JP2009252702A - 磁気遮蔽フランジ - Google Patents

Abstract

【目的】本発明は、磁気遮蔽特性を有する配管あるいは容器に設けられたフランジを相互に接続する磁気遮蔽フランジに関し、ＩＣＦの真空シールを保全したままで浮遊磁場を究極迄遮蔽することを目的とする。
【構成】磁気遮蔽特性を有する第１の材質で形成し、固定具で相互に圧接させる磁気遮蔽フランジ部と、磁気遮蔽フランジ部に溶接し、ガスケットを圧接して真空シールする、充分な磁気遮蔽特性を有しないが充分な圧接を繰り返し可能な第２の材質で作成したエッジ部と、エッジ部と磁気遮蔽フランジ部とが接触する両者の内側の部分に、エッジ部に繋がる部分に所定幅で所定高さに形成した第１の溶接部、および磁気遮蔽フランジ部に繋がる部分に所定幅で所定高さよりも若干高く形成した第２の溶接部とを備える。
【選択図】 図４

Description

本発明は、磁気遮蔽特性を有する配管あるいは容器に設けられたフランジを相互に接続する磁気遮蔽フランジに関するものである。

フランジには、国際的に規格化されている寸法を有する、超高真空（ＵＨＶ）関連装置に用いる真空継ぎ手フランジ、例えば国際標準コンフラットフランジ（ＩＣＦ：International Conflat Flange）がある。本発明は、特に、ＩＣＦにおいて互いのフランジを複数のネジで真空シール接続するところのＰＣ製（磁気遮蔽特性の優れたパーマロイＣ製）のフランジ部と固定時にガスケットを介して真空シールするところのＳＵＳエッジ（繰り返し締め付けに強いステンレスエッジ）を有すことにより、ＰＣによる磁気シールド機能を有し、かつＩＣＦ内側の真空内に外部磁場が及ばないことを特徴とする磁気遮蔽フランジに関するものである。

本発明に係る磁気遮蔽フランジは、低速電子線装置（低加速SEM）、低速電子回折装置、低速電子線エネルギー分析器等の真空パーツとして用いる。これらは、表面解析、材料解析、複合材料開発、機能材料解析等の物理や化学の研究分野で必需である。工業分野では、微小複合材料や微小機能材料、微小パ−ツ等の製造及び品質管理では必携である。特に半導体分野、機能粉体を扱う医療分野、エネルギ−(燃料電池材料)分野にも及ぶものである。

従来、超高真空の配管や超高真空装置の真空シールを確実に行う要件は、アウトガスが極めて小さいこと、真空シールが確実であること、真空接続時に位置の再現性があることである。これを満たす真空継ぎ手として、世界共通規格のＩＣＦがある。ＩＣＦは一般的にＳＵＳ製であり上記要件を満足する。即ち、ＳＵＳはアウトガスが極めて小さくかつ表面の酸化等による変化も少なく、変形しにくい特徴がある。

（１）ＳＵＳ製ＩＣＦについて：世界規格であるＩＣＦを図１に示す。材質はＳＵＳ３０４（ステンレスのなかの１種：ＪＩＳ名称、以下ＳＵＳと称す）である。この図１で、１は回転対称軸仮想線である。互いに向き合うＩＣＦ３とＩＣＦ４について、銅製ガスケット１０を介して所定（複数）のフランジ周囲に展開せるネジ１とナット２又はネジの締め付けによって結合すると、ガスケット１０にＩＣＦのエッジ７が食い込んで、真空シールを得ることができる。ガスケット１０は嵌め合い部９で嵌め合うので、エッジ７とエッジ傾斜部８と嵌め合い部９に囲まれる部分がガスケット１０に高い圧力をかけ、エッジ７とガスケット１０間は真空シールされる。エッジ７に食い込んだガスケット１０はエッジ７及びエッジ傾斜部８で高い真空シール性を得る。このとき、嵌め合ったガスケット１０は嵌め合い部９で両フランジの位置の再現性を保証している。かくして真空配管又は真空機器外筒は真空シールをされて結合を成す。以下ＩＣＦに接続する配管又は真空機器外筒を図から省略して、ＩＣＦのみの図で説明する。

また、エッジを真空シールに利用せずに、ＩＣＦのエッジの傾斜部８で真空シールする別種ガスケット１１を使用する事例も多い（図１の（ｄ））。

いずれの場合も、ガスケットは変形するので消耗品であるが、ＩＣＦ自体はＳＵＳ製であり、エッジ及びエッジの傾斜部の変形はなく、永続的に使用できる。

しかし、ＳＵＳの初期透磁率μ_iは極めて小さく（μ_i=約１）、浮遊磁場はＩＣＦを通過して真空内部に及んでしまう。真空系内で動作する低速電子線等の装置では、浮遊磁場の影響を受ける。即ち、電磁気学によれば下式のごとく電子にかかる力はその速度と磁束密度とのベクトル積で表され、これに従って電子線は曲げられる。

mα = -e・v×B
但し、ｍ：電子の質量（9.1×10^-31 kg）
α：電子の加速度ベクトル（m/sec²）
e ：電子電荷量（1.6×10^-19 Coul）
v ：電子の速度ベクトル（m/sec）
B：磁束密度ベクトル（Teslar）
即ち、電子線の進行方向に垂直な方向を持つ磁束密度Ｂによる電子線は、両者に垂直な面上で半径ρの円軌道を成す。

ρ＝（m＊v）／（ e＊B） （式１）
但し、ρ：軌道の回転半径（m）
（式１）により、例えば電子線エネルギーを２桁小さくすると、その速度は１桁小さくなるので、ρは１桁小さくなる。

低速電子線照射装置の場合、外部磁場には（式１）によって敏感に反応し、その分解能を害したり、電子線が着地点で振動したり、電子線自体が反れて着地点に到着しない等の問題を起こす。また電子線のエネルギーアナライザ等の計測装置に於いても、同様の問題を起こす。その程度は電子線エネルギーの１／２乗に反比例し、外乱磁場に比例するので、低加速になればなるほど影響は大きい。

例えば、直進していた１００ｅＶの電子線がその進行方向に対して垂直な方向の磁束密度４００Ｇａｕｓｓ（凡そ地磁気の大きさ）を被ると、電子ビームに回転半径約０．８４ｍの運動軌道を与え、その直進性を著しく妨げる。結果、電子ビームに揺乱を与え、電子レンズでの所定の軌道を得られず、電子線自体の消失等々の問題を発生する。

特に、低加速電子ビームを扱う装置に於いては、装置の周りを磁気シールドで覆う方法をとるが、複雑な形状を成す装置外周に磁気シールド材を配置するのは一般的に大変な労力を要する。また配管穴や配線や装置形状による制約によって、これを施せない部分もあり、継ぎ目の無い万全な磁気シールドを施すのは困難であるという問題があった。

（２）ＰＣ製ＩＣＦについて：一方、高磁気シールド材、例えばμ_i=30,000以上を有するＰＣ（Permalloy C：JIS規格呼称）を用いてＩＣＦ３，４等を作成すると、ＩＣＦ形成後に、磁気シールド特性を最適化する為に不可避的にメーカーで定める磁気焼鈍（最大約1,050℃）を行う結果、その硬度は１２９ＨＶと相当柔らかく、銅ガスケット１０で真空シールする部分、即ちＰＣ製ＩＣＦのエッジ７及びエッジの傾斜部８の変形が発生し、真空シールの機能を失うという問題が発生する。

また、低い８５０℃の磁気焼鈍とすると、硬度は１５９ＨＶ〜１６５ＨＶとなって十分硬く、変形等は発生せずに真空シール機能は達成できるが、この焼鈍温度での初期透磁率μ_i=30,000以上は全く保証されず、充分は磁気遮蔽が得られないという問題が発生する。

本発明は、これらの問題を解決するため、磁気遮蔽特性を有する配管あるいは容器に設けられたフランジを相互に接続する磁気遮蔽フランジにおいて、磁気遮蔽特性を有する第１の材質で形成し、固定具で相互に圧接させる磁気遮蔽フランジ部と、磁気遮蔽フランジ部に溶接し、ガスケットを圧接して真空シールするための、充分な磁気遮蔽特性を有しないが充分な圧接を繰り返し可能な第２の材質で作成したエッジ部と、エッジ部と磁気遮蔽フランジ部とが接触する両者の内側の部分に、溶接するロウを置く第１の隙間を設けたロウ置き部と、ロウ置き部に置いたロウが溶解したときに表面張力で引き込んで溜める、第１の隙間よりも内側に設けかつ隙間が小さい第２の隙間を有するロウ溜め部とを備えるようにしている。

また、磁気遮蔽特性を有する第１の材質で形成し、固定具で相互に圧接させる磁気遮蔽フランジ部と、磁気遮蔽フランジ部に溶接し、ガスケットを圧接して真空シールする、充分な磁気遮蔽特性を有しないが充分な圧接を繰り返し可能な第２の材質で作成したエッジ部と、エッジ部と磁気遮蔽フランジ部とが接触する両者の内側の部分に、所定幅で所定高さのほぼ同じ形状にした第１の溶接部と第２の溶接部とを備え、第１の溶接部と第２の溶接部との両者の先端部分に、第２の材質と同じ材質、あるいは充分な磁気遮蔽特性を有しないが充分な圧接を繰り返し可能な材質を溶解して盛り上げて溶接するようにしている。

また、磁気遮蔽特性を有する第１の材質で形成し、固定具で相互に圧接させる磁気遮蔽フランジ部と、磁気遮蔽フランジ部に溶接し、ガスケットを圧接して真空シールする、充分な磁気遮蔽特性を有しないが充分な圧接を繰り返し可能な第２の材質で作成したエッジ部と、エッジ部と磁気遮蔽フランジ部とが接触する両者の内側の部分に、エッジ部に繋がる部分に所定幅で所定高さに形成した第１の溶接部、および磁気遮蔽フランジ部に繋がる部分に前記所定幅で前記所定高さよりも若干高く形成した第２の溶接部とを備え、第２の溶接部の若干高い部分を溶解して第１の溶接部に溶接するようにしている。

これらの際に、第２の隙間を、第１の隙間の幅から徐々に小さくするようにしている。

また、第１の溶接部の所定の高さを、所定幅の１倍から３倍の範囲とし、第２の溶接部の所定の高さを、第１の溶接部の所定の高さに、更に、所定幅の１倍から２倍の範囲を加えるようにしている。

また、第１の材質と第２の材質とを溶接後に、第１の材質を焼鈍するための所定温度に昇温した後に降温し、第１の材質を高磁気遮蔽材にするようにしている。

また、磁気遮蔽フランジ部の材質をパーマロイＣとし、エッジ部の材質をＳＵＳとするようにしている。

本発明は、ＰＣ製のフランジ部にＳＵＳ製のエッジ部を溶接又は銀ロー付けを成しまたはエッジ部と同材質のＳＵＳを溶接材として両者を溶接して磁気シールドを持つＩＣＦとすることにより、ＩＣＦの真空シールを保全したままで浮遊磁場を究極迄遮蔽すること
ができる。その結果、表面解析等に有用な低速電子線の軌道を保全できることにつながる。

本発明は、ＰＣ製のフランジ部にＳＵＳ製のエッジ部を溶接又は銀ロー付けを成しまたはエッジ部と同材質のＳＵＳを溶接材として両者を溶接して磁気シールドを持つＩＣＦとすることにより、ＩＣＦの真空シールを保全したままで浮遊磁場を究極迄遮蔽することを実現した。

図１は、フランジの説明図を示す。

図１の（ａ）は、フランジの概略説明図を示す。図示のフランジは、１回転対称軸仮想線を中心にして上側の断面を模式的に示したものである。

図１の（ａ）において、ネジ１およびナット２は、対になって当該ネジ１を当該ナット２に結合して両者を回転させて絞め合わせることで、ＩＣＦ（International Conflat Flange、国際標準コンフラットフランジ、ＩＣＦという）３，４を相互に密着した状態で固定するためのものである。

ＩＣＦ３，４は、フランジであって、当該フランジを構成するエッジ７でガスケット１０を圧接して超高真空を保持するためのものである。ここで、エッジ傾斜部８なる形状はガスケット１０とエッジ７による気密保持をより確実にする役割を担うものである。

真空配管又は真空機器外筒５は、ＩＣＦ３，４に接続された配管、容器である。

エッジ７は、ガスケット１０を相互に圧接して超高真空を保持するためのものである。

エッジ傾斜部８は、エッジ７を形成するための傾斜部である。

嵌め合い部９は、相対するＩＣＦ３，４がガスケット１０を圧接する態様で相互に嵌め合うように構成された部分である。

図１の（ｂ）は、図１の（ａ）の構造のフランジをネジ１とナット２の複数の組で相互に圧接する態様で固定した状態を示す。この状態では、ガスケット１０がＩＣＦ３，４のエッジ７でそれぞれ相対した位置を圧接し、超高真空を保持する状態に固定されている。ガスケット１０は、純銅などを用い、繰り返し使用できるものである。

図１の（ｃ）は、別種ガスケット１１を用いて固定した状態を示す。図示の状態の別種ガスケット１１は、図１の（ｂ）のガスケット１０がエッジ７の先端で圧接して超高真空を保持できる状態に固定したのに対し、当該図１の（ｃ）はエッジ７のエッジ傾斜部８で圧接して超高真空を保持できる状態に固定したものである。いずれにしても、ガスケット１０，１１のいずれかの一部の相対した場所を局部的に圧接して超高真空を保持できる状態にすればよい。

以上の構成を持つＩＣＦ３，４を用い、当該ＩＣＦ３，４を構成するエッジ７あるいはエッジ傾斜部８などでガスケット１０，１１の相対する場所を相互に圧接して超高真空（超高圧）を保持、即ち、リークが極めて小さい状態に保持するように固定している。この際、ＩＣＦ３，４を磁気遮蔽の高い材質（「第１の材質」という、例えばパーマロイＣ）で構成した場合、当該磁気遮蔽の高い材質はエッジ７、エッジ傾斜部８として形成すると、材質の固さが充分でなく、エッジ７およびエッジ傾斜部８にへたりが生じて充分は気密が保持できず、更に、繰り返し使用が不可となる問題があった。

それを解決するために本願発明では、図２以降に説明する構造および処理方法などを採用し、当該問題を解決したものである。以下順次詳細に説明する。

図２は、本発明の説明図（その１）を示す。図２は、銀ロー付けの例を示す。

図２の（ａ）は、本発明の概略説明図を示す。

図２の（ａ−１）は全体構成図を示し、図２の（ａ−２）はＳＵＳ製エッジ２２とその近傍の拡大図を示す。

図２の（ａ−１）および（ａ−２）において、ＰＣ製フランジ２１は、磁気遮蔽が充分に高い材質であるパーマロイＣで作成したフランジである。

ＳＵＳ製エッジ２２は、エッジとして磁気遮蔽が充分に高くはなくが、硬度が充分に高い材質であるＳＵＳで作成したフランジである。

嵌め合い部２３は、ＳＵＳ製エッジ２２をＰＣ製フランジ２１に、半径方向に位置きめしてはめ合わせる部分である。

合わせ面２４は、ＳＵＳ製エッジ２２をＰＣ製フランジ２１に、軸方向に合わせするための面である。

銀ロウ溜め部２５は、銀ロウ置き部２６に置いた銀ロウが溶け、表面張力で引き込んで当該銀ロウを溜める部分である。溶けた銀ロウは、ＳＵＳ製エッジ２２とＰＣ製フランジ２１との接触した部分に表面張力の力で引き込まれて行き渡り、残った銀ロウが当該銀ロウ溜め部２５あるいは銀ロウ置き部２６に残留することとなる。銀ロウ溜め部２５の隙間は、溶けた銀ロウが表面張力で引き込むに充分な隙間でよく、例えば０．１〜０．５ｍｍ程度にする。

銀ロウ置き部２６は、銀ロウを置く場所である。銀ロウを当該銀ロウ置き部２６においた状態で、ＰＣ製フランジ２１，ＳＵＳ製エッジ２２を重力あるいは治具で固定した状態で、全体を当該銀ロウが溶ける温度に加熱し、溶けた銀ロウは表面張力の力で銀ロウ溜め部２５を介してＳＵＳ製エッジ２２とＰＣ製フランジ２１との接触部分に同様に表面張力の力で引き込まれて行き渡る。そして、冷却することでＳＵＳ製エッジ２２がＰＣ製フランジ２１に銀ロウ付けされ、超高真空に耐えうる接続が行われることとなる（詳細は図５フローチャートを用いて後述する）。

図２の（ｂ）は、図２の（ａ−２）のＳＵＳ製エッジ２２の近傍の拡大図を示す。

図２の（ｂ−１）は銀ロウ２７を銀ロウ置き部２６に置いた状態を示し、図２の（ｂ−２）は銀ロウが溶けて銀ロウ溜め部２５および銀ロウ置き部２６に溜まった状態を示す。

図２の（ｂ−１）において、銀ロウ２７は、図２の（ａ−２）の銀ロウ置き部２６に平たいリング状の銀ロウを置いた状態を示す。

図２の（ｂ−２）において、溶けた銀ロウ２８は、図２の（ｂ−１）の状態で加熱して銀ロウ２７を溶かし、当該溶けた銀ロウが表面張力の力で銀ロウ溜め部２５、更に、ＳＵＳ製エッジ２２がＰＣ製フランジ２１とに接触する部分に引き込まれて銀ロウ付けし、残った銀ロウが当該銀ロウ置き部２６に残って固まった状態を示す。

以上説明した図２の（ａ）および（ｂ）に示すように、銀ロウ置き部２６に銀ロウを置いた状態で、全体を加熱して当該銀ロウを溶かして表面張力の力でＳＵＳ製エッジ２２をＰＣ製フランジ２１の接触している部分に銀ロウ付けすることが可能となると共に、残った銀ロウを銀ロウ溜め部２５、更に銀ロウ置き部２６に滞留させ、充分な銀ロウをＳＵＳ製エッジ２２とＰＣ製フランジ２１との接合面に供給し、完全に銀ロウ付けすることが可能となる。

図２の（ｃ）は、他の例を示す。

図２の（ｃ−１）は、銀ロウ溜め部２５の幅を銀ロウ置き部２６の幅から徐々に狭くした構造例を示す。図示の構造を持たせることにより、銀ロウ置き部２６に置いた銀ロウが溶けたときに表面張力の力で当該溶けた銀ロウが全て銀ロウ溜め部２５の方向に誘引され易くなり、外部の不要な場所に銀ロウ付けされないようにすることが可能となる。

図２の（ｃ−２）は、銀ロウ置き部２６の外側に邪魔板２８，２９を配置して溶けた銀ロウが外部に蒸発したりなどしないようにした構造例を示す。図示の構造にすることにより、銀ロウ置き部２６に置いた銀ロウが溶けた場合に、外部に蒸発して不要な場所に付着したり、表面を伝わって外部に誘導されたりする事態を防止し、銀ロウが不要な外部の場所に付着し、銀ロウ付け後に、不要な場所に付着した銀ロウを除去する作業を軽減することが可能となる。

図３は、本発明の説明図（その２）を示す。図３は、ＳＵＳ製エッジ３２とＰＣ製フランジ３１との溶接部３５に、ＳＵＳ製溶接棒を溶かして両者を溶接する例を示す。

図３の（ａ）は、溶接前の概略説明図を示す。

図３の（ａ）において、ＰＣ製フランジ３１は、磁気遮蔽の高いパーマロイＣで作成したフランジである。

ＳＵＳ製エッジ３２は、硬度の高いＳＵＳで作成したエッジである。

嵌め合い部３３は、ＳＵＳ製エッジ３２をＰＣ製フランジ３１に、半径方向に位置きめしてはめ合わせる部分である。

合わせ面３４は、ＳＵＳ製エッジ３２をＰＣ製フランジ３１に、軸方向に合わせるための面である。

溶接部３５は、ＳＵＳ製エッジ３２およびＰＣ製フランジ３１の両者にほぼ同じ形状で作成した凸形状の溶接部であって、幅ａおよび高さｂ（ＰＣ製フランジ３１側），高さｃ（ＳＵＳ製エッジ３２側）を持つ部分であり、これらの関係は下記の関係を有するものである。

ｂ，ｃ＝ａ×（１〜３）・・・・・・（式２）
ここで、ｂ，ｃはＰＣ製フランジ３１側、ＳＵＳ製エッジ３２側の高さであり、ａは両者の幅である。即ち、ＰＣ製フランジ３１側およびＳＵＳ製エッジ３２側の高さｂ，ｃは、幅の１倍から３倍の範囲で作成することが望ましい。この範囲内で作成した溶接部３５では、別のＳＵＳ製溶接棒を溶かして当該溶接部３５に盛り上げる溶接を行った場合に、良好な溶接が行われる範囲である。尚、幅を両者で同一としたが、異ならせた場合には、両者の溶接部３５の先端に、ＳＵＳを溶かして盛り上げるときにほぼ同じ温度に加熱されれるように、当該幅を広くすれば高さを高く、逆に幅を狭くすれば高さを低くするように調整してもよい。この幅は溶接後の接合の強度を与えるものであり、例えば直径７０ｍｍのＩＣＦであれば、１〜１．５ｍｍ程度で十分である。

ストレス抜き部３６は、嵌め合い部３３と合わせ面３４とが接合する部分に設けた隙間であって、溶接部３５が溶接された後に室温に戻ったときにかかる力（ストレス）により、合わせ面３４、嵌め合い部３３が相互に離れたりずれたりなどする事態を許容するためのものである。

図３の（ｂ）は、図３の（ａ）の構造のもとでＳＵＳを溶かして溶接した後の状態を
模式的に示す。

図３の（ｂ）において、接合部３７は、ＳＵＳを溶かしつつほぼ半円形状になるように、ある点から初めて一周に渡り溶接した後の１つの断面を示す。ここでは、ＳＵＳ製溶接棒を溶かしつつほぼ半円形状に図３の（ａ）の溶接部３５に盛り上げることを、ある点から初めて一周に渡り溶接し、ある点の断面図を図示の溶接部３６として示したものである（詳細には後述する図６で説明する）。

以上のように、図３の（ａ）に示す溶接部３５を設け、当該溶接部３５の上に半円形状にＳＵＳ製溶接棒を溶かしつつある点から初めて一周に渡り溶接することにより、図３の（ｂ）に示す溶接部３６をＰＣ製フランジ３１とＳＵＳ製エッジ３２との接触した溶接部３５に盛り上げて溶接（ＳＵＳリッチの溶接）することが可能となる。ここでは、ＳＵＳ製溶接棒を溶かして溶接部３５に半円形状に盛り上げて接合部３６（ＳＵＳリッチの接合部３６）を形成して両者を溶接して超高真空に耐えうる良好な結果が得られるが、逆にＰＣ（パーマロイＣ）を溶かして溶接部３５に半円形状に盛り上げて接合部３６（ＰＣリッチの接合部３６）を形成して両者を溶接した場合には、冷却後にひび割れしたりなどし、超高真空に耐えうる良好な結果が得られなかった。ここで、ＳＵＳリッチな接合部３６を形成した場合には、溶接後に磁気焼鈍（約１０５０℃）を施した後に接合部３６にクラックが入ることも無い。

尚、溶接部を溶接盛り上げで接合部３７を形成する場合、溶接盛り上げ材としてＳＵＳは上述したように相性が極めて良好であるが、ＰＣ材、ＰＢ材を溶接盛り上げて接合部３７を形成して溶接した場合には、良好な溶接結果は得られない。これは、接合部３７のＳＵＳ製エッジ３２側はＳＵＳリッチであり、ＰＣ製フランジ３１側に至るにつれて穏やかにＳＵＳ成分が薄れてＰＣリッチとなり、更にＰＣ母材であるＰＣ製フランジ３１に繋がることにあると考えられる。

また、溶接部３５の幅ａは、当該溶接部３５の厚みを決定するものであって、厚ければ強度の強い接合となり、薄ければ弱い接合となる。溶接部３５の高さ（溶接代）ｂ，ｃは、溶接時および磁気焼鈍時の熱ストレスを緩和することで、接合部３６や溶接部３５のクラック等の発生確率を極めて低くする役目がある。実使用では、超高真空装置として使用され、超高真空を得るためには、ベイクアウト（目的によって異なるが、１５０℃〜２５０℃）にしながら真空を引くので、当該接合部３６、溶接部３５は繰り返し熱ストレスを受けるが、上述したＳＵＳリッチの接合部３６の場合には、真空漏れや変形などの問題が発生しない。

また、溶接部３５の高さ（溶接代）ｂ，ｃを余り短くすると、溶接部３５から周辺への熱伝導が大きくなり、限られた熱量で当該溶接部３５を充分昇温することが難しくなり、充分な接合強度を得ることが困難となる。

図４は、本発明の説明図（その３）を示す。図４は、ＳＵＳ製エッジ４２とＰＣ製フランジ４１との溶接部４５の高さを異ならせて、高い方のＳＵＳを溶かして両者を溶接する例を示す。これは、特に、狭い空間内で溶接する場合、図３の例では盛り上げるＳＵＳ棒を溶接部５５に押付けながら一定量を溶かして半円形状に盛り上げることを、ある点から初めて一周に渡り連続して行う必要があるが、図４の盛り上げるＳＵＳ棒を使用しない場合には溶接をより簡単にすることが可能となる。以下詳細に説明する。

図４の（ａ）は、溶接前の概略説明図を示す。

図４の（ａ−１）は全体の断面図を示し、図４の（ａ−２）はＳＵＳ製エッジ４２の部分の拡大図を示す。

図４の（ａ−１）および（ａ−２）において、ＰＣ製フランジ４１は、磁気遮蔽の高いパーマロイＣで作成したフランジである。

ＳＵＳ製エッジ４２は、硬度の高いＳＵＳで作成したエッジである。

嵌め合い部４３は、ＳＵＳ製エッジ４２をＰＣ製フランジ４１に、半径方向に位置きめしてはめ合わせる部分である（いずれか一方でもよい）。

合わせ面４４は、ＳＵＳ製エッジ４２をＰＣ製フランジ４１に、軸方向に合わせるための面である。

溶接部４５は、ＳＵＳ製エッジ４２の高さを高くし、ＰＣ製フランジ４１の高さを低くして作成した凸形状の溶接部であって、幅ａおよび高さｂ（ＰＣ製フランジ４１側），高さｃ（ＳＵＳ製エッジ４２側）を持つ部分であり、これらの関係は下記の関係を有するものである。

ｂ＝ａ×（１〜３）
ｃ＝ｂ＋ａ×（１〜２）・・・・・・（式３）
ここで、ｂ，ｃはＰＣ製フランジ４１側、ＳＵＳ製エッジ４２側の高さであり、ａは両者の幅である。即ち、ＰＣ製フランジ４１側の高さｂは、幅ａの１倍から３倍の範囲で作成することが望ましい。ＳＵＳ製エッジ４２側の高さｃはＰＣ製フランジ４１側の高さｂに、更に、幅の１倍から２倍を加算した高さの範囲で作成することが望ましい。この範囲内で作成した溶接部４５では、後述する高いＳＵＳ製エッジ４２の母材のＳＵＳを溶かして当該溶接部４５に半円形状に盛り上げる溶接を行った場合に、良好な溶接が行われる範囲である。尚、幅を両者で同一としたが、異ならせた場合には、両者の溶接部４５の先端に、高いＳＵＳ製エッジ４２の母材のＳＵＳを溶かして盛り上げるときにほぼ同じ温度に加熱されれるように、当該幅を広くすれば高さを高く、逆に幅を狭くすれば高さを低くするように調整してもよい。

尚、（式３）のａ×（１〜２）の高さ（ｃがｂよりの高い部分）である過長部の高さは、当該過長部を溶かして丁度、半円形状に溶接できるように当該高さを実験により求めて決める。

図４の（ｂ）は、図４の（ａ）の溶接部４５の向きを、半径方向の溶接部５５にした例を示す。他は、同じであるので、説明を省略する。

図５は、本発明の溶接説明フローチャート（その１）を示す。これは、図２の溶接を説明するフローチャートである。

図５において、Ｓ１は、フランジ部、エッジ部を加工する。これは、図２のＰＣ製フランジ２１およびＳＵＳ製エッジ２２を加工する。

Ｓ２は、ホウ砂を塗布する。これは、Ｓ１で加工した図２のＰＣ製フランジ２１およびＳＵＳ製エッジ２２の、溶接する部分にホウ砂を塗布する。例えば、ホウ砂を水に溶いたもの（実際はホウ砂に溶接を良好にする材料を混ぜた溶接補助材）を、銀ロウ付けする対象の図２の嵌め合い部２３、合わせ面２４、銀ロウ溜め部２５、銀ロウ置き部２６、および銀ロウ２７に塗布する。

Ｓ３は、嵌め合わせる、および銀ロウを入れる。これは、図２の（ｂ−１）に示すように、ＰＣ製フランジ２１に、ＳＵＳ製エッジ２２を重力あるいは治具で相互が密着する方向に力が印加されるようにした状態で、銀ロウ２７（例えばリング状）を銀ロウ置き部２６に入れる。尚、銀ロウの量は、予め実験により、外部に流れて不要な個所に銀ロウが付着しない量を求めておく。

Ｓ４は、炉中で６００℃オーダに加熱する。これは、Ｓ１からＳ３で、ＰＣ製フランジ２１にＳＵＳ製エッジ２２を取り付け、銀ロウ２７を銀ロウ置き部２６に入れた状態で、全体を約６００℃に加熱する。

Ｓ５は、銀ロウが溶けたことを確認し、降温する。これは、Ｓ４で全体を加熱して図２の（ｂ−１）の銀ロウ２７を溶かし、図２の（ｂ−２）に示すように、溶けた銀ロウを、銀ロウ置き部２６、銀ロウ溜め部２５、嵌め合い部２３、合わせ面２４に表面張力で行き渡らしたことを確認した後、降温する。

Ｓ６は、溶接完了する。Ｓ５の降温して室温になったときに溶接完了する。ＰＣ製フランジ４１は予め焼鈍しておく。

以上によって、図２のＰＣ製フランジ２１およびＳＵＳ製エッジ２２を加工し、銀ロウ２７を図２の（ｂ−１）に示すように銀ロウ置き部２６に入れた後に、全体を加熱して銀ロウを溶かすことにより、ＰＣ製フランジ２１およびＳＵＳ製エッジ２２を銀ロウ付け溶接することが可能となる。

図６は、本発明の溶接説明フローチャート（その２）を示す。これは、図３の溶接を説明する説明図である。

図６において、Ｓ１１は、フランジ部、エッジ部を加工する。これは、図３のＰＣ製フランジ３１およびＳＵＳ製エッジ３２を加工する。

Ｓ１２は、重力又は治具で両者を固定する。これは、Ｓ１１で加工した図３のＰＣ製フランジ３１およびＳＵＳ製エッジ３２の溶接する部分を重力あるいは治具で相互が密着する方向に力が印加されるように固定する。

Ｓ１３は、盛り用のＳＵＳ材を当てながら１点から初めて１周溶接する。これは、不活性ガス（例えばアルゴン）を図３の溶接部３５に吹きつけながら電気溶接でアークを発生させ、当該アークで加熱された溶接部３５の上に、ＳＵＳ製エッジ３２と同じ材質のＳＵＳ棒を近づけて溶かして半円形状に盛り上げて溶接する。この際、溶接部３５の一点からＳＵＳ材を溶かして半円形状に盛り上げつつ一周に渡り連続して行い、最初の一点に戻って溶接を終了する。

Ｓ１４は、磁気焼鈍する。これは、ＰＣ製エッジ３２について公知の磁気焼鈍を行い、ＰＣ本来の磁気特性を発揮させるようにする（図９参照）。

Ｓ１５は、溶接完了する。

以上によって、図３のＰＣ製フランジ３１およびＳＵＳ製エッジ３２を加工し、溶接部３５にＳＵＳを溶かして半円形状に盛り上げることを一点から初めて一周に渡り溶接することにより、ＰＣ製フランジ３１およびＳＵＳ製エッジ３２をＳＵＳで溶接することが可能となる。

図７は、本発明の溶接説明フローチャート（その３）を示す。これは、図４の溶接を説明するフローチャートである。

図７において、Ｓ２１は、フランジ部、エッジ部を加工する。これは、図４のＰＣ製フランジ４１およびＳＵＳ製エッジ４２を加工する。

Ｓ２２は、重力又は治具で両者を固定する。これは、Ｓ２１で加工した図４のＰＣ製フランジ４１およびＳＵＳ製エッジ４２の溶接する部分にホウ砂を塗布した後、両者を重力あるいは治具で相互が密着する方向に力が印加されるように固定する。

Ｓ２３は、ＳＵＳの過長部を盛り代として溶接する。これは、不活性ガス（例えばアルゴン）を図４の（ａ−２）の溶接部４５に吹きつけながらあるいは還元雰囲気中で電気溶接でアークを発生させ、当該アークで加熱された溶接部４５の長い過長部（ＳＵＳ製エッジ４２の過長部）を、溶かして半円形状に溶接する。この際、溶接部４５の一点から過長部を溶かして半円形状にしつつ一周に渡り連続して行い、最初の一点に戻って溶接を終了する。

Ｓ２４は、磁気焼鈍する。これは、ＰＣ製フランジ４１について公知の磁気焼鈍を行い、ＰＣ本来の磁気特性を発揮させるようにする（図９参照）。

Ｓ２５は、溶接完了する。

以上によって、図４のＰＣ製フランジ４１およびＳＵＳ製エッジ４２を加工し、溶接部４５のＳＵＳ製エッジ２の過長部（ＳＵＳ）を溶かして半円形状にすることを一点から初めて一周に渡り溶接することにより、ＰＣ製フランジ４１およびＳＵＳ製エッジ４２を当該ＳＵＳ製エッジ４２の母材であるＳＵＳで溶接することが可能となる。

図８は、本発明の溶接した断面図を示す。図８の断面図は、既述した図４の構造に加工した試験片について、既述した図７のフローチャートに従い溶接し、溶接後に溶接面をカットした断面の顕微鏡写真を示す。

図８において、ＳＵＳは、ステンレス（ＳＵＳ３０４）であって、溶接部の高さは当初（溶接前）、ＰＣの高さよりも、約幅分だけ高く形成したものである（（式３）のｃの高さの範囲）。

ＰＣは、パーマロイ（パーマロイＣ）であって、溶接部の高さは当初（溶接前）、ＳＵＳの高さよりも、約幅分だけ低く形成したものである（（式３）のｂの高さの範囲）。

溶接部は、ＳＵＳの幅分だけ高く形成した部分を溶接で溶かして当該ＳＵＳとＰＣとの接合部に図示のように盛り上げる形状に、ある１点から初めて一周に渡り溶接し、冷却後に断面をカットしたものの顕微鏡写真である（図７のフローチャートとその説明参照）。

ストレス抜き部は、溶接した溶接部を冷却したときの各部の熱膨張係数の違いなどによるストレス（歪み）を軽減するための隙間である。

尚、溶接部を構成するＳＵＳ，ＰＣの幅はそれぞれ約１ｍｍ幅、高さは約２ｍｍ，１ｍｍ程度である。

溶接部の断面の写真から判明するように、ＳＵＳを溶かして当該ＳＵＳとＰＣとの接合部に図示のように盛り上げることにより、良好な溶接が可能であることが当該写真から判明した。逆に、ＰＣを溶かして当該ＰＣとＳＵＳとの接合部に盛り上げた場合には、良好な溶接が不可で、冷却後にクラックが発生したりなどし、超高真空のフランジの溶接には使用不可であった。

図９は、本発明の説明図を示す。

図９の（ａ）は、パーマロイ、ＳＵＳの物理特性の例を示す。

図９の（ａ）において、パーマロイはＰＣ．ＰＢなどが図示のようにあり、初期透磁率が極めて高く、磁気遮蔽が有効である特性がある。一方、硬度ＨＶは低く、例えば１２９ＨＶ（１０５０℃焼鈍して初期透磁率を良好にした時のＰＣ）で、上述したＩＣＦのエッジに使えない。

ＳＵＳは３０４，３１６，３１０などがあり、通常、初期透磁率はパーマロイに比較して極めて小さく、磁気遮蔽には有効でない特性がある。一方、硬度ＨＶは高く、例えばパーマロイの１０５０℃焼鈍して初期透磁率を良好にした時でも、１５６ＨＶあり（ＳＵＳ３０４）、上述したＩＣＦのエッジに使用可能で、繰り返しに耐えうる物理特性を有しているものである。

図９の（ｂ）は、硬度ＨＶと透磁率特性両者が成立する条件の説明図を示す。

図９の（ｂ）において、
（１）ＳＵＳ単独では、磁気的に不成立である。

（２）ＰＣ単独では、８５０℃磁気焼鈍なら磁気特性は落ちるものの使用可である。

（３）ＰＣとＳＵＳの組み合わせで、１０５０℃焼鈍が成立する。

本発明は、（３）のＰＣとＳＵＳの組み合わせで、ＰＣの初期透磁率を高くする焼鈍温度１０５０℃で焼鈍しても、充分な初期透磁率をＰＣに確保して図２から図４のＰＣ製フランジ２１，３１，４１の初期透磁率を極めて高くして磁気遮蔽を高くした状態で、かつ、図２から図４のＳＵＳ製エッジ２２，３２，４２の硬度を１５６を確保し、両者を銀ロウ付け、ＳＵＳで溶接部３５，４５を盛り上げて溶接することにより、磁気遮蔽の良好なＩＣＦを作成することが可能となった。

本発明は、ＰＣ製のフランジ部にＳＵＳ製のエッジ部を溶接又は銀ロー付けしまたはエッジ部と同材質のＳＵＳを溶接材として両者を溶接して磁気シールドを持つＩＣＦとし、ＩＣＦの真空シールを保全したままで浮遊磁場を究極迄遮蔽する磁気遮蔽フランジに関するものである。

フランジの説明図である。 本発明の説明図（その１）である。 本発明の説明図（その２）である。 本発明の説明図（その３）である。 本発明の溶接説明フローチャート（その１）である。 本発明の溶接説明フローチャート（その２）である。 本発明の溶接説明フローチャート（その３）である。 本発明の溶接した断面図である。 本発明の説明図である。

符号の説明

１：ネジ
２：ナット
３，４：ＩＣＦ
５、６：真空配管又は真空機器外筒
７：エッジ
８：エッジ傾斜部
９：嵌め合い部
１０：ガスケット
１１：別種ガスケット
２１、３１，４１、５１：ＰＣ製フランジ
２２、３２，４２、５２：ＳＵＳ製エッジ
２３、３３、４３、４３１、５３：嵌め合い部
２４、３４、４４、５４、５４：合わせ面
２５：銀ロウ溜め部
２６：銀ロウ置き部
２７：銀ロウ
２８：溶けた銀ロウ
２９：邪魔板
３５、４５、５５：溶接部
３６：接合部

Claims (8)

1. 磁気遮蔽特性を有する配管あるいは容器に設けられたフランジを相互に接続する磁気遮蔽フランジにおいて、
   磁気遮蔽特性を有する第１の材質で形成し、固定具で相互に圧接させる磁気遮蔽フランジ部と、
   前記磁気遮蔽フランジ部に溶接し、ガスケットを圧接して真空シールするための、充分な磁気遮蔽特性を有しないが充分な前記圧接を繰り返し可能な第２の材質で作成したエッジ部と、
   前記エッジ部と前記磁気遮蔽フランジ部とが接触する両者の内側の部分に、溶接するロウを置く第１の隙間を設けたロウ置き部と、
   前記ロウ置き部に置いたロウが溶解したときに表面張力で引き込んで溜める、前記第１の隙間よりも内側に設けかつ隙間が小さい第２の隙間を有するロウ溜め部と
   を備えたことを特徴とする磁気遮蔽フランジ。
2. 磁気遮蔽特性を有する配管あるいは容器に設けられたフランジを相互に接続する磁気遮蔽フランジにおいて、
   磁気遮蔽特性を有する第１の材質で形成し、固定具で相互に圧接させる磁気遮蔽フランジ部と、
   前記磁気遮蔽フランジ部に溶接し、ガスケットを圧接して真空シールする、充分な磁気遮蔽特性を有しないが充分な前記圧接を繰り返し可能な第２の材質で作成したエッジ部と、
   前記エッジ部と磁気遮蔽フランジ部とが接触する両者の内側の部分に、所定幅で所定高さのほぼ同じ形状にした第１の溶接部と第２の溶接部と
   を備え、
   前記第１の溶接部と前記第２の溶接部との両者の先端部分に、前記第２の材質と同じ材質、あるいは充分な磁気遮蔽特性を有しないが充分な圧接を繰り返し可能な材質を溶解して盛り上げて溶接したことを特徴とする磁気遮蔽フランジ。
3. 磁気遮蔽特性を有する配管あるいは容器に設けられたフランジを相互に接続する磁気遮蔽フランジにおいて、
   磁気遮蔽特性を有する第１の材質で形成し、固定具で相互に圧接させる磁気遮蔽フランジ部と、
   前記磁気遮蔽フランジ部に溶接し、ガスケットを圧接して真空シールする、充分な磁気遮蔽特性を有しないが充分な前記圧接を繰り返し可能な第２の材質で作成したエッジ部と、
   前記エッジ部と前記磁気遮蔽フランジ部とが接触する両者の内側の部分に、前記エッジ部に繋がる部分に所定幅で所定高さに形成した第１の溶接部、および前記磁気遮蔽フランジ部に繋がる部分に前記所定幅で前記所定高さよりも若干高く形成した第２の溶接部と
   を備え、
   前記第２の溶接部の若干高い部分を溶解して前記第１の溶接部に溶接したことを特徴とする磁気遮蔽フランジ。
4. 前記第２の隙間を、前記第１の隙間の幅から徐々に小さくしたことを特徴とする請求項１記載の磁気遮蔽フランジ。
5. 前記所定の高さを、前記所定幅の１倍から３倍の範囲としたことを特徴とする請求項２記載の磁気遮蔽フランジ。
6. 前記第１の溶接部の所定の高さを前記所定幅の１倍から３倍の範囲とし、かつ前記第２の溶接部の所定の高さを前記第１の溶接部の所定の高さに、更に、前記所定幅の１倍から２倍の範囲を加えたことを特徴とする請求項３記載の磁気遮蔽フランジ。
7. 前記第１の材質と前記第２の材質とを溶接後に、当該第１の材質を焼鈍するための所定温度に昇温した後に降温し、当該第１の材質を高磁気遮蔽材にしたことを特徴とする請求項１から請求項６にいずれかに記載の磁気遮蔽フランジ。
8. 前記第１の材質をパーマロイＣとし、前記第２の材質をＳＵＳとしたことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の磁気遮蔽フランジ。

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