JPH03226568A - 金属蒸気発生装置 - 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】 〔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り、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
っぽ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から蒸発用るっぽ２方向への熱の移動を
防止するため、また蒸発用るっぽ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、蒸発用るっぽ２の
内外面には、例えばＺ　ｒ　２０３やＹ　２０３などの
断熱性を有する耐熱コーティング層６．７がそれぞれ形
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ど
が一般的であるが、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ど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
用るつは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が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。この蒸気流１
１に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。

このとき蒸発用るつぼ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、蒸発用るつぼ２
内部で矢印で示すように対流１２を起こす。しかし蒸発
用るつぼ２の内外面に形成した耐熱コーティング層６．
７によって熱が外部に移動することが防止され、照射さ
れた電子ビーム８が有効に利用される。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が損傷する場合があるため、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。

（発明が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内外面
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
が低下してしまう問題点があった。

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、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、上記金属原料中に原
料用アースを挿入するとともに、上記蒸発用るつぼの側
壁内にるつぼ用アースを埋設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、金属原料中に挿入された原料用アースを
経てアースされる。

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。

また加熱温度をさらに高め、蒸発用るつぼ内面に形成し
た耐熱コーティング層および原料用アースが溶融したり
、侵食によって消失し溶融金属原料と蒸発用るつぼとが
直接接触する状態になった場合においても、蒸発用るつ
ぼ側壁内に埋設したるつぼ用アースを経て浮遊電荷がア
ースされる。

したがって運転温度を広範囲に設定した場合においても
、常に浮遊電荷がアースされるため、長時間にわたり安
定した電子ビーム照射が可能であり、金属蒸気を安定的
かつ効率的に供給することができる。

（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る。なお本発明装置の特徴は、
蒸発用るつぼおよび金属原料にアース設備を設けた点に
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、上記金属原料３中に原料用アース１３を挿入する
とともに、上記蒸発用るつぼ２ａの側壁内にるつぼ用ア
ース１４を埋設して構成される。

原料用アース１３は、金属原料３中に挿入され金属原料
３の溶融時においても融解が少ない太径のアース棒１５
と、上記アース棒１５の上端において分岐され、金属原
料塊の間隙をぬうように配設された細径のアース線１６
とから成る。

ここでアース棒１５およびアース線１６を形成する材料
としては、例えばタンタル（Ｔａ）やタングステン（Ｗ
）など、金属原料より高い融点を有する高融点金属材が
使用される。原料用アース１３およびるつぼ用アース１
４はそれぞれ接地される。

塊状の金属原料３を蒸発用るつぼ２ａ内に初期充填した
状態は第１図に示すようになる。この状態でアース棒１
５のみを挿通してもアース棒１５と塊状の金属原料３と
が接触せず、アース機能が発揮されないおそれがある。

そのため屈曲性があり、細く柔軟なアース線１６を金属
原料塊の間隙をぬうように配置している。

その結果、電子ビーム８による加熱初期においても照射
点Ｐ近傍のいずれかの金属原料塊にアース線１６が接触
することとなるため、アース機能が損われるおそれは少
ない。

加熱初期においては、照射点Ｐに位置する金属原料塊が
電子ビーム８の照射を受けて徐々に融解する。融解した
金属原料の表面に蓄積された浮遊電荷はアース線１６を
経てアースされる。そのため溶融金属表面における電位
は一定に保たれ、照射点の変動が少なく安定した状態で
金属蒸気を発生させることができる。

ところでこの金属蒸気発生装置を使用して、例えばウラ
ン同位体の分離操作を行なう場合には、加熱温度が３０
００に以上の過酷な条件で装置が運転される。一方ウラ
ンは、高温条件下で他の金属等を化学的に侵食する性質
を有しており、タンタル、タングステンなどの高融点金
属で形成した細径のアース線や耐熱コーティング層は融
点以下の温度で侵食されて消失する場合もある。この状
態は第２図に示す通りであり、加熱中期においては、溶
融金属原料３ａ中に浸漬されたアース線１６は、化学的
に侵食を受けたり、または融解することによって消失、
してしまう。しかし、太径のアース棒１５が残存するた
め、溶融金属原料３ａ表面の浮遊電荷は、このアース棒
１５を経てアースされる。

第２図の状態からさらに加熱温度を上昇させると第３図
に示す状態となる。すなわち大径のアース棒１５が侵食
作用によって溶解または融解し、さらに蒸発用るつぼ２
ａ内面に形成してあった耐熱コーティング層６が侵食さ
れ溶解した場合においても、浮遊電荷は耐熱コーティン
グ屓６に浸み込んだ溶融金属原料３ａおよび導電性を有
する蒸発用るっぽ２ａ本体を経てるつぼ用アース１４に
至り、装置外にアースされる。したがって浮遊電荷の蓄
積が起らす常に安定した状態で装置を運転することがで
きる。

このように浮遊電荷は、装置の運転温度に応して原料用
アース１３およびるつぼ用アース１４の少なくとも一方
を経てアースされる。蒸発用るつぼ２ａ内面に形成され
た耐熱コーティング層６が溶融金属原料によって侵食さ
れるものであれば、アース棒１５の太さは、耐熱コーテ
ィング層６に溶融金属原料が浸透し、導電性を有する蒸
発用るつぼ２ａ内面に直接接触し始める時点まで耐える
太さに設定される。

このように本実施例装置によれば電気的に絶縁されてい
た金属原料３および蒸発用るつぼ２ａにそれぞれアース
設備が付設されているため、溶融金属表面に浮遊電荷が
蓄積するおそれがない。そのため電子ビーム８の軌道が
安定し、照射点Ｐも定位置に保持されるため、安定して
金属蒸気を発生させることができ、金属原料の加熱効率
も大幅に向上する。

なお本実施例ではアース線１６として細径の高融点金属
線材を使用しているが、アース線１６の代りに薄板状ま
たは網状に形成したものを蒸発用るつぼ２ａの内面に敷
設しても、同様な効果を得ることができる。

〔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、金属原料中に挿入された原
料用アースを経てアースされる。

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かなく、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か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。

また加熱温度をさらに高め、蒸発用るつぼ内面に形成し
た耐熱コーティング層および原料用アースが溶融したり
、侵食によって消失し溶融金属原料と蒸発用るつぼとが
直接接触する状態になった場合においても、蒸発用るつ
ぼ側壁内に埋設したるつぼ用アースを経て浮遊電荷がア
ースされる。

したがって運転温度を広範囲に設定した場合においても
、常に浮遊電荷がアースされるため、長時間にわたり安
定して電子ビームを照射することが可能となり、金属蒸
気を効率的に供給することかできる。

【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図は金属原料の溶融がある程度進行
した状態を示す要部断面図、第３図は金属原料の大部分
が溶融した状態を示す要部断面図、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、６．７・・・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・・・原料用アース、１４・・・るつぼ用アー
ス、１５・・・アース棒、１６・・・アース線、Ｐ・・
・照射点。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 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、
   上記金属原料中に原料用アースを挿入するとともに、上
   記蒸発用るつぼの側壁内にるつぼ用アースを埋設したこ
   とを特徴とする金属蒸気発生装置。