【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶融バルク高温超伝導体を備えた装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、放電容器内に生成したプラズマを閉じ込めるプラズマ閉じ込め装置、電子またはイオンビームを発生させる荷電粒子ビーム発生装置は知られている。これら装置においては、荷電粒子（電子、イオン）に力を作用させるために電場および／または磁場を形成しており、この磁場を形成するためにソレノイドコイルが備えられ、このソレノイドコイルに電流を流して所望の磁場を得ていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述した装置においては、ソレノイドコイル自体ひいてはソレノイドコイルを備えた装置が大型であるという問題があり、またその磁場を形成している間通電を続けなければならないので消費電力が増大するという問題があった。本発明者はこれら問題に対処するために鋭意研究を行った結果、ソレノイドコイルと同等の磁場の形成をソレノイドコイルより小型な溶融バルク高温超伝導体により実現できることを見出し、これら知見に基づいて本発明を完成させた。
【０００４】
本発明の目的は、溶融バルク高温超伝導体によって所望の磁場を形成することにより、プラズマ閉じ込め装置、電子・イオンビーム発生装置などを小型化することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明の構成上の特徴は、内部にプラズマが生成された円筒容器に、ドーナツ状に形成されて貫通穴の一端にＮ極およびＳ極のいずれか一方が配置され同貫通穴の他端に他方が配置されたのと同様な磁場を形成する溶融バルク高温超伝導体が少なくとも２つ嵌められ、該溶融バルク高温超伝導体が互いに異なる磁極を対向させてプラズマを挟むように配置されて該プラズマを溶融バルク高温超伝導体の間に閉じ込めたことである。
【０００６】
請求項２に係る発明の構成上の特徴は、請求項１において、溶融バルク高温超伝導体は主としてＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系（ＲＥはＹを含む希土類元素の一種または複数種）酸化物からなり、実質的に結晶方位のそろった超電導相中に非超電導相が微細に分散した組織を有し、貫通穴の中心軸が超電導相結晶のｃ軸とほぼ平行であることである。
【０００７】
請求項３に係る発明の構成上の特徴は、内部に配置された一対の放電電極に電圧が印加されてプラズマが生成される円筒容器に、ドーナツ状に形成されて貫通穴の一端にＮ極およびＳ極のいずれか一方が配置され同貫通穴の他端に他方が配置されたのと同様な磁場を形成する溶融バルク高温超伝導体が少なくとも２つ嵌められ、該溶融バルク高温超伝導体が互いに異なる磁極を対向させて放電電極の外側近傍にそれぞれ配置され、放電電極のいずれか一方の外側位置に引き出し電極が並設されてなり、プラズマは溶融バルク高温超伝導体の間に閉じ込められ、該プラズマ中から電子またはイオンを引き出し電極により引き出し加速して引き出し電極から電子またはイオンビームを射出することである。
【０００８】
請求項４に係る発明の構成上の特徴は、請求項３において、溶融バルク高温超伝導体は主としてＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系（ＲＥはＹを含む希土類元素の一種または複数種）酸化物からなり、実質的に結晶方位のそろった超電導相中に非超電導相が微細に分散した組織を有し、貫通穴の中心軸が超電導相結晶のｃ軸とほぼ平行であることである。
【０００９】
請求項５に係る発明の構成上の特徴は、ドーナツ状に形成されて貫通穴の一端にＮ極およびＳ極のいずれか一方が配置され同貫通穴の他端に他方が配置されたのと同様な磁場を形成する溶融バルク高温超伝導体が電子またはイオンビームの進路上に同軸に同一磁極を向かい合わせて複数個並べて配置されて、これら溶融バルク高温超伝導体の貫通穴を通過する電子またはイオンビームを収束させることである。
【００１０】
請求項６に係る発明の構成上の特徴は、請求項５において、溶融バルク高温超伝導体は主としてＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系（ＲＥはＹを含む希土類元素の一種または複数種）酸化物からなり、実質的に結晶方位のそろった超電導相中に非超電導相が微細に分散した組織を有し、貫通穴の中心軸が超電導相結晶のｃ軸とほぼ平行であることである。
【００１１】
請求項７に係る発明の構成上の特徴は、ドーナツ状に形成されて周壁の互いに対向する一方および他方にＮ極およびＳ極が配置されたのと同様な磁場を形成する溶融バルク高温超伝導体が電子またはイオンビームの進路上に同軸に配置されて、該溶融バルク高温超伝導体の貫通穴を通過する該ビームを偏向させることである。
【００１２】
請求項８に係る発明の構成上の特徴は、請求項７において、溶融バルク高温超伝導体は主としてＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系（ＲＥはＹを含む希土類元素の一種または複数種）酸化物からなり、実質的に結晶方位のそろった超電導相中に非超電導相が微細に分散した組織を有し、貫通穴の磁場の方向が超電導相結晶のｃ軸とほぼ平行であることである。
【００１３】
請求項９に係る発明の構成上の特徴は、ドーナツ状に形成されて周壁に周方向に沿ってＮ極およびＳ極が交互に複数配置されたのと同様な磁場を形成する溶融バルク高温超伝導体が電子またはイオンビームの進路上に同軸に配置されて、該溶融バルク高温超伝導体の貫通穴を通過する該ビームを収束させることである。
【００１４】
請求項１０に係る発明の構成上の特徴は、請求項９において、溶融バルク高温超伝導体は主としてＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系（ＲＥはＹを含む希土類元素の一種または複数種）酸化物からなり、実質的に結晶方位のそろった超電導相中に非超電導相が微細に分散した組織を有し、各部の磁場の方向が超電導相結晶のｃ軸とほぼ平行であるようにｃ軸方向の異なる複数の部分からなることである。
【００１５】
【発明の作用・効果】
上記のように構成した請求項１に係る発明においては、溶融バルク高温超伝導体の貫通穴には軸方向に沿った磁場が形成され、離間する２つの溶融バルク高温超伝導体の間にはミラー磁場が形成され、これによりプラズマが両溶融バルク高温超伝導体の間に閉じ込められる。したがって、溶融バルク高温超伝導体を用いてもソレノイドコイルと同様にプラズマを閉じ込めることができる。
【００１６】
上記のように構成した請求項３に係る発明においては、一対の放電電極間に形成され溶融バルク高温超伝導体により閉じ込められたプラズマから電子またはイオンを引き出して電子またはイオンビームを射出させることができる。したがって、溶融バルク高温超伝導体を用いてもソレノイドコイルと同様に電子またはイオンビームを射出することができる。
【００１７】
上記のように構成した請求項５に係る発明においては、溶融バルク高温超伝導体が電子またはイオンビームの進路上に同軸に同一磁極を向かい合わせて複数個並べて配置されているので、これら溶融バルク高温超伝導体の貫通穴を通過する電子またはイオンビームが収束される。したがって、溶融バルク高温超伝導体を用いてもソレノイドコイルと同様に電子またはイオンビームを収束させることができる。
【００１８】
上記のように構成した請求項７に係る発明においては、溶融バルク高温超伝導体はドーナツ状に形成され、この溶融バルク高温超伝導体の周壁の互いに対向する一方および他方にＮ極およびＳ極が配置されたのと同様な磁場を形成するので、貫通穴においてはこの穴の直径方向に沿った磁場が形成される。この溶融バルク高温超伝導体が電子またはイオンビームの進路上に同軸に配置されているので、この溶融バルク高温超伝導体の貫通穴を通過するビームが偏向される。したがって、溶融バルク高温超伝導体を用いてもソレノイドコイルと同様に電子またはイオンビームを偏向させることができる。
【００１９】
上記のように構成した請求項９に係る発明においては、溶融バルク高温超伝導体はドーナツ状に形成され、この溶融バルク高温超伝導体の外周壁に周方向に沿ってＮ極およびＳ極が交互に複数配置されたのと同様な磁場を形成するので、貫通穴においてはこの穴の径方向に沿った磁場が形成される。この溶融バルク高温超伝導体が電子またはイオンビームの進路上に同軸に配置されているので、この溶融バルク高温超伝導体の貫通穴を通過するビームが収束される。したがって、溶融バルク高温超伝導体を用いてもソレノイドコイルと同様に電子またはイオンビームを収束させることができる。
【００２０】
上記のように構成した請求項２，４，６，８，１０に係る発明においては、本発明に用いる溶融バルク高温超伝導体としては、原料粉の成形体を超伝導相（例えばＳｍ１２３）の分解温度以上に加熱し徐冷することにより非超伝導相（例えばＳｍ２１１）が微細に分散した超伝導相の粗大な結晶成長させたもので、種結晶を使用しその結晶方位を制御して作製したものであることが好ましい。このような超伝導体は結晶粒界が少なく非超伝導相がピン止め点として作用し高い臨界電流密度をもつ。臨界電流密度は特に結晶のａｂ面において高くａｂ面内に環状電流を誘起することによりｃ軸と平行な方向に強い磁場を発生することができる。したがって、溶融バルク高温超伝導体をソレノイドコイルの代わりに用いるので、ソレノイドコイルと同等の磁場を極めて小型かつ軽量の装置により実現できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
（実験結果）
まず、本発明の溶融バルク高温超伝導体１２をプラズマＰの発生している放電管１１に嵌めてプラズマの状態を観測した結果について図１および図２を参照して説明する。実験装置は、図１に示すように、冷却容器（図示省略）内に満たした液体窒素中に収容された放電管１１とこの放電管１１に嵌められたドーナツ状の溶融バルク高温超伝導体１２から構成されている。
【００２２】
放電管１１は非磁性材料（例えば、ガラス材料）でＬ字状に形成されており、放電管１１内は窒素ガスまたはネオンガスで満たされている。放電管１１は長管１１ａとその一端に一体に接続された短管１１ｂから構成され、長管１１ａ内の他端には非磁性材料（例えばアルミニウム材）のホロー電極１３が設けられ、短管１１ｂ内にも非磁性材料（例えばアルミニウム材）のホロー電極１４が設けられている。両電極１３，１４は導電性の非磁性材料（例えばタングステン材）からなる支持棒１５，１６によりそれぞれ支持されている。各支持棒１５，１６は電源（図示省略）に接続されており、電極１３，１４間に電圧が印加されるとグロー放電が生じ、長管１１ａ内にプラズマＰが発生する。
【００２３】
溶融バルク高温超伝導体１２は、主としてＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系（ＲＥはＹを含む希土類元素の一種または複数種）酸化物からなり、実質的に結晶方位のそろった超電導相中に非超電導相が微細に分散した組織を有している。本実施例の溶融バルク高温超伝導体１２は、Ｓｍ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系溶融高温超伝導体であり、臨界温度は９３Ｋである。この溶融バルク高温超伝導体１２はドーナツ状に形成されている（外径：３９．４ｍｍ、内径：１１．８ｍｍ、厚さ：１７．２ｍｍ）。またそのドーナツ状の中心軸はＳｍ１２３相結晶のｃ軸と平行である。この溶融バルク高温超伝導体１２は磁場中冷却されて着磁される。この着磁方法は以下のとおりである。Ｎ極とＳ極を対向させ２Ｔ（テスラ）の磁場を発生している直流電磁石の間に置いた容器内に溶融バルク高温超伝導体を載置した後、この容器内に液体窒素を徐々に入れて溶融バルク高温超伝導体を十分に冷却した後電磁石の発生磁場を徐々に０まで減少させて着磁する。このように着磁された溶融バルク高温超伝導体１２は、液体窒素温度にて冷却し続けるとこの溶融バルク高温超伝導体１２の貫通穴１２ａの一端にＮ極およびＳ極のいずれか一方が配置され同貫通穴１２ａの他端に他方が配置されたのと同様な磁場を形成する。
【００２４】
この溶融バルク高温超伝導体１２を嵌めた放電管１１にプラズマＰを発生させてその状態を観測する。図１に示すように円柱状のプラズマＰが溶融バルク高温超伝導体１２の左端面付近にてくびれていることは目視でも確認することができる。より詳細には、画像転送用ファイバにより放電管１１の各所定位置における径方向から見たプラズマ発光分布を観測して観測結果を図２に示す。なお、画像転送用ファイバの先端にはレンズが取り付けてある。測定箇所は図１に矢印で示す位置である。具体的には溶融バルク高温超伝導体１２の右端面から左側に５ｍｍの箇所に設けた径方向に延在する貫通孔１２ｂ、溶融バルク高温超伝導体１２の右端面位置、およびこの右端面から右側に３ｍｍ毎の箇所に、画像転送用ファイバの先端を放電管１１の外周壁に近接させて位置決め固定し各位置から径方向の放電管１１内の状態を撮影する。なお、溶融バルク高温超伝導体１２の貫通孔１２ｂの位置を基準点としている。
【００２５】
図２には、左から右に順番に基準点におけるプラズマ発光分布を示す曲線Ｐ１、基準点から５ｍｍ離れた位置におけるプラズマ発光分布を示す曲線Ｐ２、基準点から８ｍｍ離れた位置におけるプラズマ発光分布を示す曲線Ｐ３、・・・、および基準点から２３ｍｍ離れた位置におけるプラズマ発光分布を示す曲線Ｐ８が示されている。この測定結果から明らかなように、基準点から１７ｍｍ以上離れた位置のプラズマ発光の強さおよびその発光分布の半値全幅（図２における縦破線の長さ）はほぼ一定であるが、溶融バルク高温超伝導体１２に近づくにつれてプラズマ発光は弱くなりその発光分布の半値全幅も減少した。このプラズマの振る舞いは磁気ミラー効果により説明することができる。すなわち、プラズマ中の電子またはイオンが磁場（磁力線）により拘束されることとなる。したがって、溶融バルク高温超伝導体１２はプラズマを収束したり閉じ込めたりすることができる磁場を発生させることを実験により確認し、これにより溶融バルク高温超伝導体１２をプラズマの収束または閉じ込めに応用できることを実験により確認した。
【００２６】
したがって、通常のソレノイドコイルでは電流密度が溶融バルク高温超伝導体の数十分の一から百分の一程度であるから、上述した溶融バルク高温超伝導体１２によれば、従来のソレノイドコイルを使用した装置に対し体積、重量が数十分の一から百分の一で同等の磁場を発生することができる。また、ソレノイドコイルによれば磁場を発生させるために数百ワットから１ｋワット以上の電力が消費されるが、上述した溶融バルク高温超伝導体１２によれば電力は消費されない。
【００２７】
（実施例）
以下に、本発明による溶融バルク高温超伝導体を備えた装置の実施例を図３を参照して説明する。図３には、プラズマ閉じ込め装置を応用した電子・イオンビーム発生装置２０の概略構成が示されている。この電子・イオンビーム発生装置２０は、円筒容器２１（例えば放電管）と、この円筒容器２１に嵌められた一対のドーナツ状の溶融バルク高温超伝導体２２，２３から構成されている。円筒容器２１の内部には一対の放電電極２４，２５が配置されており、両電極２４，２５は電源２６に接続されている。放電電極２４はマイナス電極であり、放電電極２５はプラス電極である。プラス電極２５の中央部には貫通孔２５ａが設けられている。電源２６は直流電源、交流電源のいずれでもよい。両電極２４，２５に電圧を印加して放電させると（直流放電、交流放電、パルス放電のいずれでもよい）、放電管２１内に充填された気体（例えば窒素ガス、ネオンガス）により両電極２４，２５間にプラズマが発生する。発生したプラズマは一対の溶融バルク高温超伝導体２２，２３によるミラー磁場（図３中の磁力線によって示される）によって両溶融バルク高温超伝導体２２，２３の間に閉じ込められて、これにより電子またはイオンビーム源を形成できる。すなわち、上記の構成によりプラズマ閉じ込め装置が形成されている。
【００２８】
プラス電極２５の外側には貫通孔２５ａに対向する貫通孔２７ａを設けた引き出し電極２７が並設されている。この引き出し電極２７は電源２８に接続されており、所定の正電圧が印加されると閉じ込められたプラズマのうち電子が引き出され加速されて射出される。これにより、電子ビームが射出される。なお、マイナス電極２４に孔を設け、このマイナス電極２４の外側に前述した引き出し電極２７と同様な引き出し電極を並設して、所定の負電圧が印加されると閉じ込められたプラズマのうち正イオンが引き出され加速されて射出されるようにしてもよい。これにより、イオンビームが射出される。なお、引き出し電極２７はメッシュ状のものでもよい。
【００２９】
したがって、この実施例によれば、通常のソレノイドコイルでは電流密度が溶融バルク高温超伝導体の数十分の一から百分の一程度であるから、上述した溶融バルク高温超伝導体１２によれば、従来のソレノイドコイルを使用した装置に対し体積、重量が数十分の一から百分の一で同等の磁場を発生することができる。したがって、ソレノイドコイルを備えた装置と比して小型の装置によりプラズマを閉じ込めたり、電子またはイオンビームを発生させたりすることができる。また、ソレノイドコイルによれば磁場を発生させるために数百ワットから１ｋワット以上の電力が消費されるが、上述した溶融バルク高温超伝導体１２によれば電力は消費されない。
【００３０】
また、本実施例の電子・イオンビーム発生装置においては、ミラー磁場のくびれ近傍Ｐａにて軸にほぼ平行な速度成分を持つ電子（またはイオン）は、磁気ミラーによって反射されることなくプラス電極２５の貫通孔２５ａを通過する。すなわち、ミラー磁場のくびれ部分への入射角が損失円錐（Ｌｏｓｓ Ｃｏｎｅ）と呼ばれる小さい頂角度内の電子（またはイオン）はミラー磁場で反射されず通り抜ける。本実施例の磁場強度はソレノイドコイルの磁場より強いので、損失円錐の頂角度が小さくなり、したがって、通り抜ける電子（またはイオン）はほぼ平行となり、ビームの発散角を小さく抑えることができる。
【００３１】
次に、溶融バルク高温超伝導体を周期磁界収束に応用した実施例を図４を参照して説明する。この場合、ドーナツ状に形成されて貫通穴３１ａの一端にＮ極およびＳ極のいずれか一方が配置され同貫通穴３１ａの他端に他方が配置されたのと同様な磁場（図中矢印にて示す）を形成する溶融バルク高温超伝導体３１は、電子またはイオンビームの進路上に同軸に同一磁極を向かい合わせて複数個並べて配置されている。これにより、これら溶融バルク高温超伝導体３１の貫通穴３１ａを通過する電子またはイオンビームを収束することができる。
【００３２】
したがって、この実施例によれば、通常のソレノイドコイルでは電流密度が溶融バルク高温超伝導体の数十分の一から百分の一程度であるから、上述した溶融バルク高温超伝導体１２によれば、従来のソレノイドコイルを使用した装置に対し体積、重量が数十分の一から百分の一で同等の磁場を発生することができる。したがって、ソレノイドコイルを備えた装置と比して小型の装置により電子またはイオンビームを収束させることができる。また、ソレノイドコイルによれば磁場を発生させるために数百ワットから１ｋワット以上の電力が消費されるが、上述した溶融バルク高温超伝導体１２によれば電力は消費されない。
【００３３】
さらに、溶融バルク高温超伝導体を偏向器に応用した実施例を図５を参照して説明する。この場合、溶融バルク高温超伝導体４１はドーナツ状に形成され、そのｃ軸が図５（ｃ）に示すようにドーナツの軸に対し垂直方向になっている。このような溶融バルク高温超伝導体は１部材からなる一体ものでもよく、図５（ｄ）に示すように複数の部材を組み合わせた集合体でもよい。溶融バルク高温超伝導体４１はその外周壁の互いに対向する一方および他方にＮ極およびＳ極が配置されたのと同様な磁場（図中矢印にて示す）を貫通穴４１ａ内での向きが溶融バルク高温超伝導体４１のｃ軸とほぼ平行に形成するように着磁されている。この溶融バルク高温超伝導体４１は電子またはイオンビームの進路上に同軸に配置され、これによりこの溶融バルク高温超伝導体４１の貫通穴４１ａを通過するビームを偏向させることができる。例えば、図５（ｂ）に示すように、上方から入射した電子は実線で示すように進行方向および磁場方向にともに垂直な右方向に偏向し、上方から入射したイオンは破線で示すように進行方向および磁場方向にともに垂直な左方向に偏向する。また、この溶融バルク高温超伝導体４１によれば、電子およびイオンの両方を含むビームから電子およびイオンを分離することができる。
【００３４】
したがって、この実施例によれば、通常のソレノイドコイルでは電流密度が溶融バルク高温超伝導体の数十分の一から百分の一程度であるから、上述した溶融バルク高温超伝導体１２によれば、従来のソレノイドコイルを使用した装置に対し体積、重量が数十分の一から百分の一で同等の磁場を発生することができる。したがって、ソレノイドコイルを備えた装置と比して小型の装置により電子またはイオンビームを偏向または分離させることができる。また、ソレノイドコイルによれば磁場を発生させるために数百ワットから１ｋワット以上の電力が消費されるが、上述した溶融バルク高温超伝導体１２によれば電力は消費されない。
【００３５】
さらに、溶融バルク高温超伝導体をレンズに応用した実施例を図６を参照して説明する。溶融バルク高温超伝導体５１は、図６（ｃ）に示すように、ｃ軸の方向の異なる４つの部分からなり、全体としてドーナツ形状をなす。このような溶融バルク高温超伝導体５１は溶融法による作製時に１つの成形体に複数の種結晶を設置して一体ものとして作製することもできるし、別々に作製した部分を組み合わせて集合体としてもよい。溶融バルク高温超伝導体５１は図５（ａ）に示すように各部のｃ軸が磁場とほぼ平行となるように、かつＮ極およびＳ極が交互に複数（Ｎ，Ｓそれぞれ２個）配置されたのと同様な磁場（図中矢印にて示す）を形成するように着磁されている。この溶融バルク高温超伝導体５１は電子またはイオンビームの進路上に同軸に配置されて、この溶融バルク高温超伝導体５１の貫通穴５１ａを通過するビームを収束させることができる。
【００３６】
従来のこの種の装置では鉄心にコイルを巻いたもので（文献：Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅｄ Ｐａｒｔｉｃｌｅｓ Ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ Ｐ．９７（Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ａｎｄ Ｓｏｎｓ １９８６））外径３０〜４０ｃｍ、長さ１５〜４０ｃｍの円筒状であり、かつ重量が数１０〜１００ｋｇであり、磁場発生のため少なくとも数１００ワットの電力を消費する。本実施例によればこの種の装置が数十分の一の大きさで定常的な電力消費なしに実現することができる。
【００３７】
なお、本発明による溶融バルク高温超伝導体は上記実施例に限られず、ソレノイドコイルを備えた他の装置にも適用される。例えば、プラズマから電子またはイオンを引き出すタイプのものでデュオプラズマトロン、ＥＣＲ（ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）型イオン銃などがある。
【００３８】
また、本発明による溶融バルク高温超伝導体はプラズマトーチ発生装置に適用することも可能である。この場合、上述した電子・イオンビーム発生装置のビーム出口付近にアルゴンガスを噴出させてビームと衝突させてプラズマ化し、プラズマトーチを形成させる。また、アルゴンガスを噴出させる代わりに放電管内にアルゴンガスを供給して放電し、放電電極から流出する中性ガスを電子ビームによりプラズマ化し、プラズマトーチを形成させるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による溶融バルク高温超伝導体を放電管に嵌めて放電管内のプラズマの状態を観測するための実験装置を示す断面図である。
【図２】図１に示す実験装置による実験結果を示す図である。
【図３】本発明による溶融バルク高温超伝導体を備えた電子・イオンビーム発生装置を示す断面図である。
【図４】本発明による溶融バルク高温超伝導体を備えた周期磁界収束装置を示す断面図である。
【図５】（ａ）は本発明による溶融バルク高温超伝導体を偏向器に使用した場合の磁場を示す径方向断面図であり、（ｂ）は軸方向断面図であり、（ｃ）は一体ものの溶融バルク高温超伝導体のｃ軸を示す図であり、（ｄ）は集合体からなる溶融バルク高温超伝導体のｃ軸を示す図である。
【図６】（ａ）は本発明による溶融バルク高温超伝導体を収束装置に使用した場合の磁場を示す径方向断面図であり、（ｂ）は軸方向断面図であり、（ｃ）は集合体からなる溶融バルク高温超伝導体のｃ軸を示す図である。
【符号の説明】
１１，２１…放電管、１２，２２，２３，３１，４１，５１…溶融バルク高温超伝導体、１３，１４，２４，２５…電極、Ｐ…プラズマ。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an apparatus with a molten bulk high temperature superconductor.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a plasma confinement device for confining plasma generated in a discharge vessel and a charged particle beam generation device for generating an electron or ion beam have been known. In these devices, an electric field and / or a magnetic field are formed to apply a force to charged particles (electrons and ions), and a solenoid coil is provided to generate the magnetic field, and an electric current is applied to the solenoid coil. To obtain the desired magnetic field.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
In the above-described device, there is a problem that the solenoid coil itself and the device provided with the solenoid coil are large, and there is a problem that power consumption is increased because energization must be continued while the magnetic field is formed. Was. As a result of intensive studies to address these problems, the present inventors have found that a magnetic field equivalent to that of a solenoid coil can be realized by a molten bulk high-temperature superconductor smaller than a solenoid coil, and based on these findings, the present inventors Completed the invention.
[0004]
An object of the present invention is to reduce the size of a plasma confinement device, an electron / ion beam generator, and the like by forming a desired magnetic field with a molten bulk high-temperature superconductor.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problem, a structural feature of the invention according to claim 1 is that a cylindrical container in which plasma is generated is formed into a donut shape, and one of an N pole and an S pole is formed at one end of a through hole. At least two molten bulk high-temperature superconductors that form a magnetic field similar to the one in which one is disposed and the other is disposed at the other end of the through-hole are fitted, and the molten bulk high-temperature superconductor has different magnetic poles. That is, they are arranged so as to face each other and sandwich the plasma, and confine the plasma between the molten bulk high-temperature superconductors.
[0006]
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the molten bulk high-temperature superconductor is mainly a RE-Ba-Cu-O-based oxide (RE is one or more kinds of rare earth elements including Y). And a structure in which a non-superconducting phase is finely dispersed in a superconducting phase having a substantially uniform crystal orientation, and the central axis of the through hole is substantially parallel to the c-axis of the superconducting phase crystal.
[0007]
A structural feature of the invention according to claim 3 is that, in a cylindrical container in which a voltage is applied to a pair of discharge electrodes disposed inside to generate plasma, a donut-shaped cylindrical electrode is provided at one end of a through hole. And at least two fused bulk high-temperature superconductors that form a magnetic field similar to the one in which one of the S-pole and the S-pole are disposed and the other end of the through-hole is disposed. Are arranged in the vicinity of the outside of the discharge electrode with different magnetic poles facing each other, and the extraction electrode is juxtaposed at one of the outside positions of the discharge electrode, and the plasma is confined between the molten bulk high-temperature superconductor And extracting or accelerating electrons or ions from the plasma by the extraction electrode and emitting an electron or ion beam from the extraction electrode.
[0008]
The structural feature of the invention according to claim 4 is that, in claim 3, the molten bulk high-temperature superconductor is mainly a RE-Ba-Cu-O-based oxide (RE is one or more kinds of rare earth elements including Y). And a structure in which a non-superconducting phase is finely dispersed in a superconducting phase having a substantially uniform crystal orientation, and the central axis of the through hole is substantially parallel to the c-axis of the superconducting phase crystal.
[0009]
The structural feature of the invention according to claim 5 is that, in a donut shape, one of the N pole and the S pole is arranged at one end of the through hole and the other is arranged at the other end of the through hole. A plurality of molten bulk high-temperature superconductors that form a similar magnetic field are arranged coaxially on the path of the electron or ion beam with the same magnetic pole facing each other, and electrons passing through the through holes of these molten bulk high-temperature superconductors Alternatively, it is to converge the ion beam.
[0010]
The structural feature of the invention according to claim 6 is that, in claim 5, the molten bulk high-temperature superconductor is mainly a RE-Ba-Cu-O-based oxide (RE is one or more kinds of rare earth elements including Y). And a structure in which a non-superconducting phase is finely dispersed in a superconducting phase having a substantially uniform crystal orientation, and the central axis of the through hole is substantially parallel to the c-axis of the superconducting phase crystal.
[0011]
A structural feature of the invention according to claim 7 is that a molten bulk high-temperature superconducting material which is formed in a donut shape and forms a magnetic field similar to that in which an N pole and an S pole are arranged on one and the other of the peripheral wall facing each other. A body is coaxially positioned on the path of the electron or ion beam to deflect the beam through the through hole in the molten bulk high temperature superconductor.
[0012]
The constitutional feature of the invention according to claim 8 is that, in claim 7, the molten bulk high-temperature superconductor is mainly a RE-Ba-Cu-O-based oxide (RE is one or more kinds of rare earth elements including Y). And a structure in which the non-superconducting phase is finely dispersed in the superconducting phase having substantially the same crystal orientation, and the direction of the magnetic field in the through hole is substantially parallel to the c-axis of the superconducting phase crystal.
[0013]
The constitutional feature of the invention according to claim 9 is that a molten bulk high-temperature super-heater is formed in a donut shape and forms a magnetic field similar to a plurality of N-poles and S-poles arranged alternately along the circumferential direction on the peripheral wall. A conductor is coaxially positioned on the path of the electron or ion beam to focus the beam through the through hole of the molten bulk high temperature superconductor.
[0014]
According to a tenth aspect of the present invention, in the ninth aspect, the molten bulk high-temperature superconductor is mainly a RE-Ba-Cu-O-based (RE is one or more kinds of rare earth elements including Y) oxide. And a c-axis direction such that a non-superconducting phase has a finely dispersed structure in a superconducting phase having substantially the same crystallographic orientation, and the direction of the magnetic field in each part is substantially parallel to the c-axis of the superconducting phase crystal. Is composed of a plurality of different parts.
[0015]
[Action and Effect of the Invention]
In the invention according to claim 1 configured as described above, a magnetic field along the axial direction is formed in the through hole of the molten bulk high-temperature superconductor, and a gap is formed between the two separated molten bulk high-temperature superconductors. A mirror field is formed, which confines the plasma between the two molten bulk high-temperature superconductors. Therefore, even if a molten bulk high-temperature superconductor is used, plasma can be confined similarly to the solenoid coil.
[0016]
In the invention according to claim 3 configured as described above, it is possible to extract electrons or ions from the plasma formed between the pair of discharge electrodes and confined by the molten bulk high-temperature superconductor to eject the electrons or the ion beam. it can. Therefore, even if a molten bulk high-temperature superconductor is used, an electron or ion beam can be emitted similarly to a solenoid coil.
[0017]
In the invention according to claim 5 configured as described above, since a plurality of molten bulk high-temperature superconductors are coaxially arranged on the path of the electron or ion beam with the same magnetic pole facing each other, these molten bulk high-temperature superconductors are arranged side by side. An electron or ion beam passing through the through hole of the high-temperature superconductor is focused. Therefore, even if a molten bulk high-temperature superconductor is used, an electron or ion beam can be focused similarly to a solenoid coil.
[0018]
In the invention according to claim 7 configured as described above, the molten bulk high-temperature superconductor is formed in a donut shape, and one and the other of the peripheral wall of the molten bulk high-temperature superconductor opposing each other have an N pole and an S pole. Is formed, a magnetic field is formed in the through hole along the diameter direction of the hole. Since the molten bulk high temperature superconductor is coaxially arranged on the path of the electron or ion beam, the beam passing through the through hole of the molten bulk high temperature superconductor is deflected. Therefore, even if a molten bulk high-temperature superconductor is used, the electron or ion beam can be deflected similarly to the solenoid coil.
[0019]
In the invention according to claim 9 configured as described above, the molten bulk high-temperature superconductor is formed in a donut shape, and the north pole and the south pole are formed along the circumferential direction on the outer peripheral wall of the molten bulk high-temperature superconductor. Since a magnetic field similar to the plurality of magnetic fields is formed alternately, a magnetic field is formed in the through hole along the radial direction of the hole. Since the molten bulk high temperature superconductor is coaxially arranged on the path of the electron or ion beam, the beam passing through the through hole of the molten bulk high temperature superconductor is focused. Therefore, even if a molten bulk high-temperature superconductor is used, an electron or ion beam can be focused similarly to a solenoid coil.
[0020]
In the invention according to Claims 2, 4, 6, 8, and 10 configured as described above, as a molten bulk high-temperature superconductor used in the present invention, a compact of a raw material powder is formed of a superconducting phase (for example, Sm123). A non-superconducting phase (for example, Sm211) in which a superconducting phase is coarsely grown by heating and slowly cooling to a temperature higher than the decomposition temperature. It is preferable that they are obtained. Such a superconductor has few crystal grain boundaries and a non-superconducting phase acts as a pinning point and has a high critical current density. The critical current density is particularly high in the ab plane of the crystal, and a strong magnetic field can be generated in a direction parallel to the c-axis by inducing an annular current in the ab plane. Therefore, since the molten bulk high-temperature superconductor is used instead of the solenoid coil, a magnetic field equivalent to that of the solenoid coil can be realized by an extremely small and lightweight device.
[0021]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
(Experimental result)
First, the result of fitting the molten bulk high-temperature superconductor 12 of the present invention to the discharge tube 11 in which the plasma P is generated and observing the state of the plasma will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 1, the experimental apparatus includes a discharge tube 11 accommodated in liquid nitrogen filled in a cooling vessel (not shown) and a doughnut-shaped molten bulk high-temperature superconductor 12 fitted in the discharge tube 11. It is composed of
[0022]
The discharge tube 11 is formed in an L shape from a non-magnetic material (for example, a glass material), and the inside of the discharge tube 11 is filled with nitrogen gas or neon gas. The discharge tube 11 includes a long tube 11a and a short tube 11b integrally connected to one end of the discharge tube 11, and a hollow electrode 13 made of a nonmagnetic material (for example, aluminum) is provided at the other end in the long tube 11a. A hollow electrode 14 made of a non-magnetic material (for example, aluminum material) is also provided in 11b. The electrodes 13 and 14 are supported by support rods 15 and 16 made of a conductive non-magnetic material (for example, a tungsten material). Each of the support rods 15 and 16 is connected to a power supply (not shown). When a voltage is applied between the electrodes 13 and 14, a glow discharge occurs, and a plasma P is generated in the long tube 11a.
[0023]
The molten bulk high-temperature superconductor 12 is mainly composed of a RE—Ba—Cu—O-based oxide (RE is one or a plurality of rare earth elements including Y), and is contained in a superconducting phase having a substantially uniform crystal orientation. It has a structure in which the superconducting phase is finely dispersed. The molten bulk high-temperature superconductor 12 of this embodiment is an Sm-Ba-Cu-O-based molten high-temperature superconductor, and has a critical temperature of 93K. The molten bulk high-temperature superconductor 12 is formed in a donut shape (outer diameter: 39.4 mm, inner diameter: 11.8 mm, thickness: 17.2 mm). The center axis of the donut shape is parallel to the c-axis of the Sm123 phase crystal. The molten bulk high-temperature superconductor 12 is cooled in a magnetic field and magnetized. This magnetization method is as follows. After placing the molten bulk high-temperature superconductor in a container placed between DC electromagnets that generate a magnetic field of 2 T (Tesla) with the N and S poles facing each other, liquid nitrogen is gradually poured into this container. After the molten bulk high-temperature superconductor is cooled sufficiently, the magnetic field generated by the electromagnet is gradually reduced to zero and magnetized. If the molten bulk high-temperature superconductor 12 magnetized in this way continues to be cooled at the temperature of liquid nitrogen, one of the N-pole and the S-pole is formed at one end of the through hole 12a of the molten bulk high-temperature superconductor 12. A magnetic field similar to the other magnetic field is formed at the other end of the through hole 12a.
[0024]
Plasma P is generated in the discharge tube 11 in which the molten bulk high-temperature superconductor 12 is fitted, and the state is observed. As shown in FIG. 1, it can be visually confirmed that the cylindrical plasma P is constricted near the left end face of the molten bulk high-temperature superconductor 12. More specifically, the plasma emission distribution at each predetermined position of the discharge tube 11 viewed from the radial direction is observed by the image transfer fiber, and the observation result is shown in FIG. A lens is attached to the tip of the image transfer fiber. The measurement location is the position indicated by the arrow in FIG. Specifically, a through hole 12b extending in the radial direction provided at a position 5 mm to the left from the right end face of the molten bulk high-temperature superconductor 12, the position of the right end face of the molten bulk high-temperature superconductor 12, and from the right end face The distal end of the image transfer fiber is positioned and fixed at a position on the right every 3 mm so that the tip of the image transfer fiber is close to the outer peripheral wall of the discharge tube 11, and the state inside the discharge tube 11 in the radial direction is photographed from each position. The position of the through hole 12b of the molten bulk high-temperature superconductor 12 is used as a reference point.
[0025]
FIG. 2 shows, from left to right, a curve P1 showing the plasma emission distribution at the reference point, a curve P2 showing the plasma emission distribution at a position 5 mm away from the reference point, and a plasma emission distribution at a position 8 mm away from the reference point. , And a curve P8 indicating the plasma emission distribution at a position 23 mm away from the reference point. As is apparent from the measurement results, the intensity of plasma emission at a position 17 mm or more from the reference point and the full width at half maximum of the emission distribution (length of the vertical broken line in FIG. 2) are almost constant, As it approaches the superconductor 12, the plasma emission becomes weaker and the full width at half maximum of the emission distribution also decreases. The behavior of this plasma can be explained by the magnetic mirror effect. That is, electrons or ions in the plasma are constrained by the magnetic field (lines of magnetic force). Therefore, it was experimentally confirmed that the molten bulk high-temperature superconductor 12 generates a magnetic field capable of converging and confining the plasma, and that the molten bulk high-temperature superconductor 12 can be applied to converging or confining the plasma. Was confirmed by experiment.
[0026]
Therefore, in the ordinary solenoid coil, the current density is about several tenths to one hundredth of that of the molten bulk high-temperature superconductor. An equivalent magnetic field can be generated with a volume and a weight of several tenths to one hundredth of the used apparatus. Further, according to the solenoid coil, power of several hundred watts to 1 kW or more is consumed to generate a magnetic field, but no power is consumed according to the above-described molten bulk high-temperature superconductor 12.
[0027]
(Example)
Hereinafter, an embodiment of an apparatus having a molten bulk high-temperature superconductor according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3 shows a schematic configuration of an electron / ion beam generator 20 to which a plasma confinement device is applied. The electron / ion beam generator 20 includes a cylindrical container 21 (for example, a discharge tube) and a pair of donut-shaped molten bulk high-temperature superconductors 22 and 23 fitted in the cylindrical container 21. A pair of discharge electrodes 24 and 25 are arranged inside the cylindrical container 21, and both electrodes 24 and 25 are connected to a power supply 26. The discharge electrode 24 is a negative electrode, and the discharge electrode 25 is a positive electrode. A through hole 25 a is provided in the center of the plus electrode 25. The power supply 26 may be either a DC power supply or an AC power supply. When a voltage is applied to the electrodes 24 and 25 to discharge them (either a DC discharge, an AC discharge, or a pulse discharge), the gas (for example, nitrogen gas or neon gas) filled in the discharge tube 21 causes the electrodes 24 and 25 to discharge. Plasma is generated between 25. The generated plasma is confined between the molten bulk high-temperature superconductors 22 and 23 by a mirror magnetic field (indicated by the magnetic field lines in FIG. 3) by the pair of molten bulk high-temperature superconductors 22 and 23, whereby electrons or An ion beam source can be formed. That is, a plasma confinement device is formed by the above configuration.
[0028]
Outside the positive electrode 25, a lead-out electrode 27 having a through-hole 27a facing the through-hole 25a is provided in parallel. The extraction electrode 27 is connected to a power supply 28, and when a predetermined positive voltage is applied, electrons of the confined plasma are extracted, accelerated, and ejected. Thereby, an electron beam is emitted. A hole is provided in the minus electrode 24, and a lead electrode similar to the above-mentioned lead electrode 27 is provided outside the minus electrode 24, and when a predetermined negative voltage is applied, the positive ions of the trapped plasma are removed. May be drawn out, accelerated, and ejected. As a result, an ion beam is emitted. Note that the extraction electrode 27 may be in a mesh shape.
[0029]
Therefore, according to this embodiment, the current density of the ordinary solenoid coil is about several tenths to one hundredth of that of the molten bulk high-temperature superconductor. For example, an equivalent magnetic field can be generated with a volume and a weight of several tenths to one-hundredth of those of a device using a conventional solenoid coil. Therefore, it is possible to confine the plasma or generate an electron or ion beam by using a device smaller than a device having a solenoid coil. Further, according to the solenoid coil, power of several hundred watts to 1 kW or more is consumed to generate a magnetic field, but no power is consumed according to the above-described molten bulk high-temperature superconductor 12.
[0030]
Further, in the electron / ion beam generator of the present embodiment, electrons (or ions) having a velocity component substantially parallel to the axis near the constriction Pa of the mirror magnetic field are not reflected by the magnetic mirror, and the positive electrode 25 is not reflected. Through the through hole 25a. That is, electrons (or ions) whose incident angle to the constricted part of the mirror magnetic field is within a small apex angle called a loss cone are passed through without being reflected by the mirror magnetic field. Since the magnetic field strength of the present embodiment is stronger than the magnetic field of the solenoid coil, the apex angle of the loss cone is small, and thus the electrons (or ions) passing through are almost parallel, and the divergence angle of the beam can be suppressed small.
[0031]
Next, an embodiment in which a molten bulk high-temperature superconductor is applied to periodic magnetic field focusing will be described with reference to FIG. In this case, a magnetic field similar to that in which a donut is formed and one of an N-pole and an S-pole is disposed at one end of the through hole 31a and the other is disposed at the other end of the through hole 31a (arrows in the drawing). Are formed and arranged on the path of the electron or ion beam coaxially with the same magnetic pole facing each other. Thereby, the electron or ion beam passing through the through hole 31a of the molten bulk high-temperature superconductor 31 can be focused.
[0032]
Therefore, according to this embodiment, the current density of the ordinary solenoid coil is about several tenths to one hundredth of that of the molten bulk high-temperature superconductor. For example, an equivalent magnetic field can be generated with a volume and a weight of several tenths to one-hundredth of those of a device using a conventional solenoid coil. Therefore, the electron or ion beam can be converged by a device smaller than a device having a solenoid coil. Further, according to the solenoid coil, power of several hundred watts to 1 kW or more is consumed to generate a magnetic field, but no power is consumed according to the above-described molten bulk high-temperature superconductor 12.
[0033]
An embodiment in which a molten bulk high-temperature superconductor is applied to a deflector will be described with reference to FIG. In this case, the molten bulk high-temperature superconductor 41 is formed in a donut shape, and its c-axis is perpendicular to the axis of the donut as shown in FIG. Such a molten bulk high-temperature superconductor may be an integral member made of one member, or may be an aggregate in which a plurality of members are combined as shown in FIG. The molten bulk high-temperature superconductor 41 applies a magnetic field (indicated by an arrow in the drawing) similar to the case where the N pole and the S pole are arranged on one and the other sides of the outer peripheral wall thereof, in the through hole 41a. It is magnetized so as to be substantially parallel to the c-axis of the molten bulk high-temperature superconductor 41. The molten bulk high-temperature superconductor 41 is arranged coaxially on the path of the electron or ion beam, and can thereby deflect the beam passing through the through hole 41a of the molten bulk high-temperature superconductor 41. For example, as shown in FIG. 5B, electrons incident from above are deflected to the right, both perpendicular to the traveling direction and the magnetic field direction, as indicated by the solid line, and ions incident from above are traveling as indicated by the broken line. It deflects to the left, both perpendicular to the direction and the direction of the magnetic field. According to the molten bulk high-temperature superconductor 41, electrons and ions can be separated from a beam containing both electrons and ions.
[0034]
Therefore, according to this embodiment, the current density of the ordinary solenoid coil is about several tenths to one hundredth of that of the molten bulk high-temperature superconductor. For example, an equivalent magnetic field can be generated with a volume and a weight of several tenths to one-hundredth of those of a device using a conventional solenoid coil. Therefore, the electron or ion beam can be deflected or separated by a device smaller than a device having a solenoid coil. Further, according to the solenoid coil, power of several hundred watts to 1 kW or more is consumed to generate a magnetic field, but no power is consumed according to the above-described molten bulk high-temperature superconductor 12.
[0035]
Further, an embodiment in which a molten bulk high-temperature superconductor is applied to a lens will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 6C, the molten bulk high-temperature superconductor 51 is composed of four portions having different c-axis directions, and has a donut shape as a whole. Such a molten bulk high-temperature superconductor 51 can be integrally formed by installing a plurality of seed crystals in one compact at the time of production by a melting method, or can be formed as an aggregate by combining separately produced portions. Is also good. As shown in FIG. 5A, the molten bulk high-temperature superconductor 51 has a plurality of N poles and two S poles (two each of N and S) arranged so that the c-axis of each part is substantially parallel to the magnetic field. It is magnetized so as to form the same magnetic field (indicated by an arrow in the figure). The molten bulk high-temperature superconductor 51 is coaxially arranged on the path of the electron or ion beam, and can converge a beam passing through the through hole 51a of the molten bulk high-temperature superconductor 51.
[0036]
A conventional device of this type is formed by winding a coil around an iron core (document: Principles of Charged Particles Acceleration P.97 (John Wiley and Sons 1986)) and has a cylindrical shape with an outer diameter of 30 to 40 cm and a length of 15 to 40 cm. And weighs several tens to 100 kg, and consumes at least several hundred watts of power for generating a magnetic field. According to the present embodiment, this type of device can be realized with a size of several tenths without any constant power consumption.
[0037]
It should be noted that the molten bulk high-temperature superconductor according to the present invention is not limited to the above-described embodiment, but may be applied to other devices having a solenoid coil. For example, there are a duoplasmatron and an ECR (electron cyclotron resonance) ion gun which extract electrons or ions from plasma.
[0038]
Further, the molten bulk high-temperature superconductor according to the present invention can be applied to a plasma torch generator. In this case, an argon gas is ejected near the beam exit of the above-mentioned electron / ion beam generator and collides with the beam to generate plasma, thereby forming a plasma torch. Alternatively, instead of ejecting the argon gas, an argon gas may be supplied into the discharge tube to cause a discharge, and the neutral gas flowing out of the discharge electrode may be turned into plasma by an electron beam to form a plasma torch.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating an experimental apparatus for observing a state of plasma in a discharge tube by fitting a molten bulk high-temperature superconductor according to the present invention to the discharge tube.
FIG. 2 is a view showing an experimental result by the experimental apparatus shown in FIG.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing an electron / ion beam generator provided with a molten bulk high-temperature superconductor according to the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a periodic magnetic field focusing device provided with a molten bulk high-temperature superconductor according to the present invention.
5A is a radial sectional view showing a magnetic field when a molten bulk high-temperature superconductor according to the present invention is used for a deflector, FIG. 5B is an axial sectional view, and FIG. It is a figure which shows the c-axis of the integrated molten bulk high temperature superconductor, and (d) is a figure which shows the c-axis of the molten bulk high temperature superconductor which consists of an assembly.
6A is a radial cross-sectional view showing a magnetic field when a molten bulk high-temperature superconductor according to the present invention is used in a converging device, FIG. 6B is an axial cross-sectional view, and FIG. It is a figure which shows the c-axis of the molten bulk high temperature superconductor which consists of an assembly.
[Explanation of symbols]
11, 21 ... discharge tube, 12, 22, 23, 31, 41, 51 ... molten bulk high-temperature superconductor, 13, 14, 24, 25 ... electrode, P ... plasma.
