特許 5974495 粒子線透過窓の製作方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5974495

(24)【登録日】2016年7月29日

(45)【発行日】2016年8月23日

(54)【発明の名称】粒子線透過窓の製作方法

(51)【国際特許分類】

   G21K 5/00 20060101AFI20160809BHJP

   A61N 5/10 20060101ALI20160809BHJP

   H01J 5/18 20060101ALI20160809BHJP

   G21K 5/04 20060101ALI20160809BHJP

【ＦＩ】

   G21K5/00 W

   A61N5/10 D

   A61N5/10 E

   A61N5/10 H

   H01J5/18

   G21K5/04 E

【請求項の数】1

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2012-9463(P2012-9463)

(22)【出願日】2012年1月19日

(65)【公開番号】特開2013-148478(P2013-148478A)

(43)【公開日】2013年8月1日

【審査請求日】2014年3月6日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２２年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「省エネルギー革新技術開発事業／先導研究／革新的電子線源を用いた省エネルギーＮＯｘ無害化技術の研究開発」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】000004123

【氏名又は名称】ＪＦＥエンジニアリング株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100080458

【弁理士】

【氏名又は名称】高矢 諭

(74)【代理人】

【識別番号】100076129

【弁理士】

【氏名又は名称】松山 圭佑

(74)【代理人】

【識別番号】100089015

【弁理士】

【氏名又は名称】牧野 剛博

(72)【発明者】

【氏名】土居 真

【審査官】 青木 洋平

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００７−２４０４５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−０９１１０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実公昭３８−０２７４９９（ＪＰ，Ｙ１）

【文献】 特開昭５７−１５８６００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特公昭４８−０２４６６１（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】 特開平０３−２５１８００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭４８−０６００００（ＪＰ，Ｕ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ２１Ｋ ５／００

Ａ６１Ｎ ５／１０

Ｇ２１Ｋ ５／０４

Ｈ０１Ｊ ５／１８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

粒子線の発生部を備える粒子線照射装置の真空チャンバに取り付けられ、該粒子線を該真空チャンバの内側から外側に透過させる粒子線透過窓の製作方法であって、
前記粒子線が透過する金属薄膜と、該金属薄膜を両面から支持し前記真空チャンバに取り付けられる２つのフレームと、を用意する工程と、
該２つのフレームの少なくとも１つに、前記粒子線の通過領域に対して多孔構造を形成する工程と、
前記金属薄膜を該２つのフレームで挟持する工程と、
該２つのフレームのうち、真空側に配置される第１フレームの前記金属薄膜を挟み込む側と反対側表面からの気密接合の深さが、該第１フレームの厚みと該金属薄膜の厚みを合わせた値よりも大きくされるが、大気側に配置される第２フレームの前記金属薄膜を挟み込む側と反対側表面まで届かない距離とされる条件で、Ｍ^２値が１．０以上１．５未満且つＢＰＰが０．１１以上０．５０未満のビーム品質のレーザ溶接により、該金属薄膜を挟持した該２つのフレームを前記金属薄膜に気密接合する工程と、
を含む粒子線透過窓の製作方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、粒子線透過窓の製作方法に係り、特に、大気圧や圧力変動による破損を回避しつつ電子線、イオンビームなどの荷電粒子線、Ｘ線やガンマ線などの電磁波などの粒子線の高い透過率が可能な粒子線透過窓の製作方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、Ｘ線などを真空チャンバから取り出す際に、特許文献１に示されるような透過窓が用いられている。図４にその概略を示す。透過窓３０は、金属薄膜であるベリリウム箔とされており、真空チャンバ２の開口部１８にろう材２８で接合され、大気側が固定カバー２０で止められている。このため、透過窓３０は、真空チャンバ２の真空状態を良好に保ちながら、高い透過率でＸ線を真空チャンバ２の内側から外側に照射することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平６−２６０１２１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１の透過窓３０は金属薄膜そのもので構成されているため、外側の大気圧や外側と内側との圧力変動により金属薄膜を破損させるおそれがある。特に、透過窓３０である金属薄膜の厚みが薄ければ薄いほど破損の可能性は高くなる。なお、電子線などを透過窓３０で透過させた場合には、Ｘ線の時に比べ、金属薄膜でのエネルギー吸収が大きくなることにより熱が発生しその金属薄膜に熱がこもりやすくなる。この際には、金属薄膜の熱による撓み若しくは熱応力あるいは強度低下（軟化）で大気圧や圧力変動により更に金属薄膜の破損が生じやすくなる。

【0005】

本発明は、前記問題点を解消するべくなされたもので、外側からの大気圧や圧力変動による破損を回避しつつ電子線、イオンビームなどの荷電粒子線、Ｘ線やガンマ線などの電磁波などの粒子線の高い透過率が可能な粒子線透過窓の製作方法を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本願の請求項１に係る発明は、粒子線の発生部を備える粒子線照射装置の真空チャンバに取り付けられ、該粒子線を該真空チャンバの内側から外側に透過させる粒子線透過窓の製作方法であって、前記粒子線が透過する金属薄膜と、該金属薄膜を両面から支持し前記真空チャンバに取り付けられる２つのフレームと、を用意する工程と、該２つのフレームの少なくとも１つに、前記粒子線の通過領域に対して多孔構造を形成する工程と、前記金属薄膜を該２つのフレームで挟持する工程と、該２つのフレームのうち、真空側に配置される第１フレームの前記金属薄膜を挟み込む側と反対側表面からの気密接合の深さが、該第１フレームの厚みと該金属薄膜の厚みを合わせた値よりも大きくされるが、大気側に配置される第２フレームの前記金属薄膜を挟み込む側と反対側表面まで届かない距離とされる条件で、Ｍ^２値が１．０以上１．５未満且つＢＰＰが０．１１以上０．５０未満のビーム品質のレーザ溶接により、該金属薄膜を挟持した該２つのフレームを前記金属薄膜に気密接合する工程と、を含むようにしたことにより、前記課題を解決したものである。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、大気圧や圧力変動による破損を回避しつつ電子線、イオンビームなどの荷電粒子線、Ｘ線やガンマ線などの電磁波などの粒子線の高い透過率が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の第１実施形態に係る電子線照射装置の概略的な構成を示す模式図

【図2】図１に示した電子線照射装置の開口部を拡大した状態を示す模式図

【図3】図１に示した開口部に取り付けられる透過窓の断面を示した模式図（Ａ）と上面を示した模式図（Ｂ）

【図4】従来技術の透過窓周辺を示した模式図

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、添付図面を参照しつつ、本発明の実施形態の一例について詳細に説明する。

【0016】

最初に、電子線照射装置（粒子線照射装置）およびそれに用いられる透過窓（粒子線透過窓）の構成について説明する。

【0017】

電子線照射装置１００は、図１に示す如く、電子線１１０の発生部１０４を真空チャンバ１０２の内側に備える。発生部１０４は、電子を発生させるカソード１０６（ホットカソード、コールドカソードのいずれでもよい）と、発生した電子を引出す引出し電極１０８とを備える。カソード１０６と引出し電極１０８との間には、引出し電源１１２が接続されている。そして、カソード１０６と接地された真空チャンバ１０２のフランジ１１６との間には、加速電源１１４が接続されている。このため、引出し電極１０８によって引き出された電子は、加速電源１１４によって加速され、フランジ１１６の開口部１１８に向かう電子線１１０とされている。ホットカソードの場合には引出し電極１０８がウェネルトとなり、引出し電源１１２の代わりに点線で図示した可変抵抗を設置した二極型でも良い。

【0018】

透過窓１３０は、図２に示す如く、フランジ１１６の開口部１１８に取り付けられている。具体的には、フランジ１１６の開口部１１８の近傍内側（真空側）に沿って凹部が設けられ、そこにＯリング１２２が配置される。そして、その真空側に透過窓１３０が配置され、更にリング形状の固定カバー１２０がその真空側に配置され、ボルト１２４で固定カバー１２０とフランジ１１６とが固定される。即ち、透過窓１３０は、電子線１１０の発生部１０４を備える電子線照射装置１００の真空チャンバ１０２に取り付けられ、電子線１１０を真空チャンバ１０２の内側から外側に透過させている。

【0019】

具体的な透過窓１３０は、図３に示す如く、電子線１１０が透過する金属薄膜１３２と、金属薄膜１３２を真空チャンバ１０２のフランジ１１６に取り付けるために、金属薄膜１３２を挟持する形態で金属薄膜１３２に気密接合される２つのフレーム（第１、第２フレーム１３４、１４２）と、を備えている。金属薄膜１３２は、Ｔｉ箔であり、２〜５μｍとされている。第１、第２フレーム１３４、１４２は、同じくＴｉであり、それぞれ厚みＨ１、Ｈ２は、０．２ｍｍ、０．５ｍｍとされている。そして、第１、第２フレーム１３４、１４２は、外径Ｄ１が２０ｍｍで、中央部分を構成する多孔構造と、周辺部分を構成する支持部１３６、１４４とからなる。中央部分は、電子線１１０の通過領域１２６とされ、通過領域１２６よりも広く多孔構造が形成されている。即ち、第１、第２フレーム１３４、１４２は、電子線１１０の通過領域１２６で多孔構造とされている。なお、通過領域１２６とは、引出し電極１０８と固定カバー１２０の陰にならず、電子線１１０を直接的に真空チャンバ１０２の外側に通過させることを可能とする領域をいう。また、通過領域１２６で多孔構造であるということは、例えば、図３（Ｂ）に示す如く、通過領域１２６内では、ＸＹいずれの方向にも複数の孔１３８が並ぶ状態のことをいう。孔１３８（１４６）は、すべて同一形状で周期的に設けられている。しかも、孔１３８（１４６）は、六角形形状であり、多孔構造がハニカム構造とされている。このため、第１フレーム１３４（第２フレーム１４２）の通過領域１２６では、多数の枠部１４０（１４８）が存在しながら高い開口率にすることができる。具体的な数値で説明するならば、六角形の孔１３８（１４６）における対辺までの距離（単に孔径とも称する）Ｗ１で１．４６ｍｍ、枠部１４０（１４８）の幅Ｗ２で０．１ｍｍとされ、且つ通過領域１２６の直径Ｄ２が８ｍｍとされているときには、第１フレーム１３４（第２フレーム１４２）における通過領域１２６をほぼ９０％の開口率とすることができる。

【0020】

孔１３８（１４６）の内側面１３８Ａ（１４６Ａ）は第１フレーム１３４（第２フレーム１４２）の厚み方向（Ｚ方向）に平行とされている。このため、第１、第２フレーム１３４、１４２は、金属薄膜１３２を通過する電子線１１０をコリメートする機能を備える。

【0021】

次に、透過窓１３０の製作工程を説明する。

【0022】

まず、第１、第２フレーム１３４、１４２のそれぞれの厚みに対応するＴｉ板にハニカム構造（多孔構造）をエッチングで設けて、第１、第２フレーム１３４、１４２を形成する。このとき、第１フレーム１３４の枠部１４０のアスペクト比は２（厚みＨ１が０．２ｍｍで幅Ｗ２が０．１ｍｍであるので）となるが、第２フレーム１４２の枠部１４８のアスペクト比は５（厚みＨ２が０．５ｍｍで幅Ｗ２が０．１ｍｍであるので）となる。このため、場合により、複数のＴｉ板をエッチングして、それを重ね合わせ圧着や拡散接合などで貼り合わせることで第２フレーム１４２を構成してもよい。同時に、所定の厚み（２〜５μｍ）の金属薄膜１３２を用意する。

【0023】

次に、金属薄膜１３２を第１フレーム１３４と第２フレーム１４２とで挟み込み、支持部１３６、１４４と枠部１４０、１４８の位置をそれぞれ厚み方向（Ｚ方向）で合わせる。

【0024】

次に、第１フレーム１３４と第２フレーム１４２を、Ｍ^２値が１．０５でＢＰＰが０．３６のビーム品質（ビーム品質は、Ｍ^２値が１．０以上１．５未満且つＢＰＰが０．１１以上０．５０未満であればよい（後述））のレーザ溶接で金属薄膜１３２に気密接合する。気密接合は、通過領域１２６の外側の位置ＷＬにおいて多孔構造を囲むように行う。その気密接合の深さＤｐは、第１フレーム１３４の厚みＨ１と金属薄膜１３２の厚みを合わせた値よりも大きくされるが、第２フレーム１４２の底まで届かない距離とされている。このようにすることで、金属薄膜１３２を第１、第２フレーム１３４、１４２に確実に気密溶接でき、且つ第２フレーム１４２の下側（大気側）に配置されるＯリング１２２（図２）の面を平滑に保つことが可能となる（結果的に、真空チャンバ１０２の真空状態を高品質に保つことができる）。

【0025】

レーザ溶接をする際のシールドガスは、例えばアルゴン（Ａｒ）が用いられ、レーザで溶けた溶融金属を大気から保護し、溶接欠陥を防止する。その際にシールドガスは、溶融金属が吹き飛ばない程度の圧力で供給される（例えば、１５Ｌ／ｍｉｎ）。また、シングルモードファイバーレーザなどで実現されるＭ^２値が１．０以上１．５未満且つＢＰＰが０．１１以上０．５０未満のビーム品質のレーザを用いてレーザ溶接（高ビーム品質レーザ溶接）を行うことで溶接幅を細くエネルギー密度を非常に高くできる（従来のＹＡＧレーザ溶接の約１０００倍、マルチモードファイバーレーザ溶接やディスクレーザ溶接の５０倍）。このため、高ビーム品質レーザ溶接は、表１に示す如く、従来技術のアーク溶接やＹＡＧレーザ溶接に比べてはるかに溶接部への入熱量を少なくすることができる。なお、ＹＡＧレーザ溶接のビーム品質は、発振波長１．０６μｍでＭ^２値が３０〜６０、ＢＰＰが１０〜２０であり、ファイバー伝送を用いている。溶け込み深さ一定の条件において、一般的にＢＰＰと必要入熱量との間にはほぼ一次の相関があり、ＢＰＰが小さいほど入熱量を少なくすることができる。したがって、ＢＰＰをＹＡＧレーザ溶接の１／３０にすることにより入熱量を１／１０以下にすることが可能となるため、高ビーム品質レーザ溶接においては、Ｍ^２値の上限値を１．５（＝ＹＡＧレーザ溶接の平均値４５の１／３０）、ＢＰＰの上限値を０．５０（＝ＹＡＧレーザ溶接の平均値１５の１／３０）とする。なお、Ｍ^２値は、理想的なガウスモードのレーザからのズレ量の比を示す数値で、下限値は理論値の１．０であり、シングルモードではＭ^２値が小さく、マルチモードではＭ^２値が大きくなる。また、ＢＰＰ（ビームパラメータプロダクツ）は、集光点でのビーム径と拡がり角の積で表わされ、ＢＰＰが小さいほどレーザを細く集光することが可能である。レーザ波長が短くなるほどビーム品質は良くなるが、高ビーム品質レーザ溶接においては、実用レーザの波長としてＹＡＧ３倍波の３５３ｎｍでの理論値である０．１１をＢＰＰの下限値とする。

【0026】

【表1】

【0027】

なお、本実施形態における溶接条件は、表２の条件１であり、高速溶接ができ且つ入熱量を少なくできる。このため、溶接の際の入熱量による金属薄膜１３２の熱変形を最小化することができ、従来のアーク溶接やＹＡＧレーザ溶接などで溶接の際の加熱温度による金属薄膜の熱変形や熱応力による金属薄膜の亀裂や破損を回避することが可能となる（そもそも、本実施形態の如く金属薄膜１３２が２〜５μｍの厚みである場合には、従来の溶接方法では金属薄膜に対する熱負荷が高くなりすぎて適用できなかった）。なお、表２の条件２でも、条件１と同様の気密接合を実現することができる。

【0028】

【表2】

【0029】

このように、本実施形態においては、電子線１１０の通過領域１２６でハニカム構造とされた第１、第２フレーム１３４、１４２で金属薄膜１３２を挟み込む構成とされている。即ち、通過領域１２６では（ＸＹ平面の）いずれの方向においても複数の枠部１４０、１４８が多数存在するので、通過領域１２６に占める枠部１４０、１４８の面積を低く抑えながら（大きな開口率で）透過窓１３０を全面に亘り高強度にすることができる。このため、金属薄膜１３２に電子線１１０が照射され熱による撓みや熱応力が生じても、その撓み自体が矯正され、更に大気圧や圧力変動によるそれ以上の金属薄膜１３２の撓みを回避することができる。同時に、金属薄膜１３２にこもる熱を枠部１４０、１４８による熱伝導で低減することができ、金属薄膜１３２に生じる熱による撓みや熱応力や強度低下を低減することができる。従って、大気圧や圧力変動による金属薄膜１３２の破損を回避することができる。同時に、金属薄膜１３２は、２つの支持部１３６、１４４に挟まれるので、透過窓１３０の取り扱いが容易となり、金属薄膜１３２に直接的な応力をかけることを防止でき、取付け取り外しの際の金属薄膜１３２の破損などを防止することも可能となる。更には、第１、第２フレーム１３４、１４２の通過領域１２６における開口率が大きいので、電子線１１０の第１、第２フレーム１３４、１４２におけるエネルギーロスを低減でき、第１、第２フレーム１３４、１４２の熱による撓みを最小にすることができる。

【0030】

また、金属薄膜１３２の材質はＴｉと比較的軽い元素であること、その厚みも２〜５μｍであること、そして上述の如く第１、第２フレーム１３４、１４２の開口率が高いことから、相乗的に透過窓１３０による電子線１１０のロスを少なくでき、高効率で、電子線１１０を真空チャンバ１０２の外側に導くことができる。

【0031】

また、孔１３８、１４６の内側面１３８Ａ、１４６Ａは、第１、第２フレーム１３４、１４２の厚み方向（Ｚ方向）に平行とされている。このため、孔１３８、１４６がコリメータの機能を果たすことができ、真空チャンバ１０２からコリメートされた電子線１１０を外側に導くことができる。

【0032】

また、第１、第２フレーム１３４、１４２は、Ｍ^２値が１．０５でＢＰＰが０．３６のビーム品質のレーザ溶接で金属薄膜１３２に気密接合されている。即ち、本実施形態では、例えば従来のＹＡＧレーザ溶接に比べて遥かにエネルギー密度が高く（例えば３桁）、細い線幅に収束できる。このため、溶接幅が細く溶け込みが深く、且つ溶接を高速に実現することができる。即ち、接合速度を短時間で安定して行うことができる。つまり、透過窓１３０を安く安定して提供することが可能となる。また、金属薄膜１３２への入熱量を少なくでき、金属薄膜１３２の接合を原因とする破損などを防止できる。

【0033】

即ち、本実施形態によれば、外側からの大気圧や圧力変動による破損を回避しつつ電子線の高い透過率が可能となる。

【0034】

本発明について第１実施形態を挙げて説明したが、本発明は第１実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の要旨を逸脱しない範囲においての改良並びに設計の変更が可能なことはいうまでもない。

【0035】

例えば、上記実施形態においては、第１フレーム１３４と第２フレーム１４２の両方がハニカム構造とされていたが、本発明はこれに限定されず、いずれか一方のみでもよい。その場合には、例えば残りのフレームは支持部のみとされ、より電子線の透過率を向上させることが可能となる。第１フレームのみがハニカム構造とされている場合には、特に大気側からかかる圧力を第１フレームのハニカム構造が支持できるので、金属薄膜の破損を直接的に防止できる。第２フレームのみがハニカム構造とされている場合には、特に金属薄膜で生じる熱を第２フレームでフランジに熱伝導することで金属薄膜の熱による撓みや熱応力や強度低下を低減でき、相応に金属薄膜の破損を防止することができる（Ｘ線の場合であっても同様の効果を生じる）。

【0036】

また、上記実施形態においては、多孔構造が六角形形状の孔からなるハニカム構造とされていたが、本発明はこれに限定されず、孔の形状が円形や、三角形、四角形などの多角形形状（正多角形を含む）とされていてもよい。

【0037】

また、上記実施形態においては、金属薄膜１３２、第１、第２フレーム１３４、１４２の材質がすべてＴｉとされていたが、本発明はこれに限定されず、Ｂｅ、Ｓｉ、ＳＵＳなどでもよい。当然に、金属薄膜、第１、第２フレームが同一材料である必要もない。また、金属薄膜１３２がＴｉ箔のとき厚み２〜５μｍとされていたが、本発明は金属薄膜が薄いほど顕著な効果を奏するので、Ｔｉ箔の場合に限定されず金属薄膜の厚みが厚くても適用可能であるが特に２０μｍ未満であれば一層の効果を奏するものである。例えば、Ｂｅであれば厚みが５〜１３μｍである場合が好ましく、この場合には、シングルモードファイバーレーザ溶接などによる高ビーム品質レーザ溶接でなくてもよく、例えば真空銀ろう接で気密接合がなされてもよい。むろん、金属薄膜がＴｉ箔で厚み２〜５μｍの際に真空銀ろう接や拡散接合、圧接などの方法を用いてもよい。

【0038】

また、上記実施形態においては、多孔構造を構成する孔はすべて同一形状で周期的に設けられ、且つ多孔構造が六角形形状の孔からなるハニカム構造とされていたが、本発明はこれに限定されない。例えば、孔の形状はバラバラでもよいし、周期的でなくてもよい。或いは、周期的であっても、若しくは孔が同一形状であってもよい。

【0039】

また、上記実施形態においては、多孔構造を構成する孔の内側面は第１、第２フレームの厚み方向に平行とされていたが、本発明はこれに限定されず、孔の内側面が第１、第２フレームの厚み方向に平行とされていなくてもよい。

【0040】

また、上記実施形態においては、透過窓１３０は電子線１１０に対しての透過窓として説明したが、本発明はこれに限定されず、透過窓は、広く、イオンビームなどの荷電粒子線、Ｘ線やガンマ線などの電磁波などを含む粒子線の発生部を備える粒子線照射装置に適用できる粒子線透過窓としてもよい。

【0041】

なお、上記実施形態において示した透過窓１３０の各パラメータ（Ｄ１、Ｄ２、Ｗ１、Ｗ２、Ｈ１、Ｈ２）は単なる一例であって、これらのパラメータは、適宜変更可能である。

【産業上の利用可能性】

【0042】

本発明は、電子線、イオンビームなどの荷電粒子線、Ｘ線やガンマ線などの電磁波などの粒子線を内側から外側に取り出す粒子線透過窓の製作方法に、広く適用することが可能である。

【符号の説明】

【0043】

２、１０２…真空チャンバ
１８、１１８…開口部
２０、１２０…固定カバー
２８…ろう材
３０、１３０…透過窓
１００…電子線照射装置
１０４…発生部
１０６…カソード
１０８…引出し電極
１１０…電子線
１１２…引出し電源
１１４…加速電源
１１６…フランジ
１２２…Ｏリング
１２４…ボルト
１２６…通過領域
１３２…金属薄膜
１３４…第１フレーム
１３６、１４４…支持部
１３８、１４６…孔
１４０、１４８…枠部
１４２…第２フレーム

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】