(57)【要約】【課題】冷却効率が高く、かつ耐食性に優れる長寿命のイオン源用電極を提供する。【解決手段】イオンビームを引出すための複数のビーム孔23が形成され、少なくとも一方が連続する溝2,2A,2Bを有する耐熱性の金属材料からなる１対の耐熱電極板1,1A,1B,3,3A,3Bと、１対の耐熱電極板の間に挟まれ、かつ溝の周壁を被覆するように、耐熱電極板の各々に密着接合され、耐食性の金属材料からなるバリア材4,4A,4B,5,5A,5Bと、ビーム孔の近傍に配置され、溝の周壁を被覆するバリア材によって周囲を規定され、耐熱電極板を冷却するための冷媒が通流し、少なくとも一部が前記溝2,2A,2Bのなかに入り込むように配置された冷媒流路22,22A,22Bと、を有する。【選択図】    図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオンビームを引出すための複数のビーム孔が形成され、少なくとも一方が連続する溝を有する耐熱性の金属材料からなる第１及び第２の耐熱電極板と、
前記第１及び第２の耐熱電極板の間に挟まれ、かつ前記溝の周壁を被覆するように、前記第１及び第２の耐熱電極板の各々に密着接合され、耐食性の金属材料からなるバリア材と、
前記ビーム孔の近傍に配置され、前記溝の周壁を被覆するバリア材によって周囲を規定され、前記第１及び第２の耐熱電極板を冷却するための冷媒が通流し、少なくとも一部が前記溝のなかに入り込むように配置された冷媒流路と、
を具備することを特徴とするイオン源用電極。
【請求項２】
前記バリア材は、熱間等方圧加圧法を用いて前記耐熱電極板に固相拡散接合されていることを特徴とする請求項１記載のイオン源用電極。
【請求項３】
前記バリア材は、熱間圧延法を用いて前記耐熱電極板に接合されていることを特徴とする請求項１記載のイオン源用電極。
【請求項４】
前記バリア材は、銅または銅合金からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載のイオン源用電極。
【請求項５】
前記バリア材は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載のイオン源用電極。
【請求項６】
前記耐熱電極板は、モリブデン、チタンまたはタンタルのいずれかからなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載のイオン源用電極。
【請求項７】
前記第１及び第２の耐熱電極板のうちの一方が前記バリア材との接合面に前記溝を有する溝付き平板であり、他方が前記バリア材との接合面に前記溝が無い平坦平板であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載のイオン源用電極。
【請求項８】
前記第１及び第２の耐熱電極板の両方ともが前記バリア材との接合面に前記溝を有する溝付き平板であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載のイオン源用電極。
【請求項９】
前記第１及び第２の耐熱電極板と前記バリア材との各接合面に放熱凹凸構造をさらに有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項記載のイオン源用電極。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれかに記載されたイオン源用電極と、
第１のガスからイオンを生成するための放電を生じさせるフィラメントを有するプラズマ生成部と、
前記プラズマ生成部により生成されたイオンに第２のガスを作用させて該イオンを中性化する中性化セルと、
を有することを特徴とするイオン源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は核融合装置の中性粒子入射装置やイオンミキシング装置などに適用されるイオン源において、プラズマ中のイオンを加速して高速イオンビームを生成するイオン源用電極に関する。
【背景技術】
【０００２】
核融合装置の中性粒子入射装置やイオンミキシング装置においてはプラズマから高速イオンビームを生成するイオン源が用いられている。例えば核融合装置に用いられる中性粒子入射装置のイオン源においては、プラズマ生成部に水素などのガスを導入し、フィラメントを介してアーク放電を行うことによりプラズマを生成する。このプラズマ中のガスが電離したイオンを、複数の電極に高電圧を印加して形成した電界によってプラズマから引出して加速する。このようにして高エネルギーを有する高速のイオンビームが発生する。イオンビームはそのままでは核融合装置のコイルの磁場によって曲げられてしまうため、ガスを満たした中性化セルを通過させてイオンとガスとの衝突反応により運動エネルギーを保存したまま中性粒子ビームに変換し、炉心プラズマに入射させる。
【０００３】
上述したイオン源におけるイオン加速用の複数の電極は、平行に離間配置された３段または５段の電極で構成されている。各電極には多数のイオンビーム引出し孔が形成され、プラズマからイオンビームを引出すようになっている。特にイオン源に最も近い１段目の電極は高温のイオンビームと直接接触する構造となっている。このため、電極には電極自体の熱負荷を下げ、耐久性能を向上させる冷却チャンネルが形成されている。通常この冷却チャンネルは効果的に冷却を果たすために多数形成されるイオンビーム引出し孔間にそれぞれ設けられる。
【０００４】
図２４に示すように、従来のイオン源用電極200は、耐熱性が高く線膨張係数が小さく、かつ、入手性に優れるモリブデンからなる電極板201,203を貫いて形成された多数のビーム引出し孔223を備えている。このビーム引出し孔223の両側には冷媒が流れる冷却チャンネル222が形成され、イオンビームの輻射により昇温するMo電極板201,203を冷却している。
【０００５】
より詳しく述べると、２枚のMo電極板201，203のうち、一方側の板203には冷却チャンネル222を有する溝付き平板を用い、他方側の板201には平坦な平板を用い、これら２枚のモリブデン板201，203を真空中で、かつ高温で加圧可能なホットプレス装置を用いて拡散接合し、さらにMo電極板201，203を貫通する複数のビーム引出し孔223を開口形成したものである。
【０００６】
ところで、上記のような構成のイオン源用電極を用いてイオンビームを引出すとき、イオン源用電極にはイオン源用電極自体の熱負荷を下げるため冷却チャンネル222の中に冷媒である純水を通す。通常、電極板201，203の材料として高熱負荷に耐え、かつビーム引出し孔223の熱負荷による位置の精度維持のために線膨張係数の小さい材料、さらには入手性に優れるなどの理由からモリブデンが用いられているが、このモリブデン板は焼結金属で製造されるために、純水などの冷却水で腐食するという欠点がある。本発明者らの経験によれば、その電極として使用可能な寿命は１年ないし２年と非常に短いという知見を得ている。これらのことから、腐食しにくい耐食性に優れ、かつ寿命の長いイオン源用電極が要望されている。
【０００７】
そこで、その対策として特許文献１にイオン源用電極の製造方法が提案されている。すなわちこの方法は、冷却水通路用の溝を設けた溝付モリブデン板の溝表面に冷却水による腐食を防ぐためにニッケルを被覆しておき、その上にニッケルにて被覆されたモリブデン平板を重ね、拡散接合により溝付きモリブデン板と一体化すると共に、ニッケルにて被覆された冷却水通路孔を形成し、その後イオンビーム孔を加工するようにしたものである。特に、この電極はプラズマ生成部の開口部側に装着し、電界を形成する電極に好適な耐熱金属かつ高融点材料のモリブデンから構成されている。
【０００８】
特許文献２に記載された構造は、上述の特許文献１と同様にモリブデンにニッケルが被覆されているが、この接合にはろう付けが用いられている。この特許文献２の構造にはバリア層に溝が有り、耐熱材料には溝がない構造となっている。
【０００９】
上述した公報と同様に、特許公報３に記載された構造では、モリブデン板を主体として構成されたイオン源用電極において、モリブデン板は拡散接合により一体化した重合板構造とし、その冷却水通路用の冷却孔の内周面をセラミック被膜層で被覆したイオン源用電極であり、この場合、セラミック被膜層をセラミックスの蒸着により形成する方法を開示している。
【００１０】
さらに、特許公報４では、イオンビームを加速するイオン源用電極において、タンタル板の拡散接合により一体化した重合板構造のタンタル板を主体として構成されたイオン源用電極であり、タンタル板を拡散接合するにあたり、接合面にチタンを介して拡散接合する方法を開示している。
【００１１】
また、特許文献５には、真空あるいはガス雰囲気中での拡散接合が可能な加熱ヒータを設置した真空容器内で、互いの端面を向かい合わせた一対の電極要素である溝付き板と平板との間に上記電極要素材料の融点より低温で共晶反応により液相を生成して電極要素と固溶する薄膜層を形成し、共晶反応を利用した拡散接合で一体化する方法が記載されている。ここで、溝付き板には冷媒を流すための冷却孔を構成する細溝およびイオンビームの引出しのためのビーム引出し孔が形成される。
【００１２】
この方法の特徴は、共晶反応により生成する液相を利用することにより、比較的小さい加圧力を作用させただけで拡散接合できるので、液相が拡散凝固してギャップやボイドが消失し、電極全体を変形させたり、溝付き板の冷却孔を変形させたり、あるいは埋めることなく、両電極要素の接合面全体において密着性に優れた良好な接合面を得ることができることである。また、冷却孔用に形成した細溝が加圧力によって変形することにより冷却効率を低下させる、製品としての寸法精度が低下することが少ないなどの利点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開平３−１２９６３８号公報
【特許文献２】特開２００８−０７８０４２号公報
【特許文献３】特開平５−２９０９３号公報
【特許文献４】特開平６−３１４６００号公報
【特許文献５】特許第２５２３７４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、特許文献１に記載されたイオン源用電極は、モリブデン製の電極板にニッケルをコーティングすることによって、冷却水によるモリブデン電極板の腐食を防ぎ、製品としての長寿命化を図るために工夫されたものであるが、モリブデン製の電極板の水路内へのニッケルの健全なコーティングは難しく、時にそのコーティングの不健全部から腐食し、冷却水の漏水事故を引き起こすおそれがある。
【００１５】
コーティングの健全性が得難いのは、水路になる溝が２ｍｍないし３ｍｍと非常に細く、このような細い溝の内部のコーティングが要求されるからである。そのコーティング方法あるいは手段として電気メッキやＰＶＤ（物理蒸着）、ＣＶＤ（化学蒸着）などの最先端のコーティング技術を用いても細い溝の内部のコーティングは難しい。また、溝形状は冷却効率を高めるために角溝であり、その溝内部およびコーナー部分のコーティング厚みが均一かつ健全（無欠陥）であるようにコーティングするのは非常に難しい。
【００１６】
また、特許文献１、特許文献３、特許文献４の各イオン源用電極は、いずれもモリブデンまたはタンタルのような高融点金属材料からなるものであり、その構造は溝付き板と平板とを拡散接合で一体化するものである。高融点のモリブデンやタンタルからなる溝付き板と平板とを拡散接合するには、接合中において、特に温度、雰囲気、加圧力については厳しく条件を守ることが求められる。さらに、これらの条件は一定時間安定に保たねばならない。
【００１７】
拡散接合に必要な温度は、一般に、その材料の融点に対して０．７倍以上の温度あるいはその材料の再結晶温度以上といわれている。雰囲気は、拡散接合に必要な温度において被接合材料の表面酸化などが問題にならない雰囲気が必要である。したがって、高真空中あるいはアルゴンまたはヘリウムなどの不活性ガス雰囲気中で接合することが要求される。加圧力は、接合面の面粗さや接合温度で適正加圧力が決まる。温度が高ければ、加圧力は小さく、温度が低ければ、加圧力は大きく設定しなければならない。また、面粗さについては接合面の凹凸が細かい場合は加圧力を小さく、逆に接合面の凹凸が粗い場合は加圧力を高く設定しなければならない。
【００１８】
要するに、接合面同士のコンタクト（密着）が重要である。この条件を保持する時間は温度、雰囲気、加圧力によって左右される。すなわち温度が高く、かつ、加圧力が高ければ相互拡散は積極的に進み、保持時間は短くてすむ。しかし、拡散接合によるイオン源用電極板の接合では、接合を容易とする接合面の精度、たとえば、面粗さを５Ｓ以下に保つようにしたとき、機械加工後にバフ研磨が必要となり、また、その平坦度、さらには清浄度を保つためには加工中および加工後の保管にも注意が必要である。特にイオン源用電極板の板厚は、たとえば、約３〜１０ｍｍ程度と薄く、この部材の接合面全体を均等に加圧し、かつ、溝の変形を抑えながら加圧力を制御することは難しい。その装置を作るとしても非常に複雑かつ高価な設備となる。このような拡散接合では製造コストは高く、その信頼性は低く、イオン源用電極板のような大面積となると、接合面全域にわたる均一な接合は困難と考えられる。
【００１９】
また、特許文献５に開示のものは共晶反応を利用した拡散接合で一体化するものであり、その特徴は共晶反応により生成する液相を利用することであり、比較的小さい圧力を作用させた状態で拡散接合が可能になる。しかし拡散接合で各部材を一体化するには、拡散接合あるいは共晶反応が起こる温度域まですべての部材を加熱する必要がある。この方法では、接合面に平坦な面が得られず加熱状態で接合面の密着が十分でない場合には、共晶反応は起こらず、液相が生成しないで、そこに欠陥であるボイドが発生する可能性がある。
【００２０】
一方、この方法は上述した各公開公報に開示された電極板の接合において述べたのと同様な問題に直面する可能性がある。すなわち、拡散接合によるイオン源用電極では接合を容易にする接合面の精度、たとえば面粗さを５Ｓ以下に保つようにしたとき、機械加工後にバフ研磨が必要で、さらに、こうした工程を経た後でも、平坦度および清浄度を保ち続けるように保管に注意しなければならない。
【００２１】
特許文献２に記載の構造ではバリア層に溝が有るものをろう付けしているが、バリア層とモリブデン等の耐熱材料のろう付けにおいて線膨張係数の違いからろう付け時に熱変形を起こしやすく、イオン源用電極板として求められる平面度を得難い。また、製品使用時において、ビーム孔が加熱された状況において、ビーム孔近傍のバリア層と耐熱材料の接触面積が小さいため、耐熱材料が冷却されにくい。
【００２２】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、冷却効率が高く、かつ耐食性に優れる長寿命のイオン源用電極を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
（１）本発明に係るイオン源用電極は、イオンビームを引出すための複数のビーム孔が形成され、少なくとも一方が連続する溝を有する耐熱性の金属材料からなる第１及び第２の耐熱電極板と、前記第１及び第２の耐熱電極板の間に挟まれ、かつ前記溝の周壁を被覆するように、前記第１及び第２の耐熱電極板の各々に密着接合され、耐食性の金属材料からなるバリア材と、前記ビーム孔の近傍に配置され、前記溝の周壁を被覆するバリア材によって周囲を規定され、前記第１及び第２の耐熱電極板を冷却するための冷媒が通流し、少なくとも一部が前記溝のなかに入り込むように配置された冷媒流路と、を具備することを特徴とする。
【００２４】
本発明においては、冷媒流路の少なくとも一部を耐熱電極板の溝のなかに入り込むように配置しているので（図３、図４、図１７〜図２０）、冷媒流路とビーム孔との距離が短縮され、ビーム孔を通るイオンビームにより加熱された耐熱電極板を従来よりも効率よく冷却することができる。また、冷媒流路を形成する溝周壁のバリア材が、耐食性に優れた金属材料からなっているので、冷媒流路が高温腐食損傷するおそれが少なくなる。このように、本発明のイオン源用電極は、冷却効率が高く、かつ冷媒が漏れ出す危険性が減少する。
【００２５】
（２）上記（１）の発明において、バリア材は、熱間等方圧加圧法を用いて耐熱電極板に固相拡散接合されていることが好ましい。熱間等方圧加圧法を用いてバリア材を耐熱電極板に拡散接合すると、接合面の健全性に優れ、かつ溝の内部に形成される冷媒流路の周壁が耐食性に優れた表面性状になる。このため、冷媒流路が高温腐食環境によく耐えるようになり、冷媒の漏れ出し（漏水）がほとんど発生しなくなる。
【００２６】
（３）上記（１）の発明において、バリア材は、熱間圧延法を用いて耐熱電極板に接合されていることが好ましい。熱間圧延法を用いてバリア材を耐熱電極板に接合する場合も上記（２）と同様に、接合面の健全性に優れ、かつ溝の内部に形成される冷媒流路の周壁が耐食性に優れた表面性状になり、冷媒流路が高温腐食環境によく耐えるようになり、冷媒の漏れ出し（漏水）がほとんど発生しなくなる。
【００２７】
（４）（１）乃至（３）のいずれか１の発明において、バリア材は銅または銅合金からなることが好ましい。銅には例えば純度99.99％以上の純銅を用いることが望ましい。銅合金には例えばCu-Cr系合金、Cu-Ag系合金、Cu-Cr-Zr系合金、Cu-Ni系合金などを用いることができる。これらの銅および銅合金は、高温耐食性に優れ、かつ高熱負荷の環境でも高い信頼性を有しているからである。
【００２８】
（５）（１）乃至（３）のいずれか１の発明において、バリア材はアルミニウムまたはアルミニウム合金からなることが好ましい。アルミニウムには例えば純度99.99％以上の純アルミニウムを用いることが望ましい。アルミニウム合金には、例えばAl-Cu系合金、Al-Cu-Mg系合金、Al-Cu-Si系合金、Al-Si-Mg系合金などを用いることができる。これらのアルミニウムおよびアルミニウム合金は、高温耐食性に優れ、かつ高熱負荷の環境でも高い信頼性を有しているからである。
【００２９】
（６）（１）乃至（５）のいずれか１の発明において、モリブデン、チタンまたはタンタルのいずれかからなることが好ましい。モリブデンやチタンあるいはタンタルなどの線膨張係数が小さい材料を用いることで、高熱負荷におけるイオン源用電極の加熱試験においても熱変形が大幅に低減するからである。
【００３０】
（７）（１）乃至（６）のいずれか１の発明において、第１及び第２の耐熱電極板のうちの一方をバリア材との接合面に溝を有する溝付き平板とし、他方をバリア材との接合面に溝が無い平坦平板とすることができる（図３、図４）。
【００３１】
（８）（１）乃至（６）のいずれか１の発明において、第１及び第２の耐熱電極板の両方ともがバリア材との接合面に溝を有する溝付き平板とすることができる（図１７、図１８）。
【００３２】
（９）（１）乃至（８）のいずれか１の発明において、第１及び第２の耐熱電極板とバリア材との各接合面に放熱凹凸構造をさらに有するものとすることができる（図１９、図２０）。耐熱電極板とバリア材との接合面を放熱凹凸構造とすると、さらに電極の冷却効率が向上し、寿命が延長する。
【００３３】
（１０）本発明に係るイオン源は、（１）乃至（９）のいずれか１に記載されたイオン源用電極と、第１のガスからイオンを生成するための放電を生じさせるフィラメントを有するプラズマ生成部と、前記プラズマ生成部により生成されたイオンに第２のガスを作用させて該イオンを中性化する中性化セルと、を有する（図１、図３、図４、図１７〜図２０）。
【発明の効果】
【００３４】
本発明によれば、冷却効率が大幅に向上する。このため、高熱負荷除熱機器の信頼性が高まり、電極の寿命が延長する。
【００３５】
また、本発明によれば、流路から冷媒が漏れ出す危険性が減少する。本発明によれば、従来のイオン源用電極の欠点であった冷却水による耐熱電極板の腐食を防止し、冷却水の漏洩を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明のイオン源を有する中性粒子入射装置の全体の概要を示す内部透視断面図。
【図２】イオン源用電極の外観写真。
【図３】本発明の第１の実施形態に係るイオン源用電極を示す断面図。
【図４】図３のイオン源用電極の要部を示す部分拡大断面図。
【図５】本発明のイオン源用電極の製造方法を説明するための工程断面図。
【図６】本発明のイオン源用電極の製造方法を説明するための工程断面図。
【図７】本発明のイオン源用電極の製造方法を説明するための工程断面図。
【図８】本発明のイオン源用電極の製造方法を説明するための工程断面図。
【図９】本発明の実施形態であるイオン源用電極の製造方法を示す断面図。
【図１０】本発明のイオン源用電極の製造に用いられる装置を示すブロック断面図。
【図１１】本発明のイオン源用電極の製造方法を説明するための工程断面図。
【図１２】本発明のイオン源用電極の製造方法を説明するための工程断面図。
【図１３】本発明のイオン源用電極の製造方法を説明するための工程断面図。
【図１４】本発明のイオン源用電極の製造方法を説明するための工程断面図。
【図１５】本発明のイオン源用電極の製造方法を説明するための工程断面図。
【図１６】本発明のイオン源用電極の製造方法を説明するための工程断面図。
【図１７】本発明の第２の実施形態に係るイオン源用電極を示す断面図。
【図１８】図１７のイオン源用電極の要部を示す部分拡大断面図。
【図１９】本発明の第３の実施形態に係るイオン源用電極を示す断面図。
【図２０】図１９のイオン源用電極の要部を示す部分拡大断面図。
【図２１】（ａ）〜（ｃ）は変形例の冷媒流路をそれぞれ示す横断面図。
【図２２】従来のイオン源用電極を示す要部拡大断面図。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下、添付の図面を参照して本発明を実施するための種々の好ましい形態を説明する。先ず、本発明のイオン源用電極が利用される核融合装置の関連部分の構成について概要を説明する。
【００３８】
図１に示すように、核融合装置に用いられる中性粒子入射装置３１のイオン源３２は、水素などの第１のガス３３が導入されフィラメント３４を有するプラズマ生成部３５において、当該フィラメント３４を介してアーク放電を行うことによりプラズマを生成する。そして、このプラズマ中の第１のガス３３が電離したイオンを、電極列３６の各電極２５に高電圧をそれぞれ印加することにより形成した電界によってプラズマから引出して加速し、高エネルギーを有する高速のイオンビーム４０を発生するものである。
【００３９】
イオンビーム４０はそのままでは核融合装置のコイルの磁場によって曲げられてしまうため、第２のガスを満たした中性化セル３９を通過させてイオンと第２のガスとの衝突反応により運動エネルギーを保存したまま中性粒子ビーム４１に変換し、炉心プラズマ４２に入射させる。
【００４０】
上述したイオン源におけるイオン加速用の電極列３６は、平行に離間配置された３段あるいは５段（図示しない）の電極２５により構成されており、電極２５に多数形成されたイオンビーム引出し孔２３を通してプラズマからイオンビームを引出すようになっており、特にイオン源に最も近い１段目の電極２５は高温のイオンビーム４０と直接接触する構造となっている。このため電極２５には電極自体の熱負荷を下げ耐久性能を向上させる冷却チャンネルが形成されている。通常この冷却チャンネルは効果的に冷却を果たすために多数形成されるイオンビーム引出し孔間にそれぞれ設けられる。図２に示すように、イオン源用電極２５の主面において、プラズマからイオンビームを引き出すための多数のビーム孔２３が規則配列開口している。
【００４１】
（第１の実施の形態）
図３〜図１６を参照して本発明の第１の実施形態を説明する。
【００４２】
図３に示すように、本実施形態のイオン源用電極２５は、Mo耐熱電極板１、Cuバリア材４、段差付きCuバリア材５、溝付きMo耐熱電極板３をこの順に積み重ねて互いに接合してなるものである。このような積層体からなる電極２５を貫通して複数のビーム孔２３が開口形成されている。Mo耐熱電極板３の溝２にCuバリア材５の段差が嵌合されている。この溝２と段差との嵌合部位の領域に冷媒流路２２が形成されている。この冷媒流路２２は、横断面形状が矩形であり、４つの周壁のうちの３つが溝付きCu平板５で規定され、残りの１つの周壁がCu平坦平板４で規定されている。冷媒流路２２は、その一部が溝付きMo耐熱電極板３の溝２のなかに入り込んでいる。この冷媒流路２２の入り込みが大きくなればなるほどMo耐熱電極板３の冷却効率が高まる。
【００４３】
次に図５〜図１６を参照して本実施形態のイオン源用電極２５の製造方法を説明する。
【００４４】
図５は本発明の第１の実施形態に係るイオン源用電極を構成する製作前の基本的な部品形状を示す図である。図６〜図１０はその製造工程を示す図である。
【００４５】
このイオン源用電極の製造方法としては、図５に示すように融点が2630℃で、線膨張係数が25℃で5.43×10-6・℃-1  であるモリブデンからなる平坦平板１と、幅および深さがそれぞれ約２ｍｍの複数の溝２を互いに平行かつ所定の間隔をとって形成した溝付きの平板３とをそれぞれ機械加工などを利用して作製する。
【００４６】
次に図６に示すように、平板１の一面をバリア材４で被覆するとともに、溝付き平板３の溝内部２および一面をバリア材５で被覆する。本実施例では、バリア材４，５は耐熱電極板１，３とは異なる耐食性に優れる純銅（Cu）の圧延した板を用いた。
【００４７】
図７は、図６に準備した平板１および溝付き平板３とそれぞれの耐食性バリア材４であるおよび５を接合するために高温・高圧の雰囲気で接合処理するが、接合処理の生産性、低コスト化を図るために同一処理を行う際に耐食性バリア材４および５の銅同士が接合しないように、その中間に離型材としてのセラミックシート６を挿入、配置した状態を示す。
【００４８】
平板１と耐食性バリア材４との接合、および溝付き平板３と耐食性バリア材５との接合は、高温・高圧の熱間等方圧加圧法を用いて接合するためには、それぞれの接合面に高温・高圧のガスが侵入しないように、接合容器内に収めてシール溶接を行う。図８に示す接合容器７は上板８、側板９、１０および底板１１から構成される。この接合容器７の材料には溶接性と入手性に優れるステンレス鋼板を用いた。
【００４９】
図９に、真空中で行う電子ビーム溶接機（図示せず）を用いて接合容器７およびシール溶接部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄを示す。電子ビーム溶接は、接合容器７内の空気を完全に脱気するために、真空排気を３０分間以上行った後、シール溶接を行った。なお、シール溶接部１２ａ〜１２ｄの健全性は、溶接ビード外観検査や蛍光探傷試験、あるいは必要に応じてヘリウムリーク試験などを用いて確認した。
【００５０】
上記の電極アッセンブリ２５ａを接合容器７内に収容し、これを図１０に示す熱間等方圧加圧装置１３のなかに装入する。次いで、真空ポンプ１４を起動させ、ポンプ排気駆動により装置１３の内部を脱気した。真空度が１０-2Ｐａ程度に到達した後に、真空ポンプ１４を停止させ、装置１３内に不活性ガスとしてのアルゴンガスを充填し、高圧ポンプ１５を用いて初期圧の設定値とした１０ＭＰａ程度まで加圧し、その後、装置内の加熱ヒータ１６を用いて昇温を開始した。
【００５１】
装置１３の内部温度が上昇するとともに装置内部のガス圧力が高くなり、高圧ポンプ１５の駆動と停止を繰り返した。接合条件は、温度を９００℃までの加熱、ガス圧力を１４７ＭＰａまでの加圧、保持時間を２時間とした。なお、図中の矢印１７は、ガス圧力が作用する方向を示すが、接合容器７を等方圧で全体加圧することができる。その後、加熱ヒータ１６をＯＦＦにし、熱間等方圧加圧装置１３内の高圧力のガス放出と共に放出されたガス回収などを行いながら、常温・常圧まで冷却、降圧の運転を行った。
【００５２】
熱間等方圧加圧装置１３内の圧力と温度がそれぞれ大気圧と常温に近い状態になった後に、熱間等方圧加圧装置１３の蓋（図示せず）を開けて、接合容器７を取り出す。
【００５３】
取り出した接合容器７は、シール溶接部１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄをそれぞれ機械的に切削などして除去し、接合容器７内から電極アッセンブリ２５ａを取り出す。取り出した電極アッセンブリ２５ａは、接合容器７とは高温・高圧の条件においても直接接合しないようにセラミックシート６などを介しているので容易に分離することができた。
【００５４】
上記のようにして平坦平板１にバリア材４を接合した第１の複合板１８を形成すると同時に、溝付き平板３にバリア材５を接合した第２の複合板１９を形成する。なお、Mo平板１とCuバリア材４との接合部、および溝付きMo平板３とCuバリア材５との接合部は、それぞれ熱間等方圧加圧法によりモリブデンと銅が金属学的に強固に接合された状態にある。
【００５５】
さらに、第１の複合板１８と第２の複合板１９とを、さらに直接冷却を可能とする冷媒流路を形成するために接合を必要とする。そこで、まず、図１１および図１２に示すようにそれぞれ耐食性バリア材４の層を0.3〜0.5ｍｍ程度の厚みになるように、切削あるいは研削加工し、所定の厚みを得ると共に、その後の工程である耐食性バリア層同士の接合ができるように平面仕上げにも細心の注意を払いながら機械加工を施した。図１１および図１２に示す平板１８Ａと溝付き平板１９Ａは、それぞれ耐食性バリア層４Ａ，５Ａを0.3〜0.5mmに加工したものである。特に溝付き平板１９Ａの溝内部を0.3〜0.5ｍｍの厚みに加工するには、耐食性バリア層を接合する前の形状である図９に示した溝付き平板３および溝２の機械加工時に使用したＮＣプログラムと図示しないが加工の基準点を使用して、所定の厚みに加工を行った。
【００５６】
バリア材４Ａ，５Ａの厚みを0.3〜0.5ｍｍ程度にしたのは、溝加工の機械加工精度や耐食性あるいは耐食性の信頼性を考慮し、また、平板１８Ａおよび溝付き平板１９Ａを接合するに適したと厚みと判断した層の厚みである。
【００５７】
図１３に示すように、次に耐食性バリア層を機械加工した平板１８Ａおよび溝付き平板１９Ａは、接合に必要なろう材などを溶融させてろう付施工して一体化させる。ろう付施工は図に示さないが真空炉を用いて行い、その真空度は10-2パスカル以下の雰囲気で、使用したろう材は銀ろう（銀71〜73％、残銅）の0.1ｍｍ厚みの箔２０を用いた。ろう付は、830℃×15分間の加熱保持条件で行った。
【００５８】
平板１および溝付き平板４を真空ろう付けすることで、溝付き平板４の溝１９ｇのなかに冷媒流路２２が形成される。これにより図１４に示す冷媒流路２２を有する電極アッセンブリ２１が得られる。その後、イオン源用電極に必要なビーム孔２３を機械加工にて穿孔した。ビーム孔を加工したイオン源用電極の断面図を図１５に示す。この電極アッセンブリ２１は、その後、冷却孔２２に冷媒を通水するための銅製のヘッダー２４ａ，２４ｂをろう付部２８で接合し、これにより図１６に示す最終形状のイオン源用電極２５が得られる。このようなイオン源用電極２５においては、両面にモリブデン材１，３を配し、その内部には冷媒流路２２を有し、この冷媒流路２２の周壁（冷却水に接する面）には耐食性のバリア材２０ｂを配した構造としている。なお、一方側のヘッダー２４ａには冷媒供給手段としての冷却水供給源に連通する入口２４ｃが形成され、他方側のヘッダー２４ｂには冷媒流路２２を通過した使用済み冷却水が排出される出口２４ｄが形成されている。
【００５９】
（実施例）
図３と図４を参照して本発明の実施例を説明する。
【００６０】
実施例のイオン源用電極２５は、Mo平坦平板（耐熱電極板）１、Cu平坦平板（バリア材）４、溝付きCu平板（バリア材）５、溝付きMo平板（耐熱電極板）３をこの順に積み重ねて互いに接合してなり、この積層体を貫通する複数のビーム孔２３と、冷媒が流れる冷媒流路２２とを有している。冷媒流路２２は、バリア材である溝付き平板５と平坦平板４とで周囲を規定され、上述のヘッダー２４ａ，２４ｂを介して冷媒供給手段の供給ラインに連通している。
【００６１】
実施例電極２５の各部のサイズを以下に列記する。
【００６２】
１）電極の総厚みｔ１：  ３ｍｍ
２）厚みｔ２：  ０．３ｍｍ
３）溝深さ（段差）ｔ３：  １．２ｍｍ
４）厚みｔ４：  １．５ｍｍ
５）厚みｔ５：  ０．３ｍｍ
６）厚みｔ６：  １．７ｍｍ
７）厚みｔ７：  ０．７ｍｍ
８）冷媒流路の深さｄ２：  ０．５ｍｍ
９）冷媒流路の幅Ｗ１：  ２ｍｍ
10）ビーム孔の径：  ７ｍｍ
この第１の実施形態の作用および効果を、以下に説明する。
【００６３】
同じ銅材料でも従来の方法である金属溶射やめっきなどは緻密とはいえポーラスであり完全なソリッドの金属組織ではないために耐食性に劣っていたが、本発明は図５に示したように、イオン源用電極を構成する平板および溝付き平板に耐食性に優れる圧延材の金属からなるバリア層を形成するのに熱間等方圧加圧法を用いることで、冷媒流路の内面である３面にも加圧力を加えることができるために、高い面精度を必要としなくとも冷媒流路の内面に貼り付けるバリア層の完全な密着、すなわち強固で耐食性に優れた接合ができる。特に溝付き平板の溝内部のバリア層は、熱間等方圧加圧法によるために全方位加圧である等方圧加圧の利点を生かして従来の方法より強固で健全な接合することができる。したがって、図４の断面図に示すように、冷媒流路２２に純水を通水することで冷却効率を高めたモリブデン電極板の欠点であった冷媒流路２２および冷媒流路周辺の冷却水による腐食は、純水を用いた冷却水に接する冷媒流路の内週面に耐食性金属である銅からなるバリア層を設けることで腐食を防止し、腐食を防止することで冷却孔から水漏れ対策がなされこの結果、耐食性を目的とした健全なバリア層を有したイオン源用電極を提供できる。
【００６４】
さらに、イオン源用電極が真空の環境で使用されることから冷媒流路の水漏れだけではなく、真空リークというイオン源のトラブル対策にも効果を示す。すなわち、水漏れあるいは真空リークというトラブルを回避できることは、イオン源のビーム照射による高熱負荷の試験運転にも耐熱金属かつ線膨張率の小さいモリブデンを用いることでビーム孔の寸法変化がなく、かつ安定したビームの照射実験が長くあるいは繰り返し行えることで、照射実験の効率ＵＰにも効果がある。却媒体による腐食による冷却水の漏洩の心配はない。したがって、高熱負荷運転が想定されるモリブデン製イオン源用電極板の信頼性向上が高まると共に、耐熱性および長寿命化のイオン源用電極板を提供することができる。
【００６５】
なお、本実施例では、耐食性バリア層として一般的に耐食金属と知られる銅の金属を選択したが、銅に限定することなく、モリブデンとの接合性に優れる金属、たとえば少し高価であるが銀やニッケルなどの板あるいはアルミおよびアルミ合金など比較的低融点の金属でも、銅および銅合金と同様の作用および効果が得られる。したがって、イオン源用電極として熱負荷の試験環境あるいは繰り返し回数などに応じたバリア層の組合せや適正化を図ることで、安価で信頼性の高いイオン源用電極を提供することができる。
【００６６】
以上述べたように、本実施の形態におけるイオン源用電極によれば、強制冷却タイプのモリブデン製イオン源用電極は冷却媒体の純水がモリブデンと直接接することがないためにモリブデンの冷却水による腐食がなく、従来法の拡散接合接合タイプのモリブデン電極に比較し、長寿命化が実現できる。また、モリブデンの平板および溝付き平板に形成するバリア層は熱間等方圧加圧法により金属的に接合するので強固なバリア層が得られるので信頼性の高いイオン源用電極を提供することができる。
【００６７】
表１に本発明の耐熱電極板およびバリア材に用いる各種金属材料の物性をそれぞれ示す。耐熱電極板にはモリブデン（Ｍｏ）、チタン（Ｔｉ）またはタンタル（Ｔａ）が適している。これらの材料は融点が高く、かつ線膨張係数が小さいからである。バリア材には銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）またはアルミニウム（Ａｌ）が適している。これらの材料は熱伝導率が大きく、かつ水に対する耐食性に優れているからである。
【表１】
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【００６８】
（第２の実施の形態）
次に図１７と図１８を参照して本発明の第２の実施形態を説明する。なお、本実施形態が上記実施形態と共通する部分の説明は省略する。
【００６９】
本実施形態のイオン源用電極２５Ａは、溝付きMo平板（耐熱電極板）１Ａ、段差付きCu平板（バリア材）４Ａ、段差付きCu平板（バリア材）５Ａ、溝付きMo平板（耐熱電極板）３Ａをこの順に積み重ねて互いに接合してなり、この積層体を貫通する複数のビーム孔２３と、冷媒が流れる冷媒流路２２Ａとを有している。冷媒流路２２Ａは、バリア材である段差付き平板４Ａと５Ａとで周囲を規定され、上述のヘッダー２４ａ，２４ｂを介して冷媒供給手段の供給ラインに連通している。
【００７０】
（実施例）
実施例電極２５Ａの各部のサイズを以下に列記する。
【００７１】
１）電極の総厚みｔ１：  ３ｍｍ
２）厚みｔ２，ｔ８：  ０．３ｍｍ
３）溝深さ（段差）ｔ３，ｔ９：  １．２ｍｍ
４）厚みｔ４：  １．５ｍｍ
５）厚みｔ５：  ０．３ｍｍ
６）厚みｔ６：  １．７ｍｍ
７）厚みｔ７：  ０．７ｍｍ
８）冷媒流路の深さｄ２：  ０．５ｍｍ
９）冷媒流路の幅Ｗ１：  ２ｍｍ
10）ビーム孔の径：  ７ｍｍ
（第３の実施の形態）
図１９と図２０を参照して本発明の第３の実施形態を説明する。なお、本実施形態が上記実施形態と共通する部分の説明は省略する。
【００７２】
本実施形態のイオン源用電極２５Ｂは、溝付きMo平板（耐熱電極板）１Ｂ、段差付きCu平板（バリア材）４Ｂ、段差付きCu平板（バリア材）５Ｂ、溝付きMo平板（耐熱電極板）３Ｂをこの順に積み重ねて互いに接合してなり、この積層体を貫通する複数のビーム孔２３と、冷媒が流れる冷媒流路２２Ｂとを有している。冷媒流路２２Ｂは、バリア材である段差付き平板４Ｂと５Ｂとで周囲を規定され、上述のヘッダー２４ａ，２４ｂを介して冷媒供給手段の供給ラインに連通している。
【００７３】
さらに、本実施形態では、溝付きMo平板（耐熱電極板）１Ｂと段差付きCu平板（バリア材）４Ｂとの接合面、および段差付きCu平板（バリア材）５Ｂと溝付きMo平板（耐熱電極板）３Ｂとの接合面に、それぞれ放熱凹凸構造Ｐを形成し、電極の冷却効率をさらに向上させるようにしている。
【００７４】
このような形状にすることで電極の冷却効率が高まり、かつ線膨張率の違いに起因する繰り返し応力による接合部の破壊にも強い構造となることが期待できる。
【００７５】
実施例電極２５Ｂの各部のサイズを以下に列記する。
【００７６】
１）電極の総厚みｔ１：  ３ｍｍ
２）厚みｔ２，ｔ８：  ０．３ｍｍ
３）溝深さ（段差）ｔ３，ｔ９：  １．２ｍｍ
４）厚みｔ４：  １．５ｍｍ
５）厚みｔ５：  ０．３ｍｍ
６）厚みｔ６：  １．７ｍｍ
７）厚みｔ７：  ０．７ｍｍ
８）冷媒流路の深さｄ２：  ０．５ｍｍ
９）冷媒流路の幅Ｗ１：  ２ｍｍ
10）ビーム孔の径：  ７ｍｍ
11)放熱凹凸構造Ｐの長さ：  ０．１ｍｍ
（変形例）
上記実施形態では冷媒流路の横断面形状を矩形とする例について説明したが、本発明はこれのみに限定されるものではなく、図２１の（ａ）に示すようにＵ字溝を有する平板５ｃに平坦平板４を接合して半円または半楕円の断面形状の冷媒流路２２ｃとしてもよいし、また、図２１の（ｂ）に示すようにＶ字溝を有する平板５ｄに平坦平板４を接合して三角形の断面形状の冷媒流路２２ｄとしてもよいし、また、図２１の（ｃ）に示すように台形溝を有する平板５ｅに平坦平板４を接合して台形の断面形状の冷媒流路２２ｅとしてもよい。
【００７７】
（第４の実施の形態）
次に本発明の第４の実施形態を説明する。
【００７８】
第４の実施の形態は、平板および溝付き平板の接合面および溝内部である冷却水が接する面にバリア層を形成する接合方法が図に示さない熱間圧延法を用いることで、圧延クラッド鋼を素材として仕込むことができるのでイオン源用電極材料としては生産性の高い製造方法を提供することができると共に、かつ安価な材料が提供できる。
【００７９】
本方法による作用および効果は、熱間圧延法を用いることで、熱間等方圧加圧法の場合に必要であった接合容器内の真空排気や高気密度のシール技術に電子ビーム溶接機など高価な設備を必要とせず、たとえばタングステンイナートガス溶接などでの気密溶接が可能である。この熱間法圧延法の接合メカニズムは、熱間等方圧加圧法の静的な接合メカニズムに対して圧延時の接合界面の変形により酸化物排出など動的な接合メカニズムにより積極的に接合界面の相互拡散が促進されるので、接合前の接合面の管理基準が緩和できることで、製造工程にも裕度が得られるなどの効果が得られる。
【符号の説明】
【００８０】
１…耐熱電極板（平坦平板）、１Ａ，１Ｂ…耐熱電極板（溝付き平板）、
２，２Ａ，２Ｂ…溝、
３，３Ａ，３Ｂ…耐熱電極板（溝付き平板）、
４，５，５ｃ，５ｄ，５ｅ…バリア材（耐食性バリア層）、
６，６ａ…セラミックシート（離型材）、
７…接合容器、８…上板、９，１０…側板、１１…底板、
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ…溶接部、１３…熱間等方圧加圧装置、
１４…真空ポンプ、１５…高圧ポンプ、１６…加熱ヒータ、１７…加圧方向、
１８…複合板、１８ａ…耐熱電極板（平坦平板）、１８ｂ…バリア材、
１９…複合板、１９ａ…耐熱電極板（溝付き平板）、１９ｂ…バリア材、
２０…ろう箔（バリア材）、
２１（２５ａ）…電極アッセンブリ、
２２，２２Ａ，２２Ｂ，２２ｃ，２２ｄ，２２ｅ…冷媒流路、
２３…ビーム孔、２４ａ，２４ｂ…ヘッダー、２４ｃ…冷媒入口、２４ｄ…冷媒出口、
２５…イオン源用電極、
２８…ろう付け部、
３１…中性粒子入射装置、３２…イオン源、３３…ガス、３４…フィラメント、
３５…プラズマ生成部、３６…加速部（電極列）、３７…高電圧電源、
３９…中性化セル、４０…イオンビーム、４１…中性粒子ビーム、４２…炉心プラズマ、Ｐ…放熱凹凸構造。
【図１】
2011076937.tif 000004
【図２】
2011076937.tif 000005
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2011076937.tif 000013
【図１１】
2011076937.tif 000014
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
2011076937.tif 000019
【図１７】
2011076937.tif 000020
【図１８】
2011076937.tif 000021
【図１９】
2011076937.tif 000022
【図２０】
2011076937.tif 000023
【図２１】
2011076937.tif 000024
【図２２】
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