JP4384520B2

JP4384520B2 - 加速管

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Publication number: JP4384520B2
Application number: JP2004050340A
Authority: JP
Inventors: 弘之首藤
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2004-02-25
Filing date: 2004-02-25
Publication date: 2009-12-16
Anticipated expiration: 2024-02-25
Also published as: JP2005243364A

Description

本発明は、素粒子ビームを加速する加速管の構造に関するものであり、より詳細には、電子顕微鏡等に使用される電子加速管や粒子加速装置等に使用される加速管の固定部の構造に関する。

従来の加速管を図３に示す。図３において、11は環状絶縁部材、12は環状電極、13は加速管本体、15はフランジである。この加速管本体13とフランジ15とが接合されることによって加速管が形成される。

加速管本体13は、鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）−コバルト（Ｃｏ）合金等の金属から成る複数の環状電極12とアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）セラミックス等の電気絶縁材料から成る環状絶縁部材11とから構成され、複数の環状電極12と複数の環状絶縁部材11とを同軸状に交互に挟むようにして銀（Ａｇ）ろう等のろう材を介し接合することによって製作され、全体として円筒形状となっている。

環状電極12のうち、加速管本体13の両端に位置する環状電極12には、円筒状の立壁部14が形成されており、立壁部14の端面には、ステンレス鋼（ＳＵＳ）等の金属から成るフランジ15が溶接されて接合固定される。

フランジ15は外周部に複数の取付用ボルト穴が設けられており、フランジ15の取付用ボルト穴を電子顕微鏡内等に設けた取付部材にボルト締めすることによって加速管本体13が電子顕微鏡等内に配置される。

また加速管本体13の両端とフランジ15との間には環状電極12にろう付けされるとともに、フランジ15にろう付けされたＡｌ_２Ｏ_３セラミックス等の電気絶縁材料から成る補強用環状絶縁部材16が配設されることによって、加速管が形成されている。

このような構成により、環状電極12に振動等の外力が加わっても環状電極12に弾性変形が発生するのが抑制され、環状電極12の弾性変形に起因して加速管本体13の共振振動も有効に阻止されて加速管本体13内部の電場が安定し、電子流の加速を一定にし、正確かつ安定なものとすることができた。
特開平８−222160号公報

しかしながら、上記従来の加速管においては、環状電極12の立壁部14の端面にフランジ15を溶接接合する際に、金属から成る環状電極12およびフランジ15とＡｌ_２Ｏ_３セラミックス等の電気絶縁材料から成る補強用環状絶縁部材16に熱が加わり、補強用環状絶縁部材16と環状電極12およびフランジ15との間に熱膨張差が発生する。そして、この熱膨張差による応力が補強用環状絶縁部材16に作用し、補強用環状絶縁部材16にクラック等の破損が生じる場合があった。その結果、補強用環状絶縁部材11を介して加速管本体13とフランジ15との接合を補強できなくなって、立壁部14が弾性変形して加速管本体13が振動し、加速管本体13内の電子流も加速管本体13の振動と同様に振動してしまい、電子流を制御することが困難になるという問題があった。そして、加速管本体13内の電子流に乱れが生じ電子流の加速をできなくなるという問題点を有していた。

また、上記従来の加速管においては、立壁部14の端面にフランジ15を溶接接合する構成であるために、加速管本体13が大型化すると、立壁部14で加速管本体13を支えきれなくなって、立壁部14で加速管本体13をフランジ15に強固かつ気密に接合するのが困難となる。立壁部14で加速管本体13をフランジ15に強固に接合できなくなると、立壁部14が弾性変形して加速管本体13が振動し、加速管本体13内の電子流も加速管本体13の振動と同様に振動してしまい、電子流を制御することが困難になることがあった。そして、電子流に乱れが生じ電子流の加速をできなくなるという問題点があった。また、立壁部14で加速管本体13をフランジ15に気密に接合できなくなると、加速管本体13の内部空間の雰囲気を一定の雰囲気とすることができなくなり、電子流に乱れが生じ電子流の加速をできなくなるという問題点を有していた。

したがって、本発明は上記従来の問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、電子流に乱れを生じさせることなく所定の速度に確実かつ安定的に加速することができる加速管を提供することである。

本発明の加速管は、複数の環状絶縁部材と複数の環状電極とが同軸状に交互に接合されるとともに両端に前記環状絶縁部材が位置するように構成された加速管本体と、該加速管本体の両端面に同軸状に取着された環状金属部材と、該環状金属部材の外側主面に同軸状に溶接された環状のフランジとを具備しており、前記環状金属部材は、内周側が軸方向に外側に突出した円筒部とされるとともに外周側が鍔部とされており、前記フランジは、外周部に前記環状金属部材の前記鍔部の外側主面に当接する突出部が全周にわたって形成されており、前記環状金属部材の前記円筒部の先端が前記フランジの開口に嵌め込まれて溶接されているとともに、前記環状金属部材の前記鍔部の外側主面が前記フランジの前記突出部に溶接されていることを特徴とする。

好ましくは、本発明の加速管は、前記環状金属部材は、外周部に複数の切欠き部が同じ間隔で形成されており、前記鍔部の外側主面の前記切欠き部に沿った部位が前記フランジの前記突出部に溶接されていないことを特徴とする。

また好ましくは、本発明の加速管は、前記環状金属部材の前記鍔部と前記フランジの前記突出部よりも内側の部位との間に、前記環状金属部材および前記フランジに接合された補強用環状絶縁部材が設けられていることを特徴とする。

本発明の加速管は、複数の環状絶縁部材と複数の環状電極とが同軸状に交互に接合されるとともに両端に環状絶縁部材が位置するように構成された加速管本体と、該加速管本体の両端面に同軸状に取着された環状金属部材と、該環状金属部材の外側主面に同軸状に溶接された環状のフランジとを具備しており、環状金属部材は、内周側が軸方向に外側に突出した円筒部とされるとともに外周側が鍔部とされており、フランジは、外周部に環状金属部材の鍔部の外側主面に当接する突出部が全周にわたって形成されており、環状金属部材の円筒部の先端がフランジの開口に嵌め込まれて溶接されているとともに、環状金属部材の鍔部の外側主面がフランジの突出部に溶接されていることにより、環状金属部材とフランジとが２箇所で溶接される構造となり、環状金属部材がフランジの開口部と外周部で溶接されるので加速管本体の軸方向および周方向のどちらの方向に加わる外力に対しても環状金属部材とフランジとの接合を強固に保持できるようになる。そして、加速管が大型化しても加速管本体を強固に保持できるようになり、加速管本体が振動するのを有効に防止できる。

また、加速管本体をフランジに気密に接合でき、加速管本体の内部空間の雰囲気を常に一定の雰囲気とすることができる。

以上の結果、加速管本体内の電子流に乱れが生じるのを防止でき、電子流を所定の速度に確実かつ安定的に加速することができる。

好ましくは、本発明の加速管は、環状金属部材は外周部に複数の切欠き部が同じ間隔で形成されており、鍔部の外側主面の切欠き部に沿った部位がフランジの突出部に溶接されていないことから、環状金属部材の外周部とフランジの突出部とが間隔を開けて溶接され、環状金属部材の鍔部とフランジの突出部とを溶接する際に溶接の熱を抑えることができ、環状絶縁部材に加わる環状金属部材との熱膨張差による応力を軽減させることができる。そして、環状絶縁部材にクラック等の破損が生じるのを確実に防止できるようになる。よって、加速管本体の内部空間の気密信頼性をさらに向上させることができる。

また好ましくは、本発明の加速管は、環状金属部材の鍔部とフランジの突出部よりも内側の部位との間に、環状金属部材およびフランジに接合された補強用環状絶縁部材が設けられていることにより、加速管本体がフランジに、より強固に固定され、環状金属部材が弾性変形するのを確実に防止し、加速管本体が振動するのを確実に防止することができる。そして、加速管本体内の電子流に乱れが生じるのを確実に防止し、電子流を所定の速度により確実かつより安定的に加速することができる。

本発明の加速管について以下に詳細に説明する。図１は本発明の加速管の実施の形態の一例を示す断面図である。この図において、１は環状絶縁部材、２は環状電極、３は加速管本体、４は環状金属部材、５はフランジであり、主としてこれらで加速管が構成される。

本発明の加速管は、複数の環状電極２と複数の環状絶縁部材１とが同軸上に交互に接合されるとともに両端に環状絶縁部材１が位置するように構成された加速管本体３と、加速管本体３の両端面に同軸状に取着された環状の金属製の環状金属部材４と、環状金属部材４の外側主面に同軸状に溶接された環状のフランジ５とを具備しており、環状金属部材４は内周側が加速管本体３の軸方向に外側に突出した円筒部４ａとされるとともに外周側が鍔部４ｂとされており、フランジ５は、外周部に環状金属部材４の鍔部４ｂの外側主面に当接する突出部５ａが全周にわたって形成されており、環状金属部材４の円筒部４ａの先端がフランジ５の開口５ｂに嵌め込まれて溶接されているとともに、環状金属部材４の鍔部４ｂの外側主面がフランジ５の突出部５ａと溶接されている。

本発明における環状絶縁部材１は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）セラミックス等の電気絶縁材料から成る例えば円環状、楕円形の環状、長円形の環状等の環状部材である。この環状絶縁部材１はその両端に位置する環状電極２同士を電気的に絶縁する機能を有する。環状絶縁部材１は、例えば、その両端面に予めモリブデン（Ｍｏ），マンガン（Ｍｎ），タングステン（Ｗ）等のメタライズ層が施されており、その上にＮｉ等の金属から成る金属層が被着されている。そして、その金属層に銀（Ａｇ）ろうやＡｇ−銅（Ｃｕ）ろう等のろう材を介して環状電極２が接合される。

この環状絶縁部材１は、例えばＡｌ_２Ｏ_３セラミックスから成る場合、Ａｌ_２Ｏ_３、シリカ（ＳｉＯ_２）、カルシア（ＣａＯ）、マグネシア（ＭｇＯ）等の原料粉末を所定形状の金型内に充填するとともにこれを一定圧力で押圧して円筒状の生の成形体を成形し、しかる後、この生の成形体を約1600℃の高温で焼成することによって製作される。

環状絶縁部材１の両端面にメタライズ層を施す場合は、成型体を焼成の後に、Ｗ，Ｍｏ，Ｍｎ等の金属粉末に適当なバインダ，溶剤を混合して成る導体ペーストを、環状絶縁部材１の両端面にスクリーン印刷法などにより印刷塗布し、約1500℃の温度で焼成することによってメタライズ層を形成する。好ましくは、このメタライズ層に電解メッキ法または無電解メッキ法等によりＮｉ等の金属から成る金属層を被着させておくのがよく、この構成によりメタライズ層が酸化や腐食等により劣化するのを防止できる。

環状電極２は、それぞれの間に高電圧が印加されることにより加速管本体３の内部空間に電子流を加速するための電場を形成する機能を為し、鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）−コバルト（Ｃｏ）合金やチタン（Ｔｉ）等の金属材料で作製される。

この環状電極２は、例えばＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等のインゴット（塊）を圧延加工法や打ち抜き加工法等、従来周知の金属加工法により所定の円環状、楕円形の環状、長円形の環状等の環状に加工することによって製作される。

そして、環状絶縁部材１と環状電極２とをこれらの中心軸が実質的に一致するように同軸状に配置して、これらの間にＡｇろうやＡｇ−Ｃｕろう等のろう材を挟んで当接させるとともに、ろう材を加熱溶融することによって環状絶縁部材１と環状電極２とをろう付け接合し、加速管本体３を作製する。環状絶縁部材１と環状電極２との中心軸は、実質的に電子流に乱れを生じさせることのない程度、具体的には0.05〜１ｍｍ程度の範囲において一致しておればよい。

環状金属部材４は、加速管本体３をフランジ５に取り付けるための取付用部材としての機能を為し、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＴｉ等の金属材料で作製される。

この環状金属部材４は、例えばＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等のインゴットを圧延加工法や絞り加工法、打ち抜き加工法等、従来周知の金属加工法により所定の円環状、楕円形の環状、長円形の環状等の環状で内周側が軸方向に突出した円筒部４ａとなる形状に加工される。

環状金属部材４は、円筒部４ａが突出する反対側の主面が、加速管本体３の両端に位置するように構成された環状絶縁部材１に、ＡｇろうやＡｇ−Ｃｕろう等のろう材を介して接合され、円筒部４ａが加速管本体３の軸方向外側に突出した状態で加速管本体３の両端に接合される。

フランジ５は平面視形状が円や四角形状で中央部に円形、楕円形、長円形の貫通孔が設けられた環状の部材であり、電子顕微鏡等の電子装置への取付部材としての機能を為し、ＳＵＳ等の金属材料で作製される。

そして、環状金属部材４の円筒部４ａの先端をフランジ５の開口５ｂに嵌め込み、円筒部４ａの先端とフランジ５の開口５ｂの端面とをＴＩＧ溶接法や電子ビーム溶接法等の溶接法によって溶接するとともに、環状金属部材４の外周側の鍔部４ｂの外側主面をフランジ５の突出部５ａに当接して環状金属部材４の鍔部４ｂとフランジ５の突出部５ａとをＴＩＧ溶接法や電子ビーム溶接法等の溶接法によって溶接し、加速管本体３の両端にフランジ５が取り付けられた製品としての加速管を作製する。

フランジ５の外周部付近には、例えば複数の取付用ボルト穴が設けられており、この取付用ボルト穴を電子顕微鏡内等に設けられた取付部材にボルト締めすることにより加速管本体３が電子顕微鏡等の電子装置内に装着される。

かくして、加速管本体３が電子顕微鏡等の電子装置内に装着され、各環状電極２間に約10ｋＶ〜50ｋＶの高電圧を印加して加速管本体３内部に所定の電場を形成するとともにこの加速管本体３の内部空間に電子流を通過させれば、電子流は電場によって所定方向に、所定速度に加速され、これによって加速管として機能する。

本発明の加速管によれば、環状金属部材４とフランジ５とが環状金属部材４の円筒部４ａとフランジ５の開口５ｂおよび環状金属部材４の鍔部４ｂとフランジ５の突出部５ａの２箇所で溶接される構造となるので、環状金属部材４とフランジ５との接合面積を拡大できるとともに、環状金属部材４がフランジ５の開口部と外周部で溶接されるので、加速管本体３の軸方向および周方向のどちらの方向に加わる外力に対しても環状金属部材４とフランジ５との接合を強固に保持できるようになる。そして、加速管が大型化しても加速管本体３を強固に保持できるようになり、加速管本体３が振動するのを有効に防止できる。

また、加速管本体３が環状金属部材４にＡｇろうやＡｇ−Ｃｕろう等のろう材を介して気密に接合され、さらに環状金属部材４がフランジ５に気密に溶接接合されるので、加速管本体３をフランジ５に気密に接合でき、加速管本体３の内部空間の雰囲気を常に一定の雰囲気とすることができる。

以上の結果、加速管本体３の振動によって加速管本体３内の電子流に乱れを生じさせるのを防止でき、電子流を所定の速度に確実かつ安定的に加速することができる。

好ましくは、上記構成の加速管において、図２に示すように環状金属部材４は外周部に複数の切欠き部４ｃがほぼ同じ間隔で形成されており、鍔部４ｂの外側主面の切欠き部４ｃに沿った部位がフランジ５の突出部５ａに溶接されていない構成とするのがよい。

この構成により、環状金属部材４の鍔部４ｂの外側主面とフランジ５の突出部５ａとが間隔を開けて溶接され、環状金属部材４の鍔部４ｂとフランジ５の突出部５ａとをＴＩＧ溶接法や電子ビーム溶接法等の溶接法によって溶接する際に溶接の熱を抑えることができ、環状絶縁部材１に加わる環状金属部材４との熱膨張差による応力を軽減させることができる。そして、環状絶縁部材１にクラック等の破損が生じるのを確実に防止できるようになる。よって、加速管本体３の内部空間の気密信頼性をさらに向上させることができる。

切欠き部４ｃは、環状金属部材４の外周部にほぼ同じ間隔で複数形成されている。切欠き部４ｃの形状は、円弧状や放物線状，多角形状等種々の形状とし得る。好ましくは、曲線を有する形状とするのがよく、環状金属部材４の鍔部４ｂとフランジ５の突出部５ａとが間隔を開けて溶接されても、切欠き部４ｃの周囲に応力集中が生じるのを防止し、環状金属部材４が変形するのを防止できる。その結果、環状金属部材４の変形によって環状絶縁部材１に応力が加わるのを防ぎ、環状絶縁部材１にクラック等の破損が生じるのを防止できるとともに、加速管本体３の位置がずれるのを防止することができる。

また好ましくは、切欠き部４ｃによって、環状金属部材４の外周の全長の0.4〜0.7倍が切り欠かれているのがよい。環状金属部材４の鍔部４ｂとフランジ５の突出部５ａとを溶接する際に、環状絶縁部材１に加わる環状金属部材４との熱膨張差による応力を有効に軽減でき、環状絶縁部材１にクラック等の破損が生ずるのを確実に防止することができるとともに、適度に溶接部位を確保でき加速管本体３を弾性変形させることなくフランジ５に強固に接合固定させることができる。

切欠き部４ｃによって切り欠かれる長さが環状金属部材４の外周の全長の0.4倍未満であると、環状金属部材４の鍔部４ｂとフランジ５の突出部５ａとが溶接される長さが長くなって、溶接接合時に環状絶縁部材１に大きな応力が加わりやすく、環状絶縁部材１がクラック等によって破損し易くなる。また、切欠き部４ｃによって切り欠かれる長さが環状金属部材４の外周の全長の0.7倍を超える長さであると、環状金属部材４の鍔部４ｂとフランジ５の突出部５ａとが溶接される長さが短くなって、加速管本体３をフランジ５に強固に固定するのが困難となり、加速管本体３の位置がずれ易くなる。

また好ましくは、上記構成の加速管において、図１に示すように、環状金属部材４の鍔部４ｂとフランジ５の突出部５ａよりも内側の部位との間に、環状金属部材４およびフランジ５に接合された補強用環状絶縁部材６が設けられている構成とするのがよい。

補強用環状絶縁部材６を加速管本体３の両端に位置する環状金属部材４とフランジ５との両方に接合することによって環状金属部材４の弾性変形を有効に阻止する作用を為す。

この構成により、加速管本体３がフランジ５とより強固に固定され、環状金属部材４が弾性変形するのを確実に防止し、加速管本体３が振動するのを確実に防止することができる。そして、加速管本体３内の電子流に乱れが生じるのを確実に防止し、電子流を所定の速度により確実かつより安定的に加速することができる。

補強用環状絶縁部材６は環状絶縁部材１の熱膨張係数に近似する材料、または全く同一の熱膨張係数を有する材料から成るのがよく、さらに環状絶縁部材１と同様の円環状、楕円形の環状、長円形の環状等の環状部材で、環状金属部材４を介して環状絶縁部材１に対向する位置に配置されるのがよい。

この構成により、環状絶縁部材１に加わるフランジ５との熱膨張差による応力を大幅に軽減でき、加速管本体３にフランジ５を取り付ける際に、環状絶縁部材１にクラック等の破損が生じるのを確実に防止することができる。即ち、加速管本体３内部を確実に気密に保持し得るものとなる。

例えば、環状絶縁部材１がＡｌ_２Ｏ_３セラミックスから成る場合、補強用環状絶縁部材６もＡｌ_２Ｏ_３セラミックスから成るか、またはＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等Ａｌ_２Ｏ_３セラミックスと熱膨張係数が近似する材料から成るのがよい。

補強用環状絶縁部材６は、例えばＡｌ_２Ｏ_３セラミックスから成る場合、その両端面に予めＭｏ，Ｍｎ，Ｗ等のメタライズ層が施され、その上にＮｉ等の金属から成る金属層が被着されて、ＡｇろうやＡｇ−Ｃｕろう等のろう材を介して環状金属部材４とフランジ５に接合される。

この補強用環状絶縁部材６は、例えばＡｌ_２Ｏ_３セラミックスから成る場合、上記の環状絶縁部材１の作製方法と同様に作製すればよい。

また補強用環状絶縁部材６がＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属から成る場合、例えばＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等のインゴットを圧延加工法や打ち抜き加工法等、従来周知の金属加工法により所定の円環状、楕円形の環状、長円形の環状等の環状に加工することによって製作される。

なお、本発明は以上の実施の形態の例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内であれば種々の変更を行なうことは何等支障ない。例えば、環状電極２は銅（Ｃｕ）等の電気的抵抗の小さい材料から成っていてもよく、環状電極２に高い電圧をかけても熱が発生することがなく、環状電極２の変形をより有効に防止できる。

本発明の加速管の実施の形態の一例を示す断面図である。本発明の加速管の環状金属部材の実施の形態の他の例を示す平面図である。従来の加速管の例を示す断面図である。

符号の説明

１：環状絶縁部材
２：環状電極
３：加速管本体
４：環状金属部材
４ａ：突出部
４ｂ：鍔部
４ｃ：切欠き部
５：フランジ
５ａ：突出部
５ｂ：開口
６：補強用環状絶縁部材

Claims

複数の環状絶縁部材と複数の環状電極とが同軸状に交互に接合されるとともに両端に前記環状絶縁部材が位置するように構成された加速管本体と、該加速管本体の両端面に同軸状に取着された環状金属部材と、該環状金属部材の外側主面に同軸状に溶接された環状のフランジとを具備しており、前記環状金属部材は、内周側が軸方向に外側に突出した円筒部とされるとともに外周側が鍔部とされており、前記フランジは、外周部に前記環状金属部材の前記鍔部の外側主面に当接する突出部が全周にわたって形成されており、前記環状金属部材の前記円筒部の先端が前記フランジの開口に嵌め込まれて溶接されているとともに、前記環状金属部材の前記鍔部の外側主面が前記フランジの前記突出部に溶接されていることを特徴とする加速管。
前記環状金属部材は、外周部に複数の切欠き部が同じ間隔で形成されており、前記鍔部の外側主面の前記切欠き部に沿った部位が前記フランジの前記突出部に溶接されていないことを特徴とする請求項１記載の加速管。
前記環状金属部材の前記鍔部と前記フランジの前記突出部よりも内側の部位との間に、前記環状金属部材および前記フランジに接合された補強用環状絶縁部材が設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の加速管。