JPH02254337A - 金属材中のガス分析装置用るつぼ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は、アルミニウム、銅、鉄、マグネシウム等か
らなる金属材中の極微量のガスを分析する装置に用いら
れるるつぼに関する。

この明細書において、「アルミニウム」、「銅」、「鉄
」、「マグネシウム」等の金属を示す語は、それぞれ純
金属の他に各合金を含むものとする。

従来技術と発明の課題 たとえばアルミニウム材は、内部ガスおよび表面に吸着
したガスを含んでいるとともに、その表面にはアルミニ
ウムと反応してガスを発生する水等の物質が吸着せしめ
られている。これらのガスは、主にＨ２ガスであり、そ
の他にきわめて少量のＣＯガス、ＣＯ２ガス、Ｈ２０ガ
スなどが存在する。アルミニウム材の用途によっては、
上記ガスはきわめて有害となるためこれらの量を微量に
する必要があり、表面に吸着したガスおよび表面に吸着
した物質とアルミニウムとの反応により生じるガス（こ
の明細書において、両者を総称して表面ガスという）に
ついてはその成果はある程度上っている。ところが、内
部ガスについては未だに十分な研究がなされていないの
か実情である。

アルミニウム材の内部ガス量、とくにＨ２ガス量が多い
と次のような問題がある。すなわち、アルミニウム材を
超高真空用または極高真空用アルミニウム材、たとえば
シンクロトロンなどの加速器に使用される粒子加速用パ
イプ（ビームライン）に使用した場合、パイプの内部に
ビームを走らせると大量のガスが放出され、バイプ内部
の圧力が非常に高くなるという問題がある。これはビー
ムから放たれるシンクロトロン放射光がバイブ内面に入
射し、アルミニウム材の内部ガスをたたき出す結果であ
る。また、アルミニウム材を、魚骨基板に使用する場合
には、基板表面にＳｅ、ａ−５ｉ等を魚骨するさいに「
ふくれ」という現象が起こるが、これも内部ガスの放出
の影響によるものだということがわかっている。さらに
、圧延時に生じる「割れ」、「ふくれ」、「皮きず」等
の表面欠陥も、アルミニウム材の内部ガスの影響による
ものだということがわかっている。したがって、内部ガ
ス量のきわめて微量なアルミニウム材の開発が要望され
ているが、内部ガスの微量なアルミニウム材を開発する
にあたっては、正確に内部ガスを分析することが必要で
ある。

従来、アルミニウム材の内部ガスの分析は、次の２つの
方法によって行なわれていた。

（ａ）同一材料から、表面禎と体積との比が異なる複数
の試料を作製し、各試料のガス分析を行なって内部ガス
および表面ガスを定量する方法。

（ｂ）同一材料から同じ形状、寸法の２つの試料を作製
し、まず一方の試料を加熱して抽出された全ガス量を定
量する。ついで、他方の試料を加熱して最初の一定時間
内に抽出されたガスを表面ガスとして定量し、全ガス量
と表面ガス量との比較から内部ガスを定量する方法。

しかしながら、上記方法には、それぞれ次のような欠点
があった。すなわち、（ａ）の方法では、多くの試料を
用意する必要があるとともに、実在表面および内部ガス
については試料に不均一性がある。（ｂ）の方法では、
表面ガスと内部ガスとの正確な分離が困難であり、しが
も表面ガス量にばらつきが生じるため正確な定量ができ
ない。そして、これらの欠点により、従来方法では極微
量、たとえば０．０５ｃｃ／１００ｇＡ／以下の内部ガ
スを正確に定量することがてきないという問題があった
。

そこで、金属材の表面から表面ガスを除去した後、この
金属材を真空チャンバ内に配置されたるつぼ内に入れ、
チャンバ内を真空引きした後その真空中で金属材を加熱
して溶融させることにより内部ガスを抽出し、これを定
量する方法が考えられている。

上記方法において、内部ガスの分析を正確に行うために
は、抽出された内部ガスに不純物が混入しないようにす
る必要がある。したがって、上記るつぼとしては、ガス
放出が少なく、不純物が少なく、しかも金属の溶融時に
これと反応しないものが要求される。通常、金属を溶融
させるさいには黒鉛製るつぼが用いられるが、黒鉛製る
つぼは、上記３つの条件を全て満たすものではない。

この発明の目的は、上記問題を解決した金属材中のガス
分析装置用るつぼを提供することにある。

課題を解決するための手段 この発明による金属材中のガス分析装置用るつぼは、金
属材を真空中で加熱して内部ガスを抽出し、定量する装
置に使用するるつぼであって、全体が窒化ホウ素で形成
されているものである。

作　　　用 窒化ホウ素は、ガス放出が少なく、不純物をほとんど含
有しない。しかも金属との反応性がほとんどないため、
金属溶融時に金属と反応してガスを発生することはない
。

実　　施　　例 以下、この発明の実施例を、図面を参照して説明する。

第１図および第２図はこの発明によるるつぼを用いた金
属材中のガス分析装置を示す。第１図および第２図にお
いて、金属材中の極微量のガスを分析する装置は、試料
導入用真空チャンバ（１）と、表面ガス除去処理兼ガス
分析用真空チャンバ（２）とを備えている。両真空チャ
ンバ（１）（２）間には試料通路（３）が設けられてお
り、この試料通路（３）に開閉自在の閉鎖部材（４）が
設けられている。

試料導入用真空チャンバ（１）の頂壁にはのぞき窓（５
）が形成されている。また、試料導入用真空チャンバ（
１）には、真空排気装置（６）および試料導入用真空チ
ャンバ（１）内の真空度を計るヘイアートアルパート真
空計（７）（以下ＢＡ真空計という）が設けられている
。真空排気装置（６）は、試料導入用真空チャンバ（１
）に接続されたアルミニウム製真空引き用排気管（８）
と、排気管（８）に下記順序で真空チャンバ（１）側か
ら直列状に設けられたバルブ（９）、ターボ分子ポンプ
（１０）およびロータリポンプ（１１）よりなる。

また、試料導入用真空チャンバ（１）は、その側壁に形
成された試料入口（１２）を通して試料（Ｓ）を内部に
入れる試料導入用マニピュレータ（１３）を備えている
。試料入口（１２）は、マニピュレータ（Ｉ３）を外部
に出したさいには閉鎖されるようになっている。マニピ
ュレータ（１３）の周囲と、試料人口（１２）との間は
図示しないシール装置でシールされている。マニピュレ
ータ（１３）はクランプ機能、軸線方向運動機能および
回転運動機能を有している。

表面ガス除去処理兼ガス分析用真空チャンバ（２〉の頂
壁には、イオンビームエツチング用のイオン銃（１５）
、イオンビームエツチング後の試料（Ｓ）の表面状態を
オージェ電子分光分析により分析する分析装置（１６）
、およびのぞき窓（１７〉が設けられており、この真空
チャンバ（２）の側壁の上部には、ＢＡ真空計（１８）
、および試料（Ｓ）から抽出されたガスを分析する４正
極マスフイルタ（１９）が設けられている。イオン銃（
１５）のケーシング（２１）には、真空排気装置（２２
）および不活性ガス供給装置（２３）が設けられている
。真空排気装置（２２）は、ケーシング（２１）に接続
されたアルミニウム製真空引き用排気管（２４）と、排
気管（２４）に下記順序でケーシング（２１）側から直
列状に設けられたバルブ（２５）、ターボ分子ポンプ（
２６）およびロークリポンプ（２７）よりなる。不活性
ガス供給装置（２３）は、アルミニウム製供給管（２８
）を介してケーシング（２１）に接続された不活性ガス
ボンベ（２９）と、供給管（２８）の途上に設けられる
とともに、内部に不活性ガスボンベ（２９）内の物質の
沸点よりも高くかつできるだけボンベ（２９）内の物質
の沸点に近い融点を有する液体窒素等の物質の液体が入
れられて不活性ガスに含まれる不純物を除去するトラッ
プ（３０）と、供給管（２８）におけるケーシング（２
１）とトラップ（３０）との間に設けられた可変式リー
クバルブ（３１）とよりなる。また、イオン銃（１５）
のケーシング（２１）と真空チャンバ（２）との間には
、スロットルノズル（３２）が介在せしめられている。

そして、イオン銃（１５）内に導入され、かつイオン化
されるとともに加速された不活性ガスは、スロットルノ
ズル（３２）を通って真空チャンバ（２）内に入り、後
述する試料保持用マニピュレータ（３３）　（３４）に
保持された試料（Ｓ）に衝突するようになっている。

表面ガス除去処理兼ガス分析用真空チャンバ（２）は、
試料通路（３）に対応する高さ位置において、その前後
（第２図の上下）に、イオンビームエツチングのさいに
試料（Ｓ）を保持する１対の試料保持用マニピュレータ
（３３）（３４）を備えている。マニピュレータ（３３
）　（３４）の周囲と、真空チャンバ（２）の壁との間
は図示しないシール装置でシールされている。マニピュ
レータ（３３）（３４）はクランプ機能、軸線方向運動
機能および回転運動機能を有している。また、マニピュ
レタ（３３）（３４）の筒状試料把持部（３３ａ）　（
３４ａ）の内面、すなわち試料（Ｓ）と接触する面は、
窒化ホウ素、窒化チタン、炭化チタン、窒化クロムなど
のセラミックス層（図示路）で覆われていることが好ま
しい。上記セラミックス層は窒化ホウ素で形成されてい
るのが好ましい。窒化ホウ素は不純物が少なく、かつガ
ス放出の少ない材料であるので、高真空状態で加熱され
たとしてもガス放出率は少なく、ガス分析の精度を高め
ることができる。試料把持部（３３ａ）　（３４ａ）の
うちの少なくとも試料（Ｓ）と接触する面がセラミック
ス層で覆われていると、試料（Ｓ）の表面にイオンビー
ムエツチングを施して表面活性状態としても、試料把持
部（３３ａ）　（３４ａ）と試料（Ｓ）とが付着するこ
とはない。

表面ガス除去処理兼ガス分析用真空チャンバ（２）内の
下部には回転自在の試料溶融用るつぼ載置台（３５）が
設けられている。そして、この載置台（３５）の上に、
この発明による試料溶融用るっぽ（３Ｂ）が複数載せら
れている。試料溶融用るつは（３Ｇ）は、全体が窒化ホ
ウ素で形成されたものである。窒化ホウ素製試料溶融用
るつは（３６）は不純物が少なく、かつガス放出の少な
い材料であるので、高真空状態で加熱されたとしてもガ
ス放出率は少なく、ガス分析の精度を高めることができ
る。るつぼ（３６）は第３図に示すように、黒鉛製るつ
ぼ（５０）　（同図（＾）参照）の内周面に、真空蒸着
法により所定厚さの窒化ホウ素層（５１）を形成した後
（同図（Ｂ）参照）、黒鉛製るつぼり５０）を破壊しく
同図（Ｃ）参照）、窒化ホウ素層（５１）だけを取出す
ことによって製造される（同図（Ｄ）参照）。

試料溶融用るつぼ（３６）は加熱源（３７）により加熱
されるようになっているとともに、載置台（３５）を回
転させることにより、全てのるつぼ（３６）が順々に所
定の試料加熱溶融位置に移動させられるようになってい
る。表面ガス除去処理兼ガス分析用真空チャンバ（２）
内におけるマニピュレータ（３３）（３４）とるつぼ（
３６）との間の高さ位置には、下方に向かって細くなり
かつ下端開口が試料加熱溶融位置のるつぼ（３６）の真
上に位置する漏斗形ガイド（３８）が設けられている。

この漏斗形ガイド（３８）によりマニピュレータ（３３
）　（３４）から落された試料（Ｓ）は確実に所定の試
料加熱溶融位置のるつぼ（３Ｇ）内に入るようになって
いる。漏斗形ガイド（３８）はステンレス鋼、アルミニ
ウム、セラミックスなどガス放出の少ない材料で形成さ
れていることが好ましい。漏斗形ガイド（３８）の下方
において、表面ガス除去処理兼ガス分析用真空チャンバ
（２）の下部には真空排気装置（３９）が設けられてい
る。この真空排気装置（３９）は、オリフィス（４１）
を介して真空チャンバ（２）に接続された真空引き用排
気管（４２）と、排気管（４２）に下記順序で真空チャ
ンバ（２）側から直列状に設けられたバルブ（４３）、
ターボ分子ポンプ（４４）およびロータリポンプ（４５
）よりなる。

そして、排気管（４２）におけるバルブ（４３）よりも
真空チャンバ（２）側の部分にもＢＡ真空計（４６）お
よび試料（Ｓ）から抽出されたガスを分析する４電極マ
スフィルタ（４７）が設けられている。

次に、第１図および第２図に示す装置を用いてアルミニ
ウム材中の極微量ガスを分析する方法について説明する
。

まず、試料導入用マニピュレータ（１３）に試料（Ｓ）
をセットし、この試料（Ｓ）を試料入口（１２）を通し
て試料導入用真空チャンバ（１）内に入れる。ついで、
閉鎖部材（４）で試料通路（３）を閉鎖した後、真空排
気装置（６）により真空排気して試料導入用真空チャン
バ（１）内を高真空状態（１０−８〜１．０−９Ｔｏｒ
ｒのオーダー）とする。

方、真空排気装置（３９）、（２２）により真空排気し
て表面ガス除去処理兼ガス分析用真空チャンバ（２）内
およびイオン銃（１５）内を高真空状態（１０−８〜１
０−９Ｔｏｒｒのオーダー）とする。表面ガス除去処理
兼ガス分析用真空チャンバ（２）内は、常に高真空状態
に保っておく。なお、表面ガス除去処理兼ガス分析用真
空チャンバ（２）内面、試料溶融用るつぼ載置台（３５
）、試料溶融用るつぼ（３６）および漏斗形ガイド（３
８）には予め加熱脱ガス処理を施しておく。そして、閉
鎖部材（４）を開いて、試料導入用マニピュレータ（１
３）を左方に進め、試料（Ｓ）を、このマニピュレータ
（１３）から表面ガス除去処理兼ガス分析用真空チャン
バ（２）の一方のマニピュレータク３３）に移し替える
。試料導入用マニピュレータ（１３）は右方に移動させ
、閉鎖部材（４）により試料通路（３）を閉じる。この
状態でイオン銃（１５）内にＮｅ５Ａｒ等の不活性ガス
を導入し、これをイオン化する。イオン化された不活性
ガスを引出して電極および加速電極により加速し、スロ
ットルノズル（３２）を通過させて試料（Ｓ）に弾性衝
突させる。

こうして試料（Ｓ）にイオンビームエツチングを施して
表面ガスを除去する。このとき、イオン銃（１５〉内の
圧力は不活性ガスを導入することによって上昇するが、
スロットルノズル（３２）の働きにより、真空チャンバ
（１）内の圧力上昇の度合いはイオン銃（１５）内の圧
力上昇の度合いよりも小さくなり、当然のことながら真
空チャンバ（２）内の不純物量は少なくなり、約１７３
００程度となる。したがって、イオンビームエツチング
後の試料（Ｓ）表面に吸着する不純物量を少なくてきる
。その後、試料（Ｓ）を他方のマニピュレータ（３４）
に移し替え、上記と同様にイオンビームエツチングを施
して表面ガスを除去する。そして、分析装置（１６）に
より試料（Ｓ）から表面ガスが除去されたことを確認し
た後、マニピュレータ（３４）から試料（Ｓ）を離脱さ
せ、漏斗形ガイド（３８）を経て試料加熱溶融位置のる
つぼ（３６）内に落とし、加熱源（３７）でるつぼ（３
Ｇ）を加熱することにより試料（Ｓ）を溶融させて内部
ガスを抽出し、そのガス量を４型棒マスフィルタ（Ｉδ
）で定量する。表面ガス除去処理兼ガス分析用真空チャ
ンバ（２）内でイオンビームエツチングおよびガス分析
を行っている間に、試料導入用真空チャンバ（１）内に
は新たな試料（Ｓ）を導入し、その内部を高真空状態と
してお（。そして、最明の試料（Ｓ）のガス分析が終了
した後、新たな試料（Ｓ）を表面ガス除去処理兼ガス分
析用真空チャンバ（２）内に入れてガス分析を行う。１
つのるつぼ（３６）が−杯になれば、載置台（３５）を
回転させて他のるつぼ（３５）を試料加熱溶鍛位置に移
動させる。こうして、すべてのるつぼ（３６）を使用し
て多数の試料（Ｓ）に連続的にガス分析を施す。

上記実施例においては、表面ガスの除去余処理をイオン
ビームエツチングで行っているが、これに限るものでは
ない。

発明の効果 この発明の金属材中のガス分析装置用るつぼは、全体が
、上述したような性質を有する窒化ホウ素で形成されて
いるので、内部ガスの抽出時に不純物としてのガスが発
生することはなく、定量を正確に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図はこの発明によるるつぼを用いた金
属材中のガス分析装置の構成を示す正面図、第２図は同
じく平面図、第３図はこの発明によるるつぼの製造方法
を工程順に示す垂直断面図である。 （３６）・・・るつぼ。 以上 特許出願人　　昭和アルミニウム株式会社第２図 （Ａ） （Ｂ） （Ｃ） （Ｄ） 第８図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 金属材を真空中で加熱して内部ガスを抽出し、定量する
   装置に使用するるつぼであって、 全体が窒化ホウ素で形成されている金属材中のガス分析
   装置用るつぼ。