JPH09118943A

JPH09118943A - 真空装置用無酸素銅合金

Info

Publication number: JPH09118943A
Application number: JP27424695A
Authority: JP
Inventors: Yasumutsu Nagai; 康睦永井; Kazuo Sugaya; 和雄菅谷
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 1995-10-23
Filing date: 1995-10-23
Publication date: 1997-05-06

Abstract

(57)【要約】【課題】軟化温度が低く、ガス放出の低減に限界があ
る。【解決手段】酸素濃度が０．００１重量％以下であ
り、０．０１〜１重量％の銀又は０．００５〜０．５重
量％のジルコニウムを含有し、更に不純物の量が０．０
２重量％以下の無酸素銅合金であって、ビームダクトの
冷却チャンネル１やビームチャンネル２或いはポンプチ
ャンネル３等の真空装置を構成するのに最適な無酸素銅
合金。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は粒子加速器用の真空
ビームダクトや加速空洞などの各種真空装置の構成材と
して使用される無酸素銅合金に関し、より詳しくはこれ
ら真空装置の構成材料にとって特に重要な特性となる高
い軟化温度特性と少ないガス放出性とを備えた無酸素銅
合金に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば、粒子の蓄積を目的として使用さ
れるストレージリングのビームダクトとして図５に示さ
れるようなダクトが知られている。このダクトは冷却チ
ャンネル１と、ビームチャンネル２と、ポンプチャンネ
ル３とから構成され、多くの場合その構成材料としては
アルミニウム或いはアルミニウム合金が使用される。ア
ルミニウム系の金属は相当程度の高い熱伝導性を備えて
いることと、何よりも優れた押出加工性を有しているこ
とから、形状の複雑なこの種ダクト構成材料としては最
適であり、過去この材料がビームダクト構成材の主流と
して使用されてきている。

【０００３】しかし、近年の加速器は益々高エネルギー
化しつゝあり、従って加速器が発生する放射光もこれに
伴って当然ながら強力化していると共にビームダクトへ
の熱負荷も著しく増大していることから、アルミニウム
系の金属でビームダクトを構成することは、発生熱を効
率排除するための熱伝導性や機械的強度の面において限
界に達しており、従って如何にしてこの熱負荷に対処す
るかがこの種ビーム類にとっての極めて重要な課題とな
っている。この課題を解決するための最も有効な対応策
として有力視されているのが、無酸素銅の活用である。

【０００４】周知のように銅はアルミニウムの約２倍の
熱伝導性と機械的強度とを備えており、そして無酸素銅
はその名の通り普通のタフピッチ銅などに比べると酸素
含有量が極端に少ないために当然含有ガス量が少ないこ
ともあって、構成材からのガス放出を嫌う真空装置の構
成材料としては最適の材料と云える。このことは例えば
『Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｏｆｔｈｅ８ｔｈＭｅ
ｅｔ−ｉｎｇｏｎＵｌｔｒａＶａｃｕｍＴｅｃ
ｈｎｉｑｕｅｓｆｏｒＡｃｃｅｌｅｒａｔｏｒｓ
ａｎｄＳｔｏｒａｇｅＲｉｇｓ（ＫＥＫＰｒｏ
ｃｅｅｄｉｎｇｓ９２−４）．Ｐ．２１３（１９
９２）』の論文にも述べられているところでもあり、今
後無酸素銅がこの種高真空装置の構成材として多用され
ることは明らかである。

【０００５】ところで、無酸素銅を、例えば、図５のよ
うなビームダクトの構成材料として適用することを考え
た場合、これに押出方式を採用することは困難である。
周知のように無酸素銅はアルミニウムのような良好な熱
間押出成型性を備えておらず、従って若しこの材料をも
って図５のような複雑な形状のダクトを製造するために
は、各構成チャンネル１、２、３の接合方式に依存せざ
るを得ない。即ち、先ず冷却チャンネル１と、ビームチ
ャンネル２と、ポンプチャンネル３とを夫々無酸素銅の
素管から冷間加工によって各独立に成型し、次にこのよ
うにして得られたチャンネル１、２、３を接合部におい
て接合一体化させ、これにより所定のビームダクトを構
成する方式が採用されることになる。

【０００６】この方式の場合、チャンネル１、２、３は
冷間加工される過程においてその機械的強度を大きく向
上されられることになることから、寧ろ熱間加工に比べ
てこの種用途にとっては適しているとも云えるが、一方
で接合部４を接合するときの熱の影響がひとつの大きな
問題として浮上してくることになる。接合部分の接合手
段としては、色々ある接合方法の中から特に熱入力が局
部的であり従って溶接対象へ与える熱歪も小さいとされ
る電子ビーム溶接が採用されているが、しかし現実には
この接合法をもってしても溶接時の熱の影響を実害なく
排除することは困難であることが経験上確認されてい
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】この接合部の接合熱に
よる影響は放射光直射部の軟化となって現れ、発明者の
実験によれば接合部から離れている筈のこの直射部のビ
ッカース硬度が５０〜６０程度にまで低下することが確
認されており、これは当該部分が３００〜３５０°Ｃ程
度まで温度上昇したことを推定させるものである。軟化
は即ち当該部分の機械的強度の低下を意味するものであ
るが、この熱軟化の問題に対する対策としては無酸素銅
を合金化することが有効であり、そしてこの合金化のた
めの添加元素としては銀又はジルコニウムが特に有効で
ある。これら両元素は何れも無酸素銅の良好な熱伝導性
を損なうことなく軟化温度を上昇させ、同時に機械的強
度を向上させる性質を備えている理想的な元素と云え、
無酸素銅製ビームダクトをより高い熱負荷に耐えられる
ように構成するうえで極めて有意義な元素である。

【０００８】ところで、以上のビームダクトのような装
置は極めて高い真空下において使用されるが、これら超
真空装置の構成材料に要求される一つの特性として低ガ
ス放出性がある。この特性は加速器の性能維持に必要な
もので、若しガス放出の多い材料を使用する場合には、
ビームダクト中で加速すべき粒子を散乱させたり、或い
は放電の原因となるなど、加速器の性能を大きく低下さ
せることになる。このためダクトを構成する材料として
はガス放出の少ないものが必要であり、この意味で無酸
素銅は最適な材料であることは前述した通りであるが、
これは飽くまでもタフピッチ銅などに比べてのことであ
り、今後益々高い性能が要求されるこの種真空装置にと
って、現状の無酸素銅のガス放出レベルで満足できると
は云えない。

【０００９】無酸素銅がガス放出性を有している一つの
理由は、溶解・鋳造における溶湯が還元性ガス被覆によ
って大気に対して遮断されているとはいえ、これらの工
程が大気圧下において進められることから、大気中の水
蒸気の影響を受けて水素が溶湯に侵入しやすいこと、そ
してこの水素ガス等が残存ガスとして無酸素銅中に残留
することが原因として考えられる。

【００１０】本発明の目的とするところは、優れた軟化
温度特性と少ないガス放出とを備え、従って真空装置の
構成材として最適な銀、ジルコニウム系無酸素銅合金を
提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は前記の目的を達
成するため、酸素濃度が０．００１重量％以下の無酸素
銅に銀或いはジルコニウムの少なくとも１つを添加した
無酸素銅合金において、銀の添加量を０．０１〜１重量
％とし、ジルコニウムの添加量を０．００５〜０．５重
量％とし、不純物を０．０２重量％未満としたことを特
徴とする真空装置用無酸素銅合金を提供するものであ
る。

【００１２】接合部の溶接熱を原因とした軟化を防止す
るために無酸素銅の軟化温度を高める目的で添加される
銀とジルコニウムは、その添加量が多いほど無酸素銅の
軟化温度を上昇させることができるが、一定の量に達す
るとそれ以上添加しても軟化温度の上昇が鈍化するよう
になると共に、一方では導電率の低下が大きくなること
が本発明の過程において確認されている。従ってこのよ
うな傾向に配慮する場合には、これら元素の添加量を最
適な範囲内に設定することが重要であり、この意味から
前記した銀の添加量０．０１〜１重量％と、ジルコニウ
ムの添加量０．００５〜０．５重量％とは、何れも本発
明においては重要な構成要素となる。

【００１３】又、銅マトリックス中の不純物が銀、ジル
コニウム両添加物と化合すると、軟化温度上昇作用に悪
影響を及ぼすことも本発明において確認されており、こ
のためベースとなる無酸素銅としては、添加元素以外の
不純物濃度が０．０２重量％未満、そして酸素濃度が
０．０１重量％以下の無酸素銅を使用することが重要に
なると共に、以上の不純物量の設定がガス放出の少ない
合金構成のための欠くことのできない要因ともなって作
用してくることが確認されている。そして本発明によっ
て製造される真空装置用無酸素銅合金の水素含有量は
０．５重量ｐｐｍ以下にあることが望ましく、この量は
真空装置の高度化に対応するうえにおいて、より好まし
い水準であると云える。

【００１４】溶融状態の無酸素銅に対して真空処理を施
す場合の具体的な方法としては、例えば、真空排気に使
用される油回転ポンプやメカニカルブースータポンプ等
が使用され、その真空の度合は真空処理時間や真空に曝
される無酸素銅溶融物の表面積、或いは溶融物の量など
のファクターによって左右されるが、基本的には１０Ｔ
ｏｒｒ以下に設定することが望ましい。無酸素銅合金の
溶融物に対して真空脱ガス処理を施すことによって特徴
づけられる形式の本発明無酸素銅合金は、銀、ジルコニ
ウム含有無酸素銅合金をビームダクト等の構成材料とし
て使用する場合に、ガス放出性を調整できる点でより実
際的であり、更にはジルコニウム含有無素銅合金におけ
る塑性加工性の改善効果をも得られる点で有意義であ
る。

【００１５】即ち、ジルコニウム含有無酸素銅合金にお
いては、ジルコニウムが化学的に活性な物質であること
から、これを無酸素銅に添加する際にジルコニウム酸化
物を生成させやすく、そのためこの異物的生成物の存在
が塑性加工性に悪影響を与え、押出成型時などに割れ等
の不具合現象を発生させることがあるが、本発明におけ
る真空脱ガス処理はこの酸化物の生成を防止するように
作用することから、結果としてジルコニウム含有無酸素
銅合金にとっての問題であった塑性加工性の問題を効果
的に解決できるという副次的な効果をもたらすものであ
る。尚、この無酸素銅溶融物に対する真空脱ガス処理
は、銀やジルコニウム添加物自体の中に含まれるガス成
分をも排除する意味から、無酸素銅溶融物に対してこれ
ら添加物を投入すると同時に、或いは添加後に行うこと
が望ましい。

【００１６】不純物の量を特定の解明された水準に設定
し、更に銀、ジルコニウムの添加量をも最適な範囲内に
設定することによって、少ないガス放出性と高い軟化温
度とを備えた真空装置構成材用無酸素銅合金を提供す
る。

【００１７】

【発明の実施の形態】図１は無酸素銅合金のビームダク
トを示し、冷却チャンネル１，ビームチャンネル２，お
よびポンプチャンネル３を有し、各チャンネルは接合部
４によって接合され、ビームチャンネル２の内壁に放射
光直射部５が位置する。無酸素銅合金の実施例として、
連続鋳造炉において真空処理を実施することにより、酸
素濃度０．００１重量％以下、不純物０．０２重量％未
満の銀入無酸素銅合金を製造した。真空処理装置として
は特願昭６０−６１６６７号に示されたのと同様の真空
脱ガス装置を使用し、真空度０．３〜０．５Ｔｏｒｒ、
真空処理時間３分の条件で真空処理を施した。無酸素銅
に対する銀の添加は、鋳型の直前に設けられた保持炉に
おいて純銀線を定速で無酸素銅溶湯へ連続投入すること
により実施した。以上のようにして製造された無酸素銅
合金の鋳造インゴット（直径２００ｍｍ）における銀含
有量は０．２１重量％であり、水素含有濃度は０．３重
量ｐｐｍであった（実施例１）。

【００１８】又、上記実施例において真空処理を停止し
た場合（実施例２）と、真空処理及び純銀線添加の双方
を停止した場合（比較例１）の二通りのケースについて
も製造を実施し、夫々のインゴットを製作した。このう
ち、前者の水素含有量は０．８重量ｐｐｍであった。次
に以上のようにして製造された各インゴットから熱間押
出機によって外径１４０ｍｍ、肉厚１５ｍｍの管を作
り、引き続きこれに冷間引抜加工を施すことによって外
径１１７ｍｍ、肉厚７．５ｍｍの冷間加工材（冷間加工
度５６％）を製作し、然る後この加工材を対象に更に引
抜加工を加えることによって図１に示されるような寸
法、形状のビームチャンネル２のための素管を製造し
た。

【００１９】他の構成要素である冷却チャンネル１及び
ポンプチャンネル３についても同様の手順を経て夫々素
管を製作し、最後にこれらチャンネル１、２、３の各素
管相互間の接合部４を電子ビーム溶接をもって溶接する
ことにより、所定のビームダクトを製造した。ビームチ
ャンネル２の素管を対象に加熱時間を１分間に設定した
ときの軟化温度を調査した結果、本実施例銀含有無酸素
銅合金（実施例１、２）から作られたものは真空処理の
有無に関係なく４２０°Ｃの軟化温度を示し、一方銀を
添加しない比較例１のインゴットから作られた素管の軟
化温度は２６０°Ｃであり、両者間には明白な差が認め
られた。尚、この本実施例銀入無酸素銅合金製の素管は
７５ＫＷ／ｍの熱入力まで対応可能であると推算され
る。又、銀入無酸素銅合金（実施例１、２）から構成さ
れたビームダクトの放射光直射部５における実測ビッカ
ース硬度は９５〜１００であり、何れも軟化が認められ
なかった。

【００２０】実施例１と同様に真空処理を施し、酸素濃
度０．００１重量％以下、不純物０．０２重量％未満の
ジルコニウム含有無酸素銅合金製のインゴットを製造
し、このインゴットから所定のビームダクトを製作し
た。この実施例の前述実施例１と異なる点は、無酸素銅
の熔融物へのジルコニウム添加の際に母合金を使用した
ことと、銀に比べてジルコニウムの飽和蒸気圧が低いた
めに真空処理時の蒸発ロスが無視できるほどに小さく従
って添加量設定に際してはこの点に配慮したことの２点
である。得られた無酸素銅合金のジルコニウム含有量は
０．０２重量％であり、水素濃度は０．４重量ｐｐｍで
あった（実施例３）。又、真空処理なしで且つ実施例３
と同量のジルコニウムを含むところの無酸素銅合金イン
ゴット（実施例４）と、ジルコニウム添加処置も真空処
理もしないインゴット（比較例２）についても製造し
た。尚、実施例４における水素濃度は１．０重量ｐｐｍ
であった。

【００２１】実施例１と同様、ビームチャンネル２の素
管を対象に測定した軟化温度は実施例３、４とも６００
°Ｃの高温を示し、銀添加の場合よりも更に高い水準の
軟化温度を確認することができた。又、これら実施例
３、４から製造されたビームダクトの電子ビーム溶接後
における放射光直射部５のビッカース硬度は１１０〜１
２０であり、何れも充分な硬度を保持していることが認
められた。次に以上の実施例により製造された各ビーム
ダクトを対象に行ったガス放出測定結果について説明す
る。

【００２２】先ず、実施例１〜４の各ビームダクトから
２０ｍｍ×８０ｍｍの試験片を採取してアセトン中で超
音波洗浄脱脂を施し、次いでこれを希硝酸で酸洗し、純
水で洗浄し、更に熱風で乾燥した後、これを図２に示す
ような試験装置の中に入れた。図２において６は試験
片、７はこれを収納する透明石英チャンバー、８はこの
チャンバー７の周囲に設けられた赤外線加熱ヒータ、９
はガス分析チャンバーを示す。試験片６はヒータ８から
の輻射熱によって２０°Ｃ／分の昇温速度で室温から８
００°Ｃまで加熱され、決められた温度において放出さ
れるガスの量がガス放出率ｑ（Ｔｏｒｒ・Ｌ／ｓｅｃ／
ｃｍ2）として把握される。ガス放出率ｑはスルーブッ
ト法と呼ばれる以下の方法で算出した。

【００２３】即ち、表面積Ａ（ｃｍ2）の試験片から毎
秒放出量Ｑ（Ｔｏｒｒ・Ｌ／ｓｅｃ９）にて放出された
ガスはターボ分子ポンプ１０によって排気されるが、途
中に設けられたオリフィス１１を通過する際にエリフィ
ス１１前後で差圧が発生する。この発生した差圧Ｐ1−
Ｐ2（Ｔｏｒｒ）を二つの真空計１２、１２によって測
定し、更にオリフィスのコンダクタンスＣ（Ｌ／ｓ）か
らガス放出率ｑをＱ＝Ｃ（Ｐ1−Ｐ2）＝ｑＡの式に基づ
いて算出するもので、実施例１〜４の何れもが少ないガ
ス放出性を有していることが確認された。尚、図３と図
４のグラフは、本発明の一方の形式である真空脱ガス処
理を施したものと、これを施さないものとのガス放出率
の差を比較したものである。図３のグラフは銀含有無酸
素銅合金製のビームダクトから採取された試験片を対象
に測定算出した結果であり、夫々●が実施例１、○が実
施例２を示す。

【００２４】又、図４は同様にジルコニウム含有無酸素
銅合金の場合の測定算出結果であり、△が実施例３を、
×が実施例４を示す。何れのグラフにおいても溶融状態
の無酸素銅合金に対して真空処理を施した実施例１及び
２が、そうでない実施例３及び４よりも明らかにガス放
出率が少ないことが認められ、このことは真空脱ガス処
理を施して得られる無酸素銅合金が真空装置用構成材料
としてより実際的であることを示すものである。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように本発明真空装置用無
酸素銅合金によれば、酸素濃度を０．００１重量％以下
に設定し、更に銀の添加量を０．０１〜１重量％に設定
するか或いはジルコニウムの添加量を０．００５〜０．
５重量％に設定し、同時に不純物を０．０２重量％未満
に設定した結果、軟化温度が高く、しかもガス放出の少
ない真空装置用構成材料として最適な無酸素銅合金を提
供することができ、更に溶融状態下において真空脱ガス
処理を施すことによってこのガス放出性をより低いレベ
ルに調整した無酸素銅合金をも提供できるものであり、
無酸素銅をビームダクト等の真空装置の構成材料として
適用するうえにおいて、本発明のもたらす効果は極めて
大きなものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】無酸素銅製ビームダクトの説明図。

【図２】ガス放出率測定のための試験装置説明図。

【図３】銀含有無酸素銅合金を対象とした実施例１及び
２におけるガス放出率。

【図４】ジルコニウム含有無酸素銅合金を対象とした実
施例３及び４におけるガス放出率。

【図５】従来のアルミニウム製ビームダクトの説明図。

【符号の説明】

１冷却チャンネル３ポンプチャンネル５放射光直射部２ビームチャンネル４接合部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】酸素濃度が０．００１重量％以下の無酸素
銅に銀或いはジルコニウムの少なくとも１つを添加した
無酸素銅合金において、銀の添加量を０．０１〜１重量
％とし、ジルコニウムの添加量を０．００５〜０．５重
量％とし、不純物を０．０２％未満としたことを特徴と
する真空装置用無酸素銅合金。
【請求項２】前記不純物は０．５重量ｐｐｍ以下の水素
を含む請求項第１項記載の真空装置用無酸素銅合金。
【請求項３】前記不純物は前記無酸素銅合金が溶融状態
で１０Ｔｏｒｒ以下の低圧雰囲気下において真空脱ガス
処理を受けることにより濃度調整される構成の請求項第
１項記載の真空装置用無酸素銅合金。