JPH03226567A

JPH03226567A - 金属蒸気発生装置

Info

Publication number: JPH03226567A
Application number: JP1884190A
Authority: JP
Inventors: Katsushi Nishizawa; 西沢　克志
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-01-31
Filing date: 1990-01-31
Publication date: 1991-10-07

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】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明は金属蒸気を発生させる金属蒸気発生装置に係り
、特に溶融した金属原料の表面に浮遊する表面電荷を低
減して金属原料の表面電位を一定に保持し、加熱用電子
ビームの照射位置を安定化させることにより、金属蒸気
を安定的にかつ経済的に得ることができる上に、蒸発用
るつぼの温度を測定することにより蒸発用るつぼの健全
性や金属原料の溶融液面を適宜モニタすることが可能な
金属蒸気発生装置に関する。

（従来の技術）同位体分離装置、半導体製造装置および光学ミラー製造
装置等においては、特定の金属成分を分離したり、蒸着
させる工程が含まれており、各種の金属蒸気発生装置が
装備されている。

第４図は同位体分離装置を構成する従来の金属蒸気発生
装置の構成例を示す断面図である。この金属蒸気発生装
置は、蒸発装置本体を気密に収容する真空容器１と、蒸
発装置本体を構成する各機器とから成る。真空容器１の
底部には熱化学的耐性および導電性を有する蒸発用るつ
ぼ２が配置され、この蒸発用るつぼ２内に同位体金属で
ある金属原料３が収容される。蒸発用るつぼ２は、過熱
による損傷を防止するために水冷却ハース４内に収容さ
れ、水冷却ハース４内には多数の冷却水管５が埋設され
ている。

また原料金属３および蒸発用るつぼ２から水冷却ハース
４方向への熱の移動を防止するために、蒸発用るつぼ２
の外面には、例えばｚｒ２Ｑ３やＹ２Ｏ３などの断熱性
を有する耐熱コーティング層７が形成されている。

一方、蒸発用るつぼ２内の金属原料３を加熱するための
電子ビーム８を発射する電子銃９が蒸発用るつぼ２に隣
接して設けられる。

また蒸発用るつぼ２の上方には、陰電極と正電極とを交
互に配置して形成された蒸気回収機構１０が設けられて
いる。

金属原料３を加熱する方式としては、誘導加熱により加
熱する方式と、電子ビームを照射して加熱する方式なと
が一般的であるか、特に後者の方式は熱効率か優れるた
め、同位体分離プロセスなとのように大量の金属原料を
蒸発させる場合に適している。

具体的な蒸発操作および分離操作を次に説明する。蒸発
用るつぼ２内に収容された金属原料３に、電子銃９から
発射された電子ビーム８か偏向磁場によって偏向されて
金属原料３の表面部に照射される。

照射点Ｐにおいて電子ビーム８の照射を受けた金属原料
３は、高温度に加熱され、溶融状態を経て蒸発し、同位
体金属の蒸気流１１を連続的に形成する。次に、この蒸
気流１１に対して、図示しない選択励起レーザ光が照射
される結果、蒸気流１１中の回収を特徴とする特定の同
位体原子が選択的に励起されイオン化する。イオン化さ
れた同位体は、真空容器１の上部に設けられた蒸気回収
機構１０内に導入され、イオン化同位体のみが回収電極
方向に偏向されて吸着回収される。

このとき蒸発用るっぽ２内の金属原料３は溶融し、溶融
液面から蒸気流１１を発生させる一方、蒸発用るつは２
内部で矢印で示すように対流１２を起こす。しかし蒸発
用るっぽ２の外面に形成した耐熱コーティング層７によ
って熱が外部に移動することか防止され、照射された電
子ビーム８か有効に利用される。一方蒸発用るつぼ２が
急激に加熱されると、その熱衝撃によって蒸発用るっぽ
２が損傷する場合かあるため、水冷却ハース４の冷却水
管５に適宜通水することにより蒸発用るつぼ２は冷却さ
れる。

（発明か解決しようとする課題）しかしながら第４図に示す従来の金属蒸気発生装置にお
いては、熱損失を防止するために蒸発用るつぼの外面に
耐熱コーティング層が形成される。この耐熱コーティン
グ層は、一般に断熱性とともに絶縁性を有しているため
、蒸発用るつぼおよび金属原料は共に電気的に絶縁され
た状態に保持される。そのため蒸発用るつぼ内に収容し
た金属原料に加熱用の電子ビームを照射すると経時的に
金属原料表面に浮遊電荷が蓄積される。この浮遊電荷の
分布は溶融金属の対流によって変化し、また浮遊電荷に
よって電場が形成されるため、電子ビームの軌道が曲げ
られる。そのため電子ビームの照射点を所定位置に保持
することができず、金属蒸気を安定的に発生させること
が困難となり、また電子ビームのエネルギの利用効率か
低下してしまう問題点かあった。

また従来の金属蒸気発生装置において蒸発用るつぼは、
真空容器底部に配設されており、その状態を直接肉眼で
把握することは困難であった。すなわち蒸発用るつぼが
、溶融した金属原料によって化学的に侵食作用を受けて
損傷したり、熱衝撃によって破損した場合においても、
その状態を正確にモニタする有効な手段が少なく、蒸発
用るつぼの健全性を確認することが困難であった。

本発明は上記の問題点を解決するためになされたもので
あり、蒸発用るつぼの健全性をモニタすることが可能で
あり、また電気的に絶縁された蒸発用るつぼおよび金属
原料を接地することにより、浮遊電荷の蓄積を防止し、
電子ビームによる加熱操作を常に安定した状態で継続さ
せることができ、加熱効率を改善した金属蒸気発生装置
を提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段）上記目的を達成するため、本発明は金属原料を収容した
蒸発用るつぼと、上記金属原料を加熱し、溶融・蒸発さ
せる電子ビームを発射させる電子銃とを真空容器内に収
容した金属蒸気発生装置において、導電性を有するシー
スによって測温導線を被覆したシース型熱電対の測温部
を、上記蒸発用るつぼ本体内に埋設するとともに、上記
シースを接地したことを特徴とする。

（作用）上記構成に係る金属蒸気発生装置によれば、電子ビーム
が照射されると金属原料は加熱され照射点近傍より徐々
に溶解する。このとき溶融した金属原料表面に蓄積され
た浮遊電荷は、溶融した金属原料および導電性を有する
蒸発用るつぼを経てシース型熱電対のシースに達し、さ
らにシースを通りアースされる。

したがって溶融した金属原料の表面電位は常に一定に保
持されるため、電子ビームの照射点の変動がなく、金属
蒸気を安定して供給することが可能となるともに、電子
ビームの軌道および照射点が狭い一定領域に限定される
ため、電子ビームのエネルギ利用効率が高まり金属原料
の加熱効率を大幅に改善することができる。

一方装置運転時における蒸発用るつぼの温度変化がシー
ス型熱電対によって連続的にモニタされるため、蒸発用
るつぼの健全性や収容した金属原料の溶融液面を確認す
ることができる。すなわち蒸発用るつぼが溶融金属によ
って侵食されたり、熱衝撃によって割れを発生した場合
には侵食部や割れ発生部に高温度の溶融金属原料が浸入
するため、蒸発用るつぼ本体の温度が上昇する。したが
ってこの温度上昇をシース型熱電対によって計測するこ
とにより、蒸発用るつぼの侵食、割れの発生の有無を判
断することができる。

また、溶融金属液面を境にして、蒸発用るつぼの各部位
の温度は変化する。したがって温度上昇が発生したとき
は、シース型熱電対の埋設位置まで溶融液面が上昇した
ことを把握することかできる。

（実施例）次に本発明の一実施例について添付図面を参照して説明
する。第１図は本発明に係る金属蒸気発生装置の一実施
例を示す要部断面図であり、第２図はシース型熱電対の
構成を示す断面図である。

なお本発明装置の特徴は、蒸発用るつぼにシース型熱電
対を設けた点にあり、他の構成要素は従来例と同一であ
る。したがって第４図に示す従来例と同一要素には同一
符号を付してその重複した説明を省略する。

すなわち本実施例に係る金属蒸気発生装置は、金属原料
３を収容した蒸発用るつぼ２ａと、上記金属原料３を加
熱し、溶融・蒸発させる電子ビーム８を発射させる電子
銃９とを真空容器１内に収容した金属蒸気発生装置にお
いて、導電性を有するシース１３によって測温導線１４
ａ、１４ｂを被覆したシース型熱電対６の測温部１５を
、蒸発用るつぼ２ａの本体側壁内に埋設するとともに、
上記シース１３を、アース線１６を介して接地して構成
される。

またシース型熱電対６は第２図に示すように、例えば白
金ロジウム、白金などの２種の金属製測温導線１４ａ、
１４ｂの一端を接続し測温接点（熱接点）１７とする一
方、他端の基準接点（冷接点）１８を温度モニタ１９の
電位差計２０に接続して構成される。測温導線１４ａ、
１４ｂは、マグネシアやアルミナなどの絶縁材２１を介
してシース（外管）１３内に収容される。シース１３を
形成する材料としては、金属原料３より高い融点を有し
、耐熱耐振性および導電性を併有するニオブ（Ｎｂ）や
タングステン（Ｗ）などの高融点金属材料やグラファイ
ト材が採用される。このシース１３に接続されたアース
線１６の他端は接地される。

一方蒸発用るつぼ２ａはタングステン（Ｗ）やグラファ
イトなどの導電耐熱材料で形成される。

装置の運転開始とともに蒸発用るつぼ２ａの温度が上昇
し、シース型熱電対６の両接点１７．１８間に温度差が
生じ、その温度差に対応した熱起電力が発生する。温度
モニタ１９はその熱起電力を内蔵する電位差計２０また
は電圧計によって測定し、測温部１５の温度を表示する
ものである。

装置の運転が開始され、電子銃９から電子ビーム８が照
射されると、蒸発用るつぼ２ａ内の金属原料３は加熱さ
れ、照射点Ｐ近傍より徐々に融解し、溶融金属原料３ａ
となる。このとき溶融した金属原料３の表面付近に蓄積
された浮遊電荷は、溶融した金属原料３ａおよび導電性
を有する蒸発用るっぽ２ａを経てシース型熱電対６のシ
ース１３に達し、さらにアース線１６を通りアースされ
る。

したがって溶融した金属原料３ａの表面に電子ビーム８
による浮遊電荷の蓄積が少なく、表面電位は常に一定に
保持されるため、電場の変動が少ない。そのため金属原
料３に対する電子ビーム８の照射点Ｐの変動がなく、金
属蒸気を安定して供給することが可能となるとともに、
電子ビーム８の軌道および照射点Ｐか狭い一定領域に限
定されるため、電子ビーム８のエネルギ利用効率が高ま
り金属原料３の加熱効率を大幅に改善することができる
。

一方装置運転時における蒸発用るつぼの温度変化がシー
ス型熱電対６によって連続的にモニタされるため、蒸発
用るつぼ２ａの健全性や収容した金属原料３の溶融液面
を確認することが容易にできる。すなわち蒸発用るつぼ
２ａが溶融金属によって侵食されたり、熱衝撃によって
るつぼ本体に割れを発生した場合には、その侵食部や割
れ発生部に高温度の溶融金属原料３ａが浸入するため、
蒸発用るつぼ２ａ本体の温度が上昇する。したがってこ
の温度上昇をシース型熱電対６によって計測することに
より、蒸発用るつぼ２ａの侵食や割れの発生の有無を判
断することができる。

また、溶融金属液面を境にして、蒸発用るつぼ２ａの温
度は変化する。したがって温度上昇が発生したときは、
シース型熱電対の埋設位置まで溶融液面が上昇したこと
を把握することができ、運転時の概略の液面高さを知る
ことができる。

次に本発明の他の実施例について第３図を参照して説明
する。本実施例の金属蒸気発生装置は２個のシース型熱
電対６ａ、６ｂを蒸発用るっぽ２ａの側壁内に植設し、
各シース型熱電対６ａ、６ｂの測温部１５ａ、１５ｂの
埋込み深さＤｌ。

Ｄ２が相互に異なるように配設したことを特徴とする。

すなわち各シース型熱電対６ａ、６ｂのシースにはアー
ス線１６ａ、１６ｂが接続されるとともに、各測温導線
１４．１４は温度モニター９に接続されて、蒸発用るつ
ぼ２ａ側壁の各深さＤ　１．　　Ｄ　２における温度が
連続的にモニタされるように構成される。

本実施例においては、溶融金属原料３ａの液面高さをよ
り正確に把握することができる。すなわち浅い位置（深
さＤ２）に設けたシース型熱電対６ｂの温度指示が低く
、深い位置（深さＤ＋）に設けたシース型熱電対６ａの
温度指示が高い場合には、深さＤ　と深さＤ２との間に
溶融液面が存在することかわかる。−万両熱電対６ａ、
６ｂの温度指示が双方とも高い場合には、深さＤ２より
上方位置に溶融液面が存在する。また双方とも低い温度
指示となる場合には、深さＤｌより下方位置に溶融液面
が存在することがわかり、第１図に示す実施例の場合と
比較して、より液面高さを細かく高精度にモニタするこ
とができる。

〔発明の効果〕

以上説明の通り本発明に係る金属蒸気発生装置によれば
、電子ビームが照射されると金属原料は加熱され照射点
近傍より徐々に溶解する。このとき溶融した金属原料表
面に蓄積された浮遊電荷は、溶融した金属原料および導
電性を有する蒸発用るつぼを経てシース型熱電対のシー
スに達し、さらにシースを通りアースされる。

一方装置運転時における蒸発用るつぼの温度変化がシー
ス型熱電対によって連続的にモニタされるため、蒸発用
るつぼの健全性や収容した金属原料の溶融液面を容易に
確認することができる。すなわち蒸発用るつぼが溶融金
属によって侵食されたり、熱衝撃によってるつぼ本体に
割れを発生した場合には侵食部や割れ発生部に高温度の
溶融金属原料が浸入するため、蒸発用るつぼ本体の温度
が上昇する。したがってこの温度上昇をシース型熱電対
によって計測することにより、蒸発用るつぼの侵食や割
れの発生の有無を判断することができる。

また、溶融金属液面を境にして、蒸発用るつぼの温度は
変化する。したがって温度上昇が発生したときは、シー
ス型熱電対の埋設位置まで溶融液面が上昇したことを把
握することができ、運転時の溶融金属原料の液面高さを
モニタすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る金属蒸気発生装置の一実施例を示
す要部断面図、第２図はシース型熱電対の構成を示す要
部断面図、第３図は他の実施例を示す要部斜視図、第４
図は従来の金属蒸気発生装置の構成例を示す断面図であ
る。１・・・真空容器、２．２ａ・・・蒸発用るつぼ、３・
・・金属原料、３ａ・・・溶融金属原料、４・・・水冷
却ハース、５・・・冷却水管、６．６ａ、６ｂ・・・シ
ース型熱電対、７・・・耐熱コーティング層、８・・・
電子ビーム、９・・・電子銃、１０・・・蒸気回収機構
、１１・・・蒸気流、１２・・・対流、１３・・・シー
ス、１４．１４ａ。１４　ｂ−・・測温用導線、１５．１５ａ、１５ｂ−・
・測温部、１６．１６ａ、１６ｂ・・・アース線、１７
−・・測温接点（熱接点）、１８・・・基準接点（冷接
点）、１９・・・温度モニタ、２０・・・電位差計、２
１・・・絶縁材、Ｐ・・・照射点。

Claims

【特許請求の範囲】

金属原料を収容した蒸発用るつぼと、上記金属原料を加
熱し、溶融・蒸発させる電子ビームを発射させる電子銃
とを真空容器内に収容した金属蒸気発生装置において、
導電性を有するシースによって測温導線を被覆したシー
ス型熱電対の測温部を、上記蒸発用るつぼ本体内に埋設
するとともに、上記シースを接地したことを特徴とする
金属蒸気発生装置。