corrosion-resistant metal material. 4B, 5, 5A, 5B, and the vicinity of the beam hole, the periphery is defined by a barrier material that covers the peripheral wall of the groove, the coolant for cooling the heat-resistant electrode plate flows, at least a part of the groove And refrigerant passages 22, 22A, 22B disposed so as to enter 2, 2A, 2B.
[Selection] Figure 3
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用電極に関する。 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。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においては、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てしまうため、ガスを満たした中性化セル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粒子ビームに変換し、炉心プラズマに入射させる。 An ion source that generates a fast ion beam from plasma is used in a neutral particle injection device or ion mixing device of a fusion device. For example, in an ion source of a neutral particle injection device used in a nuclear fusion device, a plasma such as hydrogen is introduced into a plasma generation unit and arc discharge is performed through a filament to generate plasma. The ions ionized by the gas in the plasma are extracted from the plasma and accelerated by an electric field formed by applying a high voltage to a plurality of electrodes. In this way, a high-speed ion beam having high energy is generated. Since the ion beam is bent by the magnetic field of the coil of the fusion device as it is, it is passed through the neutralization cell filled with gas, and the kinetic energy is preserved by the collision reaction between the ion and gas, and the neutral beam is converted. Convert and enter the core plasma.
上述したイオン源におけるイオン加速用の複数の電極は、平行に離間配置された3段または5段の電極で構成されている。各電極には多数のイオンビーム引出し孔が形成され、プラズマからイオンビームを引出すようになっている。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。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。 The plurality of ions for accelerating ions in the ion source described above are configured by three or five stages of electrodes spaced apart in parallel. A number of ion beam extraction holes are formed in each electrode so as to extract the ion beam from the plasma. In particular, the first electrode closest to the ion source has a structure in direct contact with a 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. Usually, the cooling channel is provided between a plurality of ion beam extraction holes formed in order to effectively perform cooling.
図24に示すように、従来のイオン源用電極200は、耐熱性が高く線膨張係数が小さく、かつ、入手性に優れるモリブデンからなる電極板201,203を貫いて形成された多数のビーム引出し孔223を備えている。このビーム引出し孔223の両側には冷媒が流れる冷却チャンネル222が形成され、イオンビームの輻射により昇温するMo電極板201,203を冷却している。
As shown in FIG. 24, the conventional
より詳しく述べると、2枚のMo電極板201,203のうち、一方側の板203には冷却チャンネル222を有する溝付き平板を用い、他方側の板201には平坦な平板を用い、これら2枚のモリブデン板201,203を真空中で、かつ高温で加圧可能なホットプレス装置を用いて拡散接合し、さらにMo電極板201,203を貫通する複数のビーム引出し孔223を開口形成したものである。
More specifically, of the two
ところで、上記のような構成のイオン源用電極を用いてイオンビームを引出すとき、イオン源用電極にはイオン源用電極自体の熱負荷を下げるため冷却チャンネル222の中に冷媒である純水を通す。通常、電極板201,203の材料として高熱負荷に耐え、かつビーム引出し孔223の熱負荷による位置の精度維持のために線膨張係数の小さい材料、さらには入手性に優れるなどの理由からモリブデンが用いられているが、このモリブデン板は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。本発明者らの経験によれば、その電極として使用可能な寿命は1年ないし2年と非常に短いという知見を得ている。これらのことから、腐食しにくい耐食性に優れ、かつ寿命の長いイオン源用電極が要望されている。
By the way, when an ion beam is extracted using the ion source electrode having the above-described configuration, pure water as a coolant is put into the
そこで、その対策として特許文献1にイオン源用電極の製造方法が提案されている。すなわちこの方法は、冷却水通路用の溝を設けた溝付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ようにしたものである。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。
Therefore, as a countermeasure,
特許文献2に記載された構造は、上述の特許文献1と同様にモリブデンにニッケルが被覆されているが、この接合にはろう付けが用いられている。この特許文献2の構造にはバリア層に溝が有り、耐熱材料には溝がない構造となっている。
In the structure described in
上述した公報と同様に、特許公報3に記載された構造では、モリブデン板を主体として構成されたイオン源用電極において、モリブデン板は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膜層で被覆したイオン源用電極であり、この場合、セラミック被膜層をセラミックスの蒸着により形成する方法を開示している。
Similar to the above-mentioned publication, in the structure described in
さらに、特許公報4では、イオンビームを加速するイオン源用電極において、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たイオン源用電極であり、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を開示している。 Further, in Patent Publication 4, an ion source electrode for accelerating an ion beam is an ion source electrode mainly composed of a tantalum plate having a polymerized plate structure integrated by diffusion bonding of tantalum plates. In joining, the method of carrying out the diffusion joining to the joint surface via titanium is disclosed.
また、特許文献5には、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が記載されている。ここで、溝付き板には冷媒を流すための冷却孔を構成する細溝およ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。
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る、製品としての寸法精度が低下することが少ないなどの利点がある。 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 joint surface having excellent adhesion over the entire joint surface of both electrode elements without deforming the entire electrode, deforming or filling the cooling hole 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 to reduce the cooling efficiency, and the dimensional accuracy as a product is less likely to be lowered.
しかしながら、特許文献1に記載されたイオン源用電極は、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き起こすおそれがある。
However, the ion source electrode described in
コーティングの健全性が得難いのは、水路になる溝が2mmないし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。そ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ー部分のコーティング厚みが均一かつ健全(無欠陥)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. In addition, the groove shape is a square groove in order to increase the cooling efficiency, and it is very difficult to coat so that the coating thickness in the groove and in the corner portion is uniform and sound (defect-free).
また、特許文献1、特許文献3、特許文献4の各イオン源用電極は、いずれもモリブデンまたはタンタルのような高融点金属材料からなるものであり、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。高融点のモリブデンや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、接合中において、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、これらの条件は一定時間安定に保たねばならない。
Each of the ion source electrodes in
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いわれている。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が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、加圧力は大きく設定しなければならない。また、面粗さについては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 0.7 times or more of the melting point of the material or higher than the recrystallization temperature of the material. The atmosphere should be an atmosphere in which surface oxidation or the like of the material to be joined is not a problem at a temperature necessary 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. In addition, regarding the surface roughness, when the unevenness of the joint surface is fine, the applied pressure must be small, and conversely, when the unevenness of the joint surface is rough, the applied pressure must be set high.
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。しかし、拡散接合によるイオン源用電極板の接合では、接合を容易とする接合面の精度、たとえば、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および加工後の保管にも注意が必要である。特にイオン源用電極板の板厚は、たとえば、約3〜10mm程度と薄く、この部材の接合面全体を均等に加圧し、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は高く、その信頼性は低く、イオン源用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。 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. However, in the ion source electrode plate bonding by diffusion bonding, when the accuracy of the bonding surface that facilitates bonding, for example, when the surface roughness is kept at 5 S or less, buffing is required after machining, In order to maintain the flatness and also the cleanliness, care must be taken during storage during 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 pressurize the entire joint surface of this member uniformly and to control the pressure while suppressing deformation of the groove. Even if the device is made, it becomes a very complicated and expensive facility. In such diffusion bonding, the manufacturing cost is high and its reliability is low, and it is considered that uniform bonding over the entire bonding surface is difficult when the area is large such as an ion source electrode plate.
また、特許文献5に開示のもの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相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。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こる温度域まですべ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十分でない場合には、共晶反応は起こらず、液相が生成しないで、そこに欠陥であるボイドが発生する可能性がある。
Further, the one disclosed in
一方、この方法は上述した各公開公報に開示された電極板の接合において述べたの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用電極では接合を容易にする接合面の精度、たとえば面粗さを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、さらに、こうした工程を経た後でも、平坦度および清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 disclosed in the above-mentioned publications. That is, in the ion source electrode by diffusion bonding, when the accuracy of the bonding surface for facilitating bonding, for example, the surface roughness is kept at 5S or less, buffing is necessary after machining, and further, after undergoing these steps. But care must be taken to keep it flat and clean.
特許文献2に記載の構造ではバリア層に溝が有るものをろう付けしているが、バリア層とモリブデン等の耐熱材料のろう付けにおいて線膨張係数の違いからろう付け時に熱変形を起こしやすく、イオン源用電極板として求められる平面度を得難い。また、製品使用時において、ビーム孔が加熱された状況において、ビーム孔近傍のバリア層と耐熱材料の接触面積が小さいため、耐熱材料が冷却されにくい。
In the structure described in
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、冷却効率が高く、かつ耐食性に優れる長寿命のイオン源用電極を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a long-life ion source electrode having high cooling efficiency and excellent corrosion resistance.
(1)本発明に係るイオン源用電極は、イオンビームを引出すための複数のビーム孔が形成され、少なくとも一方が連続する溝を有する耐熱性の金属材料からなる第1及び第2の耐熱電極板と、前記第1及び第2の耐熱電極板の間に挟まれ、かつ前記溝の周壁を被覆するように、前記第1及び第2の耐熱電極板の各々に密着接合され、耐食性の金属材料からなるバリア材と、前記ビーム孔の近傍に配置され、前記溝の周壁を被覆するバリア材によって周囲を規定され、前記第1及び第2の耐熱電極板を冷却するための冷媒が通流し、少なくとも一部が前記溝のなかに入り込むように配置された冷媒流路と、を具備することを特徴とする。 (1) The ion source electrode according to the present invention is a first and second heat-resistant electrode made of a heat-resistant metal material having a plurality of beam holes for extracting an ion beam and having at least one continuous groove. A plate is sandwiched between the first and second heat-resistant electrode plates and is tightly bonded to each of the first and second heat-resistant electrode plates so as to cover the peripheral wall of the groove, and is made of a corrosion-resistant metal material. And a barrier material that is disposed in the vicinity of the beam hole and is defined by a barrier material that covers the peripheral wall of the groove, and a coolant for cooling the first and second heat-resistant electrode plates flows therethrough, at least And a refrigerant channel arranged so that a part thereof enters the groove.
本発明においては、冷媒流路の少なくとも一部を耐熱電極板の溝のなかに入り込むように配置しているので(図3、図4、図17〜図20)、冷媒流路とビーム孔との距離が短縮され、ビーム孔を通るイオンビームにより加熱された耐熱電極板を従来よりも効率よく冷却することができる。また、冷媒流路を形成する溝周壁のバリア材が、耐食性に優れた金属材料からなっているので、冷媒流路が高温腐食損傷するおそれが少なくなる。このように、本発明のイオン源用電極は、冷却効率が高く、かつ冷媒が漏れ出す危険性が減少する。 In the present invention, since at least a part of the refrigerant flow path is disposed so as to enter the groove of the heat-resistant electrode plate (FIGS. 3, 4, 17 to 20), the refrigerant flow path, the beam hole, Thus, the heat-resistant electrode plate heated by the ion beam passing through the beam hole can be cooled more efficiently than before. Further, since the barrier material on the circumferential wall of the groove forming the coolant channel is made of a metal material having excellent corrosion resistance, the risk of the coolant channel being damaged by high temperature corrosion is reduced. Thus, the ion source electrode of the present invention has high cooling efficiency, and the risk of leakage of the refrigerant is reduced.
(2)上記(1)の発明において、バリア材は、熱間等方圧加圧法を用いて耐熱電極板に固相拡散接合されていることが好ましい。熱間等方圧加圧法を用いてバリア材を耐熱電極板に拡散接合すると、接合面の健全性に優れ、かつ溝の内部に形成される冷媒流路の周壁が耐食性に優れた表面性状になる。このため、冷媒流路が高温腐食環境によく耐えるようになり、冷媒の漏れ出し(漏水)がほとんど発生しなくなる。 (2) In the invention of (1), the barrier material is preferably solid phase diffusion bonded to the heat-resistant electrode plate using a hot isostatic pressing method. When the barrier material is diffusion bonded to the heat-resistant electrode plate using the hot isostatic pressing method, the soundness of the bonding surface is excellent, and the peripheral wall of the coolant channel formed inside the groove has a surface property with excellent corrosion resistance. Become. For this reason, the refrigerant flow path can withstand a high temperature corrosive environment, and refrigerant leakage (leakage) hardly occurs.
(3)上記(1)の発明において、バリア材は、熱間圧延法を用いて耐熱電極板に接合されていることが好ましい。熱間圧延法を用いてバリア材を耐熱電極板に接合する場合も上記(2)と同様に、接合面の健全性に優れ、かつ溝の内部に形成される冷媒流路の周壁が耐食性に優れた表面性状になり、冷媒流路が高温腐食環境によく耐えるようになり、冷媒の漏れ出し(漏水)がほとんど発生しなくなる。 (3) In the invention of (1), the barrier material is preferably joined to the heat-resistant electrode plate using a hot rolling method. When joining a barrier material to a heat-resistant electrode plate using a hot rolling method, as in (2) above, the joining surface is excellent in soundness and the peripheral wall of the coolant channel formed inside the groove is corrosion resistant. Excellent surface properties, the refrigerant flow path can withstand high temperature corrosive environments, and refrigerant leakage (leakage) hardly occurs.
(4)(1)乃至(3)のいずれか1の発明において、バリア材は銅または銅合金からなることが好ましい。銅には例えば純度99.99%以上の純銅を用いることが望ましい。銅合金には例えばCu-Cr系合金、Cu-Ag系合金、Cu-Cr-Zr系合金、Cu-Ni系合金などを用いることができる。これらの銅および銅合金は、高温耐食性に優れ、かつ高熱負荷の環境でも高い信頼性を有しているからである。 (4) In the invention according to any one of (1) to (3), the barrier material is preferably made of copper or a copper alloy. For example, it is desirable to use pure copper having a purity of 99.99% or more. As the copper alloy, for example, a Cu-Cr alloy, a Cu-Ag alloy, a Cu-Cr-Zr alloy, a Cu-Ni alloy, or the like can be used. This is because these copper and copper alloys are excellent in high-temperature corrosion resistance and have high reliability even in an environment with a high heat load.
(5)(1)乃至(3)のいずれか1の発明において、バリア材はアルミニウムまたはアルミニウム合金からなることが好ましい。アルミニウムには例えば純度99.99%以上の純アルミニウムを用いることが望ましい。アルミニウム合金には、例えばAl-Cu系合金、Al-Cu-Mg系合金、Al-Cu-Si系合金、Al-Si-Mg系合金などを用いることができる。これらのアルミニウムおよびアルミニウム合金は、高温耐食性に優れ、かつ高熱負荷の環境でも高い信頼性を有しているからである。 (5) In any one of the inventions (1) to (3), the barrier material is preferably made of aluminum or an aluminum alloy. For example, it is desirable to use pure aluminum having a purity of 99.99% or more. As the aluminum alloy, for example, an Al—Cu alloy, an Al—Cu—Mg alloy, an Al—Cu—Si alloy, an Al—Si—Mg alloy, or the like can be used. This is because these aluminum and aluminum alloys have excellent high-temperature corrosion resistance and high reliability even in an environment with a high heat load.
(6)(1)乃至(5)のいずれか1の発明において、モリブデン、チタンまたはタンタルのいずれかからなることが好ましい。モリブデンやチタンあるいはタンタルなどの線膨張係数が小さい材料を用いることで、高熱負荷におけるイオン源用電極の加熱試験においても熱変形が大幅に低減するからである。 (6) In the invention according to any one of (1) to (5), it is preferably made of any one of molybdenum, titanium, and tantalum. This is because the use of a material having a small linear expansion coefficient such as molybdenum, titanium, or tantalum greatly reduces thermal deformation even in a heating test of the ion source electrode under a high heat load.
(7)(1)乃至(6)のいずれか1の発明において、第1及び第2の耐熱電極板のうちの一方をバリア材との接合面に溝を有する溝付き平板とし、他方をバリア材との接合面に溝が無い平坦平板とすることができる(図3、図4)。 (7) In any one of the inventions (1) to (6), one of the first and second heat-resistant electrode plates is a grooved flat plate having a groove on the joint surface with the barrier material, and the other is a barrier. It can be a flat plate without a groove on the joint surface with the material (FIGS. 3 and 4).
(8)(1)乃至(6)のいずれか1の発明において、第1及び第2の耐熱電極板の両方ともがバリア材との接合面に溝を有する溝付き平板とすることができる(図17、図18)。 (8) In any one of the inventions (1) to (6), both of the first and second heat-resistant electrode plates can be formed as a grooved flat plate having a groove on the joint surface with the barrier material ( 17 and 18).
(9)(1)乃至(8)のいずれか1の発明において、第1及び第2の耐熱電極板とバリア材との各接合面に放熱凹凸構造をさらに有するものとすることができる(図19、図20)。耐熱電極板とバリア材との接合面を放熱凹凸構造とすると、さらに電極の冷却効率が向上し、寿命が延長する。 (9) In the invention according to any one of (1) to (8), each of the joining surfaces of the first and second heat-resistant electrode plates and the barrier material may further have a heat dissipation uneven structure (see FIG. 19, FIG. 20). If the joint surface between the heat-resistant electrode plate and the barrier material has a heat dissipation uneven structure, the cooling efficiency of the electrode is further improved and the life is extended.
(10)本発明に係るイオン源は、(1)乃至(9)のいずれか1に記載されたイオン源用電極と、第1のガスからイオンを生成するための放電を生じさせるフィラメントを有するプラズマ生成部と、前記プラズマ生成部により生成されたイオンに第2のガスを作用させて該イオンを中性化する中性化セルと、を有する(図1、図3、図4、図17〜図20)。 (10) An ion source according to the present invention includes the ion source electrode according to any one of (1) to (9) and a filament that generates a discharge for generating ions from the first gas. A plasma generation unit, and a neutralization cell that neutralizes the ions by causing a second gas to act on the ions generated by the plasma generation unit (FIGS. 1, 3, 4, and 17). To FIG. 20).
本発明によれば、冷却効率が大幅に向上する。このため、高熱負荷除熱機器の信頼性が高まり、電極の寿命が延長する。 According to the present invention, the cooling efficiency is greatly improved. For this reason, the reliability of the high heat load heat removal device is increased, and the life of the electrode is extended.
また、本発明によれば、流路から冷媒が漏れ出す危険性が減少する。本発明によれば、従来のイオン源用電極の欠点であった冷却水による耐熱電極板の腐食を防止し、冷却水の漏洩を回避することができる。 Moreover, according to this invention, the danger that a refrigerant | coolant leaks from a flow path will reduce. ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, corrosion of the heat-resistant electrode plate by the cooling water which was the fault of the conventional electrode for ion sources can be prevented, and the leakage of cooling water can be avoided.
以下、添付の図面を参照して本発明を実施するための種々の好ましい形態を説明する。先ず、本発明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。 Hereinafter, various preferred embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. First, the outline of the configuration of the relevant part of the fusion apparatus in which the ion source electrode of the present invention is used will be described.
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、水素などの第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。そして、このプラズマ中の第1のガス33が電離したイオンを、電極列36の各電極25に高電圧をそれぞれ印加することにより形成した電界によって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を発生するものである。
As shown in FIG. 1, an
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、第2のガスを満たした中性化セル39を通過させてイオンと第2の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41に変換し、炉心プラズマ42に入射させる。
Since the
上述したイオン源におけるイオン加速用の電極列36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25により構成されており、電極25に多数形成されたイオンビーム引出し孔23を通してプラズマからイオンビームを引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25は高温のイオンビーム40と直接接触する構造となっている。このため電極25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。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。図2に示すように、イオン源用電極25の主面において、プラズマからイオンビームを引き出すための多数のビーム孔23が規則配列開口している。
The
(第1の実施の形態)
図3〜図16を参照して本発明の第1の実施形態を説明する。
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
図3に示すように、本実施形態のイオン源用電極25は、Mo耐熱電極板1、Cuバリア材4、段差付きCuバリア材5、溝付きMo耐熱電極板3をこの順に積み重ねて互いに接合してなるものである。このような積層体からなる電極25を貫通して複数のビーム孔23が開口形成されている。Mo耐熱電極板3の溝2にCuバリア材5の段差が嵌合されている。この溝2と段差との嵌合部位の領域に冷媒流路22が形成されている。この冷媒流路22は、横断面形状が矩形であり、4つの周壁のうちの3つが溝付きCu平板5で規定され、残りの1つの周壁がCu平坦平板4で規定されている。冷媒流路22は、その一部が溝付きMo耐熱電極板3の溝2のなかに入り込んでいる。この冷媒流路22の入り込みが大きくなればなるほどMo耐熱電極板3の冷却効率が高まる。
As shown in FIG. 3, the
次に図5〜図16を参照して本実施形態のイオン源用電極25の製造方法を説明する。
Next, a method for manufacturing the
図5は本発明の第1の実施形態に係るイオン源用電極を構成する製作前の基本的な部品形状を示す図である。図6〜図10はその製造工程を示す図である。 FIG. 5 is a diagram showing a basic component shape before manufacturing that constitutes the ion source electrode according to the first embodiment of the present invention. 6-10 is a figure which shows the manufacturing process.
このイオン源用電極の製造方法としては、図5に示すように融点が2630℃で、線膨張係数が25℃で5.43×10-6・℃-1 であるモリブデンからなる平坦平板1と、幅およ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とって形成した溝付きの平板3とをそれぞれ機械加工などを利用して作製する。
As shown in FIG. 5, the ion source electrode is manufactured by a
次に図6に示すように、平板1の一面をバリア材4で被覆するとともに、溝付き平板3の溝内部2および一面をバリア材5で被覆する。本実施例では、バリア材4,5は耐熱電極板1,3とは異なる耐食性に優れる純銅(Cu)の圧延した板を用いた。
Next, as shown in FIG. 6, one surface of the
図7は、図6に準備した平板1および溝付き平板3とそれぞれの耐食性バリア材4であるおよび5を接合するために高温・高圧の雰囲気で接合処理するが、接合処理の生産性、低コスト化を図るために同一処理を行う際に耐食性バリア材4および5の銅同士が接合しないように、その中間に離型材としてのセラミックシート6を挿入、配置した状態を示す。
FIG. 7 shows a case where the joining process is performed in a high-temperature and high-pressure atmosphere in order to join the
平板1と耐食性バリア材4との接合、および溝付き平板3と耐食性バリア材5との接合は、高温・高圧の熱間等方圧加圧法を用いて接合するためには、それぞれの接合面に高温・高圧のガスが侵入しないように、接合容器内に収めてシール溶接を行う。図8に示す接合容器7は上板8、側板9、10および底板11から構成される。この接合容器7の材料には溶接性と入手性に優れるステンレス鋼板を用いた。
In order to join the
図9に、真空中で行う電子ビーム溶接機(図示せず)を用いて接合容器7およびシール溶接部12a、12b、12c、12dを示す。電子ビーム溶接は、接合容器7内の空気を完全に脱気するために、真空排気を30分間以上行った後、シール溶接を行った。なお、シール溶接部12a〜12dの健全性は、溶接ビード外観検査や蛍光探傷試験、あるいは必要に応じてヘリウムリーク試験などを用いて確認した。
FIG. 9 shows the joining
上記の電極アッセンブリ25aを接合容器7内に収容し、これを図10に示す熱間等方圧加圧装置13のなかに装入する。次いで、真空ポンプ14を起動させ、ポンプ排気駆動により装置13の内部を脱気した。真空度が10-2Pa程度に到達した後に、真空ポンプ14を停止させ、装置13内に不活性ガスとしてのアルゴンガスを充填し、高圧ポンプ15を用いて初期圧の設定値とした10MPa程度まで加圧し、その後、装置内の加熱ヒータ16を用いて昇温を開始した。
Said
装置13の内部温度が上昇するとともに装置内部のガス圧力が高くなり、高圧ポンプ15の駆動と停止を繰り返した。接合条件は、温度を900℃までの加熱、ガス圧力を147MPaまでの加圧、保持時間を2時間とした。なお、図中の矢印17は、ガス圧力が作用する方向を示すが、接合容器7を等方圧で全体加圧することができる。その後、加熱ヒータ16をOFFにし、熱間等方圧加圧装置13内の高圧力のガス放出と共に放出されたガス回収などを行いながら、常温・常圧まで冷却、降圧の運転を行った。
As the internal temperature of the
熱間等方圧加圧装置13内の圧力と温度がそれぞれ大気圧と常温に近い状態になった後に、熱間等方圧加圧装置13の蓋(図示せず)を開けて、接合容器7を取り出す。
After the pressure and temperature in the hot
取り出した接合容器7は、シール溶接部12a,12b,12c,12dをそれぞれ機械的に切削などして除去し、接合容器7内から電極アッセンブリ25aを取り出す。取り出した電極アッセンブリ25aは、接合容器7とは高温・高圧の条件においても直接接合しないようにセラミックシート6などを介しているので容易に分離することができた。
The taken-out joining
上記のようにして平坦平板1にバリア材4を接合した第1の複合板18を形成すると同時に、溝付き平板3にバリア材5を接合した第2の複合板19を形成する。なお、Mo平板1とCuバリア材4との接合部、および溝付きMo平板3とCuバリア材5との接合部は、それぞれ熱間等方圧加圧法によりモリブデンと銅が金属学的に強固に接合された状態にある。
As described above, the first
さらに、第1の複合板18と第2の複合板19とを、さらに直接冷却を可能とする冷媒流路を形成するために接合を必要とする。そこで、まず、図11および図12に示すようにそれぞれ耐食性バリア材4の層を0.3〜0.5mm程度の厚みになるように、切削あるいは研削加工し、所定の厚みを得ると共に、その後の工程である耐食性バリア層同士の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。図11および図12に示す平板18Aと溝付き平板19Aは、それぞれ耐食性バリア層4A,5Aを0.3〜0.5mmに加工したものである。特に溝付き平板19Aの溝内部を0.3〜0.5mmの厚みに加工するには、耐食性バリア層を接合する前の形状である図9に示した溝付き平板3および溝2の機械加工時に使用したNCプログラムと図示しないが加工の基準点を使用して、所定の厚みに加工を行った。
Further, the first
バリア材4A,5Aの厚みを0.3〜0.5mm程度にしたのは、溝加工の機械加工精度や耐食性あるいは耐食性の信頼性を考慮し、また、平板18Aおよび溝付き平板19Aを接合するに適したと厚みと判断した層の厚みである。
The reason why the thickness of the
図13に示すように、次に耐食性バリア層を機械加工した平板18Aおよび溝付き平板19Aは、接合に必要なろう材などを溶融させてろう付施工して一体化させる。ろう付施工は図に示さないが真空炉を用いて行い、その真空度は10-2パスカル以下の雰囲気で、使用したろう材は銀ろう(銀71〜73%、残銅)の0.1mm厚みの箔20を用いた。ろう付は、830℃×15分間の加熱保持条件で行った。
As shown in FIG. 13, the
平板1および溝付き平板4を真空ろう付けすることで、溝付き平板4の溝19gのなかに冷媒流路22が形成される。これにより図14に示す冷媒流路22を有する電極アッセンブリ21が得られる。その後、イオン源用電極に必要なビーム孔23を機械加工にて穿孔した。ビーム孔を加工したイオン源用電極の断面図を図15に示す。この電極アッセンブリ21は、その後、冷却孔22に冷媒を通水するための銅製のヘッダー24a,24bをろう付部28で接合し、これにより図16に示す最終形状のイオン源用電極25が得られる。このようなイオン源用電極25においては、両面にモリブデン材1,3を配し、その内部には冷媒流路22を有し、この冷媒流路22の周壁(冷却水に接する面)には耐食性のバリア材20bを配した構造としている。なお、一方側のヘッダー24aには冷媒供給手段としての冷却水供給源に連通する入口24cが形成され、他方側のヘッダー24bには冷媒流路22を通過した使用済み冷却水が排出される出口24dが形成されている。
The
(実施例)
図3と図4を参照して本発明の実施例を説明する。
(Example)
An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
実施例のイオン源用電極25は、Mo平坦平板(耐熱電極板)1、Cu平坦平板(バリア材)4、溝付きCu平板(バリア材)5、溝付きMo平板(耐熱電極板)3をこの順に積み重ねて互いに接合してなり、この積層体を貫通する複数のビーム孔23と、冷媒が流れる冷媒流路22とを有している。冷媒流路22は、バリア材である溝付き平板5と平坦平板4とで周囲を規定され、上述のヘッダー24a,24bを介して冷媒供給手段の供給ラインに連通している。
The
実施例電極25の各部のサイズを以下に列記する。
The size of each part of the
1)電極の総厚みt1: 3mm
2)厚みt2: 0.3mm
3)溝深さ(段差)t3: 1.2mm
4)厚みt4: 1.5mm
5)厚みt5: 0.3mm
6)厚みt6: 1.7mm
7)厚みt7: 0.7mm
8)冷媒流路の深さd2: 0.5mm
9)冷媒流路の幅W1: 2mm
10)ビーム孔の径: 7mm
この第1の実施形態の作用および効果を、以下に説明する。
1) Total electrode thickness t1: 3 mm
2) Thickness t2: 0.3 mm
3) Groove depth (step) t3: 1.2 mm
4) Thickness t4: 1.5mm
5) Thickness t5: 0.3 mm
6) Thickness t6: 1.7 mm
7) Thickness t7: 0.7mm
8) Refrigerant flow path depth d2: 0.5 mm
9) Width of refrigerant flow path W1: 2 mm
10) Diameter of beam hole: 7mm
The operation and effect of the first embodiment will be described below.
同じ銅材料でも従来の方法である金属溶射やめっきなどは緻密とはいえポーラスであり完全なソリッドの金属組織ではないために耐食性に劣っていたが、本発明は図5に示したように、イオン源用電極を構成する平板および溝付き平板に耐食性に優れる圧延材の金属からなるバリア層を形成するのに熱間等方圧加圧法を用いることで、冷媒流路の内面である3面にも加圧力を加えることができるために、高い面精度を必要としなくとも冷媒流路の内面に貼り付けるバリア層の完全な密着、すなわち強固で耐食性に優れた接合ができる。特に溝付き平板の溝内部のバリア層は、熱間等方圧加圧法によるために全方位加圧である等方圧加圧の利点を生かして従来の方法より強固で健全な接合することができる。したがって、図4の断面図に示すように、冷媒流路22に純水を通水することで冷却効率を高めたモリブデン電極板の欠点であった冷媒流路22および冷媒流路周辺の冷却水による腐食は、純水を用いた冷却水に接する冷媒流路の内週面に耐食性金属である銅からなるバリア層を設けることで腐食を防止し、腐食を防止することで冷却孔から水漏れ対策がなされこの結果、耐食性を目的とした健全なバリア層を有したイオン源用電極を提供できる。
Although metal spraying or plating, which is a conventional method even with the same copper material, is porous although it is dense and not a complete solid metal structure, it is inferior in corrosion resistance, but the present invention, as shown in FIG. Three surfaces, which are the inner surfaces of the refrigerant flow path, are formed by using a hot isostatic pressing method to form a barrier layer made of a rolled metal having excellent corrosion resistance on the flat plate and grooved flat plate constituting the ion source electrode. In addition, since a pressing force can be applied, the barrier layer to be adhered to the inner surface of the refrigerant flow path can be completely adhered, that is, strong and excellent in corrosion resistance, without requiring high surface accuracy. In particular, the barrier layer inside the groove of the grooved flat plate can be bonded stronger and sounder than the conventional method by taking advantage of the isotropic pressurization that is omnidirectional pressurization because of the hot isostatic pressurization method. it can. Therefore, as shown in the cross-sectional view of FIG. 4, the
さらに、イオン源用電極が真空の環境で使用されることから冷媒流路の水漏れだけではなく、真空リークというイオン源のトラブル対策にも効果を示す。すなわち、水漏れあるいは真空リークというトラブルを回避できることは、イオン源のビーム照射による高熱負荷の試験運転にも耐熱金属かつ線膨張率の小さいモリブデンを用いることでビーム孔の寸法変化がなく、かつ安定したビームの照射実験が長くあるいは繰り返し行えることで、照射実験の効率UPにも効果がある。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製イオン源用電極板の信頼性向上が高まると共に、耐熱性および長寿命化のイオン源用電極板を提供することができる。 Furthermore, since the ion source electrode is used in a vacuum environment, the present invention is effective not only for water leakage in the refrigerant flow path but also for countermeasures against ion source troubles such as vacuum leakage. In other words, it is possible to avoid troubles such as water leaks or vacuum leaks. The use of heat-resistant metal and molybdenum with a low coefficient of linear expansion also ensures stable and stable beam holes in test operations with high heat loads caused by ion source beam irradiation. Since the irradiation experiment of the irradiated beam can be performed for a long time or repeatedly, the efficiency of the irradiation experiment can be improved. There is no concern of cooling water leakage due to corrosion by the reject medium. Accordingly, it is possible to provide an ion source electrode plate with improved heat resistance and longer life while improving the reliability of the molybdenum ion source electrode plate assumed to be operated at a high heat load.
なお、本実施例では、耐食性バリア層として一般的に耐食金属と知られる銅の金属を選択したが、銅に限定することなく、モリブデンとの接合性に優れる金属、たとえば少し高価であるが銀やニッケルなどの板あるいはアルミおよびアルミ合金など比較的低融点の金属でも、銅および銅合金と同様の作用および効果が得られる。したがって、イオン源用電極として熱負荷の試験環境あるいは繰り返し回数などに応じたバリア層の組合せや適正化を図ることで、安価で信頼性の高いイオン源用電極を提供することができる。 In this example, a copper metal generally known as a corrosion-resistant metal was selected as the corrosion-resistant barrier layer. However, it is not limited to copper, but a metal excellent in bondability with molybdenum, for example, silver, which is a little expensive. Even with a relatively low melting point metal such as a plate of aluminum or nickel, or aluminum and an aluminum alloy, the same action and effect as copper and a copper alloy can be obtained. Therefore, by combining and optimizing the barrier layer according to the test environment of heat load or the number of repetitions as the ion source electrode, an inexpensive and highly reliable ion source electrode can be provided.
以上述べたように、本実施の形態におけるイオン源用電極によれば、強制冷却タイプのモリブデン製イオン源用電極は冷却媒体の純水がモリブデンと直接接することがないためにモリブデンの冷却水による腐食がなく、従来法の拡散接合接合タイプのモリブデン電極に比較し、長寿命化が実現できる。また、モリブデンの平板および溝付き平板に形成するバリア層は熱間等方圧加圧法により金属的に接合するので強固なバリア層が得られるので信頼性の高いイオン源用電極を提供することができる。 As described above, according to the ion source electrode in the present embodiment, the forced cooling type molybdenum ion source electrode does not directly contact molybdenum with pure water of the cooling medium. There is no corrosion, and a longer life can be achieved compared to conventional diffusion bonding type molybdenum electrodes. In addition, since the barrier layer formed on the molybdenum flat plate and the grooved flat plate is metallically bonded by a hot isostatic pressing method, a strong barrier layer can be obtained, so that a reliable ion source electrode can be provided. it can.
表1に本発明の耐熱電極板およびバリア材に用いる各種金属材料の物性をそれぞれ示す。耐熱電極板にはモリブデン(Mo)、チタン(Ti)またはタンタル(Ta)が適している。これらの材料は融点が高く、かつ線膨張係数が小さいからである。バリア材には銅(Cu)、ニッケル(Ni)またはアルミニウム(Al)が適している。これらの材料は熱伝導率が大きく、かつ水に対する耐食性に優れているからである。
(第2の実施の形態)
次に図17と図18を参照して本発明の第2の実施形態を説明する。なお、本実施形態が上記実施形態と共通する部分の説明は省略する。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In addition, description of the part which this embodiment is common in the said embodiment is abbreviate | omitted.
本実施形態のイオン源用電極25Aは、溝付きMo平板(耐熱電極板)1A、段差付きCu平板(バリア材)4A、段差付きCu平板(バリア材)5A、溝付きMo平板(耐熱電極板)3Aをこの順に積み重ねて互いに接合してなり、この積層体を貫通する複数のビーム孔23と、冷媒が流れる冷媒流路22Aとを有している。冷媒流路22Aは、バリア材である段差付き平板4Aと5Aとで周囲を規定され、上述のヘッダー24a,24bを介して冷媒供給手段の供給ラインに連通している。
The
(実施例)
実施例電極25Aの各部のサイズを以下に列記する。
(Example)
The size of each part of the
1)電極の総厚みt1: 3mm
2)厚みt2,t8: 0.3mm
3)溝深さ(段差)t3,t9: 1.2mm
4)厚みt4: 1.5mm
5)厚みt5: 0.3mm
6)厚みt6: 1.7mm
7)厚みt7: 0.7mm
8)冷媒流路の深さd2: 0.5mm
9)冷媒流路の幅W1: 2mm
10)ビーム孔の径: 7mm
(第3の実施の形態)
図19と図20を参照して本発明の第3の実施形態を説明する。なお、本実施形態が上記実施形態と共通する部分の説明は省略する。
1) Total electrode thickness t1: 3 mm
2) Thickness t2, t8: 0.3mm
3) Groove depth (step) t3, t9: 1.2mm
4) Thickness t4: 1.5mm
5) Thickness t5: 0.3 mm
6) Thickness t6: 1.7 mm
7) Thickness t7: 0.7mm
8) Refrigerant flow path depth d2: 0.5 mm
9) Width of refrigerant flow path W1: 2 mm
10) Diameter of beam hole: 7mm
(Third embodiment)
A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 19 and 20. In addition, description of the part which this embodiment is common in the said embodiment is abbreviate | omitted.
本実施形態のイオン源用電極25Bは、溝付きMo平板(耐熱電極板)1B、段差付きCu平板(バリア材)4B、段差付きCu平板(バリア材)5B、溝付きMo平板(耐熱電極板)3Bをこの順に積み重ねて互いに接合してなり、この積層体を貫通する複数のビーム孔23と、冷媒が流れる冷媒流路22Bとを有している。冷媒流路22Bは、バリア材である段差付き平板4Bと5Bとで周囲を規定され、上述のヘッダー24a,24bを介して冷媒供給手段の供給ラインに連通している。
The
さらに、本実施形態では、溝付きMo平板(耐熱電極板)1Bと段差付きCu平板(バリア材)4Bとの接合面、および段差付きCu平板(バリア材)5Bと溝付きMo平板(耐熱電極板)3Bとの接合面に、それぞれ放熱凹凸構造Pを形成し、電極の冷却効率をさらに向上させるようにしている。 Furthermore, in this embodiment, the joining surface of grooved Mo flat plate (heat resistant electrode plate) 1B and stepped Cu flat plate (barrier material) 4B, and stepped Cu flat plate (barrier material) 5B and grooved Mo flat plate (heat resistant electrode) Plate) A heat dissipation concavo-convex structure P is respectively formed on the joint surface with 3B to further improve the cooling efficiency of the electrodes.
このような形状にすることで電極の冷却効率が高まり、かつ線膨張率の違いに起因する繰り返し応力による接合部の破壊にも強い構造となることが期待できる。 By adopting such a shape, it can be expected that the cooling efficiency of the electrode is increased and the structure is strong against the destruction of the joint due to repeated stress caused by the difference in linear expansion coefficient.
実施例電極25Bの各部のサイズを以下に列記する。
The size of each part of
1)電極の総厚みt1: 3mm
2)厚みt2,t8: 0.3mm
3)溝深さ(段差)t3,t9: 1.2mm
4)厚みt4: 1.5mm
5)厚みt5: 0.3mm
6)厚みt6: 1.7mm
7)厚みt7: 0.7mm
8)冷媒流路の深さd2: 0.5mm
9)冷媒流路の幅W1: 2mm
10)ビーム孔の径: 7mm
11)放熱凹凸構造Pの長さ: 0.1mm
(変形例)
上記実施形態では冷媒流路の横断面形状を矩形とする例について説明したが、本発明はこれのみに限定されるものではなく、図21の(a)に示すようにU字溝を有する平板5cに平坦平板4を接合して半円または半楕円の断面形状の冷媒流路22cとしてもよいし、また、図21の(b)に示すようにV字溝を有する平板5dに平坦平板4を接合して三角形の断面形状の冷媒流路22dとしてもよいし、また、図21の(c)に示すように台形溝を有する平板5eに平坦平板4を接合して台形の断面形状の冷媒流路22eとしてもよい。
1) Total electrode thickness t1: 3 mm
2) Thickness t2, t8: 0.3mm
3) Groove depth (step) t3, t9: 1.2mm
4) Thickness t4: 1.5mm
5) Thickness t5: 0.3 mm
6) Thickness t6: 1.7 mm
7) Thickness t7: 0.7mm
8) Refrigerant flow path depth d2: 0.5 mm
9) Width of refrigerant flow path W1: 2 mm
10) Diameter of beam hole: 7mm
11) Length of heat dissipation uneven structure P: 0.1 mm
(Modification)
In the above embodiment, the example in which the cross-sectional shape of the refrigerant channel is rectangular has been described. However, the present invention is not limited to this, and a flat plate having a U-shaped groove as shown in FIG. A flat plate 4 may be joined to 5c to form a
(第4の実施の形態)
次に本発明の第4の実施形態を説明する。
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described.
第4の実施の形態は、平板および溝付き平板の接合面および溝内部である冷却水が接する面にバリア層を形成する接合方法が図に示さない熱間圧延法を用いることで、圧延クラッド鋼を素材として仕込むことができるのでイオン源用電極材料としては生産性の高い製造方法を提供することができると共に、かつ安価な材料が提供できる。 The fourth embodiment uses a hot rolling method in which a joining method for forming a barrier layer on the joining surface of a flat plate and a flat plate with a groove and the surface in contact with the cooling water inside the groove is not shown in the figure, Since steel can be charged as a raw material, a highly productive manufacturing method can be provided as an ion source electrode material, and an inexpensive material can be provided.
本方法による作用および効果は、熱間圧延法を用いることで、熱間等方圧加圧法の場合に必要であった接合容器内の真空排気や高気密度のシール技術に電子ビーム溶接機など高価な設備を必要とせず、たとえばタングステンイナートガス溶接などでの気密溶接が可能である。この熱間法圧延法の接合メカニズムは、熱間等方圧加圧法の静的な接合メカニズムに対して圧延時の接合界面の変形により酸化物排出など動的な接合メカニズムにより積極的に接合界面の相互拡散が促進されるので、接合前の接合面の管理基準が緩和できることで、製造工程にも裕度が得られるなどの効果が得られる。 The action and effect of this method is that the hot rolling method is used, and the vacuum evacuation in the bonding vessel and the high-density sealing technology required for the hot isostatic pressing method are used for electron beam welding machines, etc. Expensive equipment is not required, and hermetic welding such as tungsten inert gas welding is possible. The joining mechanism of this hot rolling method is more aggressive than the static joining mechanism of the hot isostatic pressing method by a dynamic joining mechanism such as oxide discharge due to deformation of the joining interface during rolling. Since interdiffusion is promoted, the management standard of the joint surface before joining can be relaxed, so that the manufacturing process can be afforded.
1…耐熱電極板(平坦平板)、1A,1B…耐熱電極板(溝付き平板)、
2,2A,2B…溝、
3,3A,3B…耐熱電極板(溝付き平板)、
4,5,5c,5d,5e…バリア材(耐食性バリア層)、
6,6a…セラミックシート(離型材)、
7…接合容器、8…上板、9,10…側板、11…底板、
12a,12b,12c,12d…溶接部、13…熱間等方圧加圧装置、
14…真空ポンプ、15…高圧ポンプ、16…加熱ヒータ、17…加圧方向、
18…複合板、18a…耐熱電極板(平坦平板)、18b…バリア材、
19…複合板、19a…耐熱電極板(溝付き平板)、19b…バリア材、
20…ろう箔(バリア材)、
21(25a)…電極アッセンブリ、
22,22A,22B,22c,22d,22e…冷媒流路、
23…ビーム孔、24a,24b…ヘッダー、24c…冷媒入口、24d…冷媒出口、
25…イオン源用電極、
28…ろう付け部、
31…中性粒子入射装置、32…イオン源、33…ガス、34…フィラメント、
35…プラズマ生成部、36…加速部(電極列)、37…高電圧電源、
39…中性化セル、40…イオンビーム、41…中性粒子ビーム、42…炉心プラズマ、P…放熱凹凸構造。
1 ... Heat-resistant electrode plate (flat plate), 1A, 1B ... Heat-resistant electrode plate (grooved plate),
2, 2A, 2B ... groove,
3, 3A, 3B ... heat-resistant electrode plate (flat plate with groove),
4, 5, 5c, 5d, 5e ... barrier material (corrosion resistant barrier layer),
6, 6a ... ceramic sheet (release material),
7 ... Joining container, 8 ... Top plate, 9, 10 ... Side plate, 11 ... Bottom plate,
12a, 12b, 12c, 12d ... welds, 13 ... hot isostatic pressing device,
14 ... Vacuum pump, 15 ... High pressure pump, 16 ... Heater, 17 ... Pressure direction,
18 ... Composite plate, 18a ... Heat-resistant electrode plate (flat plate), 18b ... Barrier material,
19 ... Composite plate, 19a ... Heat-resistant electrode plate (flat plate with groove), 19b ... Barrier material,
20 ... wax foil (barrier material),
21 (25a) ... electrode assembly,
22, 22A, 22B, 22c, 22d, 22e ... refrigerant flow path,
23 ... Beam hole, 24a, 24b ... Header, 24c ... Refrigerant inlet, 24d ... Refrigerant outlet,
25 ... Ion source electrode,
28 ... brazing part,
31 ... Neutral particle injection device, 32 ... Ion source, 33 ... Gas, 34 ... Filament,
35 ... Plasma generator, 36 ... Accelerator (electrode array), 37 ... High voltage power supply,
39 ... Neutralization cell, 40 ... Ion beam, 41 ... Neutral particle beam, 42 ... Core plasma, P ... Heat radiation uneven structure.
Claims (10)
前記第1及び第2の耐熱電極板の間に挟まれ、かつ前記溝の周壁を被覆するように、前記第1及び第2の耐熱電極板の各々に密着接合され、耐食性の金属材料からなるバリア材と、
前記ビーム孔の近傍に配置され、前記溝の周壁を被覆するバリア材によって周囲を規定され、前記第1及び第2の耐熱電極板を冷却するための冷媒が通流し、少なくとも一部が前記溝のなかに入り込むように配置された冷媒流路と、
を具備することを特徴とするイオン源用電極。 A plurality of beam holes for extracting an ion beam, and at least one of the first and second heat-resistant electrode plates made of a heat-resistant metal material having a continuous groove;
A barrier material that is sandwiched between the first and second heat-resistant electrode plates and is tightly bonded to each of the first and second heat-resistant electrode plates so as to cover the peripheral wall of the groove and is made of a corrosion-resistant metal material When,
The periphery is defined by a barrier material that is disposed in the vicinity of the beam hole and covers the peripheral wall of the groove, and a coolant for cooling the first and second heat-resistant electrode plates flows therethrough, and at least a part of the groove is formed. A refrigerant flow path arranged so as to enter into the inside,
An ion source electrode comprising:
第1のガスからイオンを生成するための放電を生じさせるフィラメントを有するプラズマ生成部と、
前記プラズマ生成部により生成されたイオンに第2のガスを作用させて該イオンを中性化する中性化セルと、
を有することを特徴とするイオン源。 An ion source electrode according to any one of claims 1 to 9,
A plasma generating unit having a filament for generating a discharge for generating ions from the first gas;
A neutralization cell that neutralizes the ions by causing a second gas to act on the ions generated by the plasma generation unit;
An ion source comprising:
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