(57)【要約】【課題】高純度銅からなる真空装置部材、特に高真空が要求される粒子加速器用部材を提供する。【解決手段】Ｆｅ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｃｒ、ＭｇおよびＺｒの含有量がそれぞれＦｅ：０．２ｐｍ以下、Ｓｉ：０．２ｐｍ以下、Ａｌ：０．０５ｐｐｍ以下、Ｃｒ：０．０５ｐｐｍ以下、Ｍｇ：０．０５ｐｐｍ以下、Ｚｒ：０．０５ｐｍ以下である純度：９９．９９９９質量％以上の高純度銅からなる真空装置用部材、特に粒子加速器用部材。【選択図】        なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｆｅ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｃｒ、ＭｇおよびＺｒの含有量がそれぞれＦｅ：０．２ｐｐｍ以下、Ｓｉ：０．２ｐｐｍ以下、Ａｌ：０．０５ｐｐｍ以下、Ｃｒ：０．０５ｐｐｍ以下、Ｍｇ：０．０５ｐｐｍ以下、Ｚｒ：０．０５ｐｐｍ以下であることを特徴とする純度：９９．９９９９質量％以上の高純度銅からなる真空装置用部材。
【請求項２】
Ｆｅ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｃｒ、ＭｇおよびＺｒの含有量がそれぞれＦｅ：０．２ｐｐｍ以下、Ｓｉ：０．２ｐｐｍ以下、Ａｌ：０．０５ｐｐｍ以下、Ｃｒ：０．０５ｐｐｍ以下、Ｍｇ：０．０５ｐｐｍ以下、Ｚｒ：０．０５ｐｐｍ以下であることを特徴とする純度：９９．９９９９質量％以上の高純度銅からなる粒子加速器用部材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、高純度銅からなる真空装置部材、特に高真空が要求される粒子加速器用部材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、真空容器部材、特に高真空を要求される粒子加速器を製造するための部材としては、優れた電気伝導度および熱伝導度を必要とし、さらに残存ガスによる真空度の低下を防ぐために、残存ガス量の可及的に少ない高純度無酸素銅が使用されている。この粒子加速器製造用部材としての残存ガス量の可及的に少ない高純度無酸素銅は、酸素：１．５ｐｐｍ以下、水素：０．５ｐｐｍ以下に規定されている純度：９９．９９質量％以上の高純度銅（特許文献１参照）、Ｚｒ：１〜１５ｐｐｍを含有し酸素：３ｐｐｍ以下に規定された純度：９９．９９質量％以上の高純度銅（特許文献２参照）、鉄：５〜２０ｐｐｍを含有し、酸素：１０ｐｐｍ以下、硫黄：１０ｐｐｍ以下に規定されている純度：９９．９９質量％以上の高純度銅（特許文献３参照）、Ａｇ：０．０１〜１質量％またはＺｒ：０．００５〜０．５質量％（５０〜５００ｐｐｍ）を含有し酸素：１０ｐｐｍ以下、水素：０．５ｐｐｍ以下に規定された純度：９９．９９質量％以上の高純度銅（特許文献４参照）、Ａｓ，Ｂｉ，Ｓｂ，Ｓｅ，Ｔｅ，Ｓｎ，Ｍｎの合計濃度が２０ｐｐｍ以下、それらを含めた不純物量が４０ｐｐｍ以下であって、酸素：１ｐｐｍ以下、水素：０．５ｐｐｍ以下に規定された純度：９９．９９質量％以上の高純度銅（特許文献５参照）などが知られている。これら純度：９９．９９質量％以上の高純度銅のうちでも、特許文献５に記載されたＡｓ，Ｂｉ，Ｓｂ，Ｓｅ，Ｔｅ，Ｓｎ，Ｍｎの合計濃度が２０ｐｐｍ以下、それらを含めた不純物量が４０ｐｐｍ以下であって、酸素：１ｐｐｍ以下、水素：０．５ｐｐｍ以下に規定された純度：９９．９９質量％以上の高純度銅は、放電抑制効果に優れ、この高純度銅は粒子加速器用部材として優れたものであるとされている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平４−９９２３６号公報
【特許文献２】
特開平８−３６６４号公報
【特許文献３】
特開平９−３１６５６８号公報
【特許文献４】
特開平９−１１８９４３号公報
【特許文献５】
特開平８−５１００号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記従来の粒子加速器製造用部材である高純度無酸素銅で作製された粒子加速器は、使用前にベーキング処理して脱水素処理しても、高純度無酸素銅に含まれる水素は酸素と強い親和力を有するために酸素にトラップされて容易に脱水素することができず、かかる酸素にトラップされた水素を含む高純度無酸素銅で作製された真空装置、特に高真空を要求される粒子加速器は、使用時に残留する水素が徐々に放出され、真空度の低下を招く。
また、真空装置用部材、特に高真空を要求される粒子加速器用部材には高電圧をかけても放電が発生し難い特性を必要とするが、従来の純度：９９．９９質量％以上の無酸素銅では放電抑制効果が十分に高いとは言えず、真空装置用部材、特に高真空を要求される粒子加速器用部材として満足のできる特性は得られなかった。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明者らは、かかる観点から、ベーキング処理により水素の除去が容易になり、高真空で使用した場合、水素の放出による真空度の低下を招くことが少なく、さらに放電抑制効果の一層優れた真空装置用部材、特に粒子加速器用部材を得るべく研究を行った。その結果、
（イ）市販されている純度：９９．９９９９質量％以上の高純度電解銅（以下、６Ｎ銅という）は、従来から知られている真空装置用部材、特に粒子加速器用部材に比べて、ガス放出による真空度の低下を一層抑制することができ、さらに放電抑制効果が一層優れている、
（ロ）この市販の６Ｎ銅において、酸素と親和力の強い元素であるＦｅ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｃｒ、ＭｇおよびＺｒをそれぞれＦｅ：０．２ｐｐｍ以下、Ｓｉ：０．２ｐｐｍ以下、Ａｌ：０．０５ｐｐｍ以下、Ｃｒ：０．０５ｐｐｍ以下、Ｍｇ：０．０５ｐｐｍ以下、Ｚｒ：０．０５ｐｐｍ以下に規定した６Ｎ銅は、ベーキング処理による水素の除去が一層容易になって高真空における材料からの残留ガスの放出が極めて少なく、さらに絶縁破壊電界が高くなり、さらにコンディショニング効果により絶縁破壊電界が飽和するまでの放電回数が減少するところから、真空装置用部材、特に粒子加速器用部材として一層優れた特性を有する、という知見を得たのである。
【０００６】
この発明は、かかる知見にもとづいてなされたものであって、
（１）Ｆｅ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｃｒ、ＭｇおよびＺｒの含有量がそれぞれＦｅ：０．２ｐｐｍ以下、Ｓｉ：０．２ｐｐｍ以下、Ａｌ：０．０５ｐｐｍ以下、Ｃｒ：０．０５ｐｐｍ以下、Ｍｇ：０．０５ｐｐｍ以下、Ｚｒ：０．０５ｐｐｍ以下である純度：９９．９９９９質量％以上の高純度銅からなる真空装置用部材、
（２）Ｆｅ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｃｒ、ＭｇおよびＺｒの含有量がそれぞれＦｅ：０．２ｐｐｍ以下、Ｓｉ：０．２ｐｐｍ以下、Ａｌ：０．０５ｐｐｍ以下、Ｃｒ：０．０５ｐｐｍ以下、Ｍｇ：０．０５ｐｐｍ以下、Ｚｒ：０．０５ｐｐｍ以下である純度：９９．９９９９質量％以上の高純度銅からなる粒子加速器用部材、に特徴を有するものである。
【０００７】
この発明の６Ｎ銅において、酸素と親和力の強い元素であるＦｅ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｃｒ、ＭｇおよびＺｒをそれぞれＦｅ：０．２ｐｐｍ以下、Ｓｉ：０．２ｐｐｍ以下、Ａｌ：０．０５ｐｐｍ以下、Ｃｒ：０．０５ｐｐｍ以下、Ｍｇ：０．０５ｐｐｍ以下、Ｚｒ：０．０５ｐｐｍ以下にする理由は、これら酸素との親和力の強い元素が、それぞれＦｅ：０．２ｐｐｍを越え、Ｓｉ：０．２ｐｐｍを越え、Ａｌ：０．０５ｐｐｍを越え、Ｃｒ：０．０５ｐｐｍを越え、Ｍｇ：０．０５ｐｐｍ、Ｚｒ：０．０５ｐｐｍを越えると、微細な酸化物を形成するため、それらの元素を低減することにより、これまでの脱水素のみでなく、真空装置部材、特に粒子加速器用部材中の脱水素が可能となり、放電抑制効果を悪化させると思われる酸化物も従来材よりも極限的に低減できるからである。
【０００８】
この発明のＦｅ：０．２ｐｐｍ以下、Ｓｉ：０．２ｐｐｍ以下、Ａｌ：０．０５ｐｐｍ以下、Ｃｒ：０．０５ｐｐｍ以下、Ｍｇ：０．０５ｐｐｍ以下、Ｎａ：０．０５ｐｐｍ以下、Ｚｒ：０．０５ｐｐｍ以下に規定した６Ｎ銅からなる真空装置用部材または粒子加速器用部材を製造するには、まず、市販の６Ｎ銅を露点：−７℃以下の極めて水分の少ない高純度Ａｒガス雰囲気中で溶解し、得られた溶湯に露点：−５０℃以下の極めて水分の少ない高純度Ａｒガスを吹き込んで脱ガス処理を施し、高純度銅溶湯を作製し、このようにして得られた高純度銅溶湯を高純度カーボン製モールドに注入し、モールド底から上方に向かって通常の凝固速度で一方向凝固させることにより製造することができる。
【０００９】
この発明の高純度銅からなる真空装置用部材を製造するには、図１の断面図に示される装置を用いて高純度銅インゴットを製造する。図１において、１はインゴットを作るためのモールドであり、このモールド１は高純度黒鉛製モールドである。モールド１は加熱炉２の空間に装入できるようになっており、加熱炉２の胴部内部にはヒータ３が設けられている。一方、モールド１の底部には、純銅製の冷却台座４が設けられており、冷却台座４の空洞６には冷却水を供給し常に冷却することができるようになっている。モールド１に注入された溶湯はモールド１の底部から凝固を始め、モールド１の側壁に形成された温度勾配により一方向凝固組織５が形成されるようになっている。モールド１の開口部には蓋７が設けられており、加熱炉２の空間およびモールド１の内部は不活性ガス雰囲気に保たれている。
【００１０】
ヒータ３はモールド底部から上部に向かって高温となるように温度勾配を形成することができるようになっており、図１では加熱炉２の胴部内部に設けられているヒータ３は加熱体Ａ〜Ｃで構成されている。そして加熱体Ａ〜Ｃは加熱炉２の胴部上方に設けられた加熱体ほど高温に加熱制御できるようになっている。すなわち、加熱体Ａを最も高温に制御することができ、加熱体Ｃが最も低温に制御することができ、モールド壁の温度が下から上に向かって高温となるように温度勾配が付けられるようになっている。加熱炉２に設けられる加熱体は数多く設けることにより一層滑らかな温度勾配を形成することができるので、加熱体の数は多く設けるほど好ましい。かかる加熱炉２のヒータ３の加熱体Ａ〜Ｃに温度勾配が付くように供給電力を制御して加熱し、温度勾配がつくように加熱されたモールド１にストッパー１３を引き上げて坩堝８内の溶湯１２を注入すると、モールド１に注入された溶湯１２はモールド１の下端から上端に向かって凝固し、そのときの溶湯の凝固速度を電気的に自由に変えられるようになっている。
【００１１】
モールド１に注入される溶湯１２は、図１に示される底注式溶解炉１０により溶解し製造する。底部にノズル９を設けた坩堝８と加熱装置（図示せず）を有する底注式溶解炉１０により溶解したのち、溶湯に脱水素の目的でパイプ１１から不活性ガスを吹き込んで溶湯１２を脱水素処理する。不活性ガスを吹き込んで溶湯１２を脱水素処理した後、ストッパー１３を上昇させて溶湯１２をノズル９からモールド１に注入する。
【００１２】
図１に示される装置を用いてこの発明のＦｅ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｃｒ、ＭｇおよびＺｒの含有量がそれぞれＦｅ：０．２ｐｐｍ以下、Ｓｉ：０．２ｐｐｍ以下、Ａｌ：０．０５ｐｐｍ以下、Ｃｒ：０．０５ｐｐｍ以下、Ｍｇ：０．０５ｐｐｍ以下、Ｚｒ：０．０５ｐｐｍ以下に規制した６Ｎ銅インゴットを製造するには、まず、市販の６Ｎ銅を温度：１１５０〜１３００℃（好ましくは１２００〜１２５０℃）で溶解し高純度銅の溶湯を作製する。前記高純度銅の溶解雰囲気は、高純度Ａｒガスなどの高純度不活性ガス雰囲気、ＣＯガスを２〜３％含む窒素ガスなどの還元ガス雰囲気または真空雰囲気である。前記高純度不活性ガス雰囲気および還元ガス雰囲気の露点は−７℃以下であることが好ましい。かかる条件で溶解して得られた溶湯に露点：−５０℃の高純度不活性ガスを吹き込んで脱水素処理した後、図１に示される高純度カーボン製モールド１に注入し一方向凝固させて製造する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
実施例１
図１に示される底注式溶解炉１０を用いて表１に示される成分組成の市販の６Ｎ銅を、露点：−７℃以下の高純度Ａｒガス雰囲気中で溶解し、得られた溶湯に露点：−５０℃以下のＡｒガスを吹き込んで脱水素処理を施し、この溶湯を１２５０℃に保持した。
一方、図１に示される加熱炉２の空間にモールド１を底部が冷却水により冷却されている水冷台座４に載置するように装入し、加熱炉２の空間を露点：−７℃以下の高純度Ａｒガス雰囲気中に保持した。
【００１４】
加熱炉内にセットされたモールドに先に用意した溶湯をモールドに注入し、下部から上部に向かって凝固させ、最後にモールド上部の溶湯が凝固するように制御して直径：１４０ｍｍ、長さ：２５０ｍｍの寸法を有する一方向組織を有する本発明真空装置用部材１の高純度銅インゴットを作製した。このようにして得られた高純度銅インゴットに含まれる酸素と結合しやすいＦｅ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｇ、およびＺｒの含有量をＧＤ−ＭＳ分析により測定したところ、表１に示される値が得られた。
この本発明真空装置用部材１の高純度銅インゴットを通常の条件で熱間圧延したのち通常の条件で焼鈍熱処理した本発明真空装置用部材１に含まれる酸素及び水素の量をＬＥＣＯ法によるガス分析を行って測定し、その結果を表１に示した。
その後、さらに、本発明真空装置用部材１を１×１０−４Ｐａ以下の真空雰囲気中、温度：５００℃、２時間保持のベーキング処理を施したのちの本発明真空装置用部材１の酸素及び水素の量をＬＥＣＯ法によるガス分析を行って測定し、その結果を表１のベーキング処理後の欄に示した。このベーキング処理した本発明真空装置用部材１をさらに放出ガス測定装置に装入して８×１０−９Ｐａの高真空雰囲気中、温度：５００℃に保持し、水素ガスの放出速度（単位：Ｐａ・ｍ／ｓｅｃ）を測定し、その結果を表１に示した。
【００１５】
さらに、本発明真空装置用部材１からなる把持部分とその一端に曲率半径：１８ｍｍの球面部分を設けた形状を有する電極試験片を作製し、この電極試験片を放電試験装置の超真空容器内に球部分が向い合うように対抗して取付けた後、予備処理としてＨｅイオン照射により電極試験片表面の清浄化処理を行ない、その後、放電試験装置の超真空容器内を８×１０−９Ｐａに保持し、対抗する本発明真空装置用部材１からなる電極試験片の球部分に放電が発生するまでインパルス高電圧をかけ、放電が発生した時の電圧を絶縁破壊電圧として測定し、この測定した放電破壊電圧を電極間距離で割った値を初回絶縁破壊電界として表２に示し、一方、放電が発生するまでの放電発生回数を５００回まで行い、５００回目の絶縁破壊電界を測定した値を表２に示した。さらに絶縁破壊電界を縦軸に取り、放電発生回数を横軸にとって図２に示されるグラフを作成した。
図２に示されるグラフから、インパルス高電圧を電極試験片に繰り返しかけると、コンディショニング効果により絶縁破壊電界は徐々に増加し、やがてある放電回数で絶縁破壊電界は飽和することが読み取れた。このグラフから絶縁破壊電界が飽和するまでの放電回数を読み取り、その読み取った値を表２に示すことにより放電特性を評価した。
【００１６】
比較例１
実施例１で用意した市販の６Ｎ銅を比較真空装置用部材１として使用し、この市販の６Ｎ銅について実施例１と全く同様にして表２に示される測定値を求め、さらに実施例１と同様にして放電特性を評価した。
【００１７】
従来例１
さらに、比較のために、市販の純度：９９．９９質量％以上を有する真空装置用部材を用意し、この市販の真空装置用部材を従来真空装置用部材１とした。この従来真空装置用部材１に含まれるＦｅ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｃｒ、ＭｇおよびＺｒの含有量を実施例１と同様にして測定したところ、表１に示される結果が得られた。さらにこの従来真空装置用部材１を用いて実施例１と同様にして表２に示される測定値を求め、さらに実施例１と同様にして放電特性を評価した。
【００１８】
【表１】
2004156090.tif 000002
【００１９】
【表２】
2004156090.tif 000003
【００２０】
表１〜２および図２に示される結果から、従来真空装置用部材１は水素のみしか低減できないが、本発明真空装置用部材１は酸素及び水素とも０．２ｐｐｍ以下になり、ガス放出速度の値が小さく、さらに絶縁破壊電界が大きく、絶縁破壊電界が飽和する放電回数が小さいところから、本発明真空装置用部材１は従来真空装置用部材１に比べて真空装置用部材として優れていることが分かる。これに対して、６Ｎ銅の比較真空装置用部材１は真空装置用部材としてやや劣ることが分かる。
【００２１】
【発明の効果】
上述のように、この発明の真空装置用部材は従来の真空装置用部材よりも優れた性能の真空装置を製造することができ、産業上優れた効果をもたらすものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の真空装置用部材を製造するための装置の概略図である。
【図２】絶縁破壊電界として縦軸に取り、放電発生回数を横軸にとったグラフである。
【符号の説明】
１  モールド
２  加熱炉
３  ヒータ
４  冷却台座
５  一方向凝固組織
６  空洞
７  蓋
８  坩堝
９  ノズル
１０  底注式溶解炉
１１  パイプ
１２  溶湯
１３  ストッパー
【図１】
2004156090.tif 000004
【図２】
2004156090.tif 000005