JPH0618630B2 - 超高真空材 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、電子、陽子、重イオン等の加速器、核融合用
中性粒子入射装置、宇宙開発用スペースチェンバー、半
導体製造装置等を構成する超高真空容器などに用いられ
る超高真空材に関するものである。

（従来技術） 近年、軽金属Ｖｏｌ．３３，Ｎｏ．２（１９８３）Ｐ１
０３〜Ｐ１１０などに示されるように、アルミニウム
が、粒子加速器等の超高真空装置を構成する部品の材料
として使用されている。これは、アルミニウムが次のよ
うな点で優れているからである。

誘導放射化による残留放射能の半減期が短い。

ガス放出率が小さい。

熱伝導率が大きい。

多種多様な合金が選択できる。

軽量である。

使用されるアルミニウム材料としては、純アルミニウム
系のＡ１０５０、Ａｌ−Ｃｕ系のＡ２２１８、Ａｌ−Ｍ
ｇ系のＡ５０５２，Ａ５０８３、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系の
Ａ６０６１，Ａ６０６３などがある。この中で、銅を含
むＡ２２１８などのアルミニウム合金は、真空フランジ
材として用いられ、マグネシウムを１〜５％含むＡ５０
５２，Ａ５０８３、Ａ６０６１，Ａ６０６３などのアル
ミニウム合金は、超高真空材として用いられている。

（発明の解決しようとする問題点） 粒子加速器などの超高真空装置の構成部分である超高真
空容器などは、上記マグネシウムを含むアルミニウム合
金を材料として押し出し等の方法により製造したパイプ
材、圧延材など超高真空材をＴＩＧ溶接等の方法によっ
て溶接して製作される。

ところが、このように、従来の超高真空材で作られた超
高真空容器などは、その内面に粒子線や軌道放射光など
の高エネルギービームが照射されると、内部の超高真空
状態が阻害されてしまうという問題があった。

発明者らは、この原因を探るために、次のような試験を
行なった。すなわち、従来の超高真空材（Ａ５０８３）
をＴＩＧ溶接で溶接して超高真空容器を製作し、この超
高真空容器の溶接母材（圧延材）部、ＴＩＧ溶接による
溶接部およびその周辺部のそれぞれについて、イオンマ
イクロアナライザを用い、マグネシウムの深さ方向の分
析を行なった。この結果、第９図に示すように、母材部
（実線で示す曲線）、溶接部（破線で示す曲線）および
その周辺部（一点鎖線で示す曲線）の表面近くには、マ
グネシウムが大量に分布していた。とくに、溶接部およ
び周辺部の表面近くには多く、母材部の表面近くの数十
倍にもなっていた。このため、超高真空容器内面に高エ
ネルギービームが照射されると、容器内表面近く、とく
に、溶接部およびその周辺部の表面近くに大量に分布し
ているマグネシウムが真空空間にたたき出され、マグネ
シウムが蒸気圧の高い金属であることから、たたき出さ
れたマグネシウムによって超高真空容器内部の超高真空
状態が阻害されていたのである。

上記問題が生じないようにするためには、超高真空容器
を構成する超高真空材としてマグネシウムを含まない純
アルミニウム材を用いればよい。しかしながら、純アル
ミニウム材で超高真空容器を構成すると、純アルミニウ
ム材がマグネシウムを含むアルミニウム合金材と比べて
機械的強度に劣るため、容器の肉厚を厚くする必要があ
り、容器が重くなるという欠点があった。

（発明の目的） 以上の問題点を解消するため、本発明は、軽量で、か
つ、内面に高エネルギービームが照射されても、内部を
超高真空状態に保つことが可能なアルミニウム製の超高
真空容器等を構成することができる超高真空材を提供す
ることを目的としている。

（発明の構成） 本発明は、超高真空装置の構成部品に使用される超高真
空材において、マグネシウムを含むアルミニウム合金か
らなる層を主体とし、この層の表面の少なくとも超高真
空にさらされる部分が厚み０．５mm以上の純アルミニウ
ムからなる層で覆われて構成されていることを特徴とす
る超高真空材をその要旨としている。

以上の構成によれば、超高真空にさらされる面にマグネ
シウムが分布しなくなる。したがって、これを用いて超
高真空容器等を構成すれば、容器等の超高真空にさらさ
れる面に高エネルギービームが照射されても、マグネシ
ウムが真空空間にたたき出されなくなる。しかも、容器
等がマグネシウムを含む機械的強度に優れたアルミニウ
ム合金を主体として構成されることとなり、肉厚が薄い
軽量な容器等とすることができる。

（実施例） 第１図は本発明に係る超高真空材の実施例が用いられた
電子線加速器を概略的に示している。この電子線加速器
は、電子銃１、線型加速器２、シンクロトロン加速器
３、実験装置４およびビームトランスポート系５を備え
ている。電子銃１で作成した電子を線型加速器２により
パルス状に加速し、加速された電子をシンクロトロン加
速器３に蓄積して、さらに高エネルギー状態に加速して
から、このシンクロトロン加速器３より軌道放射光を取
り出し実験装置４で各種の実験を行なうようになってい
る。

この電子線加速器において、シンクロトロン加速器３お
よびビームトランスポート系５は、アルミニウム製超高
真空部品になっている。これらの部品は、断面形状が第
２図に示すような円形、または、第３図に示すようなレ
ーストラック形になったパイプ状の超高真空材８，９を
必要な長さに切断し、その両端に真空フランジを溶接し
て構成している。断面形状を円形にするか、レーストラ
ック形にするかは、外周に取り付けられる磁石の種類に
より選択する。第２図および第３図に示すパイプ状の超
高真空材８，９はマグネシウムを含むアルミニウム合金
（Ａｌ−Ｍｇ系のＡ５０５２，Ａ５０８３、Ａｌ−Ｍｇ
−Ｓｉ系のＡ６０６１，Ａ６０６３など）からなる層１
１を主体とし、その層の超高真空にさらされる部分、つ
まり、内周面が純アルミニウム（Ａ１０５０など）から
なる層１２で覆われて構成されている。このようなパイ
プ状の超高真空材（クラッドパイプ）８，９を製作する
には、次の２通りの方法があり、断面形状、サイズに応
じて最適な方法を採用する。第１の方法は、純アルミニ
ウムからなる層（以下、「純アルミニウム層」という）
を内層に、マグネシウムを含むアルミニウム合金からな
る層（以下、「アルミニウム合金層」という）を外層に
配置した二重筒状のビレットを用い、これを押し出し成
形により得るようにする方法であり、円形断面のクラッ
ドパイプ８を得るのに適している。第２の方法は、純ア
ルミニウム製パイプとアルミニウム合金製パイプを個別
に作っておき、アルミニウム合金製パイプに純アルミニ
ウム製パイプを挿入した後、アルミニウム合金製パイプ
を支えながら、純アルミニウム製パイプに内圧を作用さ
せて純アルミニウム製パイプとアルミニウム合金製パイ
プとを一体化することにより得るようにする方法であ
り、レーストラック形断面のクラッドパイプ９を得るの
に適している。

パルス状の電子ビームを連続ビームとして使用する時に
は、第４図に示すように、シンクロトロン加速器の代わ
りにパルスビームストレッチャー６が取り付けられる。
このパルスビームストレッチャー６には、電子ビームを
連続化するための電磁石を内蔵した超高真空容器７が複
数個配置される。

この超高真空容器７は、第５図(a)，(b)に示すように、
立方体の形状をしている。超高真空容器７の側壁７ａに
は、ノズル７１，７２，７３が取り付けられている。電
子ビームは、ノズル７１より入り、ノズル７２より出る
ようになっている。ノズル７３は、真空排気用および内
部の電磁石の位置調整用として設けられている。ノズル
７１，７２，７３は、第３図に示すクラッドパイプで構
成されている。ノズル７１，７２，７３には、真空フラ
ンジ７１ａ，７２ａ，７３ａが溶接により取り付けられ
ている。超高真空容器７の上部には相フランジ７４が溶
接により取り付けられ、この相フランジ７４の上に盲フ
ランジ７５が乗せられて真空シールされている。

超高真空容器７は、第６図に示すような平板状の超高真
空材１０をそれぞれ側壁７ａ、底壁７ｂ、盲フランジ７
５等の大きさに合わせて切断し、これらの切断部材を組
み合わせ、角部をＴＩＧ溶接等により溶接することで構
成されている。第６図に示す平板状の超高真空材１０
は、アルミニウム合金層１１を主体とし、その層の片面
が純アルミニウム層１２で覆われて構成されている。こ
のような平板状の超高真空材（クラッド材）１０を製作
するには、アルミニウム合金板と純アルミニウム板とを
重ね合わせて圧延するようにする。

角部の溶接は、第７図に示すようにする。すなわち、純
アルミニウム合金層１２が超高真空にさらされる容器内
側に配置され、アルミニウム合金層１１が大気にさらさ
れる容器外側に配置されるようにして、クラッド板１０
同士を直角に突き合わせ、純アルミニウム層１２同士を
純アルミニウム用の溶接材料１３を用いて連続的に溶接
する。この溶接のみでは大気圧に対する機械的強度が不
足するので、アルミニウム合金層１１同志をアルミニウ
ム合金用の溶接材料１４によって断続的に溶接し、機械
的強度をもたせるようにする。

第２図，第３図および第６図に示した超高真空材など、
本発明に係る超高真空材における純アルミニウム層１２
の厚みは、０．５mm以上であることが必要である。これ
は、次の理由による。

クラッド板同士をＴＩＧ溶接により第７図に示すように
溶接し、ＥＰＭＡ線分析によってアルミニウム合金層１
１から純アルミニウム層１２へのマグネシウムの拡散に
ついて分析した。これを、純アルミニウム層１２の厚み
が種々異なるクラッド板について、それぞれ行なった。
なお、純アルミニウムにはＡ１０５０を用い、アルミニ
ウム合金にはＡ５０５２を用いた。分析方向は、図に示
すＡ方向であった。分析の結果、第８図に示すように、
アルミニウム合金層１１から純アルミニウム層１２へマ
グネシウムが拡散していることがわかった。とくに、ア
ルミニウム合金層１１と純アルミニウム層１２との境
界、つまり、クラッドの境界より純アルミニウム層１２
側へ０．１mm移動したところに、アルミニウム合金層１
２のマグネシウム濃度と比べて２．５〜３倍も高いマグ
ネシウム濃度が検出された。拡散領域は、クラッドの境
界より純アルミニウム層１２側へ０．３mmのところまで
であった。

この分析結果より、純アルミニウム層１２の厚みを０．
５mm以上とすれば、純アルミニウム層１２の表面にマグ
ネシウムが達しなくなり、その表面に高エネルギービー
ムが照射されてもマグネシウムがたたき出されなくなる
ことがわかる。したがって、純アルミニウム層１２の厚
みは、０．５mm以上あることが必要なのである。

通常、純アルミニウム層１２の厚みは、２〜３mmとす
る。なお、純アルミニウム層１２は、アルミニウム合金
層１１の表面の超高真空にさらされる部分のみを覆って
いてもよく、全表面を覆っていてもよい。

アルミニウム合金層１１の厚みは、超高真空容器のサイ
ズに依存し、強度解析を行なった上で、最適値を求め、
その値に応じて設定するようにすればよい。

（発明の効果） 以上に説明してきたように、本発明に係る超高真空材
は、マグネシウムを含むアルミニウム合金からなる層を
主体とし、この層の表面の少なくとも超高真空にさらさ
れる部分が厚み０．５mm以上の純アルミニウムからなる
層で覆われて構成されている。このため、これを用いて
超高真空容器等を構成すれば、容器等の超高真空にさら
される面に高エネルギービームが照射されても、マグネ
シウムを含むアルミニウム合金からなる層が純アルミニ
ウムからなる層で覆われていることにより、マグネシウ
ムを含むアルミニウム合金からなる層にビームが照射さ
れることがない。しかも、純アルミニウムからなる層の
厚みを０．５mm以上としたことにより、マグネシウムを
含むアルミニウム合金からなる層から純アルミニウムか
らなる層へ拡散するマグネシウムが純アルミニウムから
なる層の表面、つまり、容器等の超高真空にさらされる
面まで達することがない。したがって、容器等の超高真
空にさらされる面に高エネルギービームが照射されて
も、マグネシウムが真空空間にたたき出されなくなる。
また、容器等がマグネシウムを含むアルミニウム合金を
主体として構成されることとなり、マグネシウムを含む
アルミニウム合金が機械的強度に優れていることから、
肉厚を薄くでき、軽量な容器等になる。しかも、容器等
がアルミニウム製となり、アルミニウムの優れた特性を
もった容器等になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る超高真空材が用いられた電子線加
速器を概略的に示す平面図、第２図は円形断面のパイプ
状にした超高真空材を示す断面図、第３図はレーストラ
ック形断面のパイプ状にした超高真空材を示す断面図、
第４図は電子線加速器の別例を概略的に示す平面図、第
５図(a)は超高真空容器の一例を示す平面図、第５図(b)
はその正面図、第６図は平板状の実施例を示す断面図、
第７図はそれを溶接した状態を示す断面図、第８図は平
板状の実施例の分析グラフ、第９図は従来の超高真空材
の分析グラフである。 ３，５，６，７…超高真空装置の構成部品、８，９，１
０…超高真空材、１１…マグネシウムを含むアルミニウ
ム合金からなる層、１２…純アルミニウムからなる層。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】超高真空装置の構成部品に使用される超高
   真空材において、マグネシウムを含むアルミニウム合金
   からなる層を主体とし、この層の表面の少なくとも超高
   真空にさらされる部分が厚み０．５mm以上の純アルミニ
   ウムからなる層で覆われて構成されていることを特徴と
   する超高真空材。