JP2007212294A - 電子線発生方法および装置 - Google Patents

Abstract

【構成】 電子線発生装置１０は、円環形の真空容器内に収納されるヘリカルコイル２２および２４を含み、このヘリカルコイルが作る円環形の磁気面によって閉じ込め領域を形成し、その中にプラズマを閉じ込める。このプラズマをソレノイドコイル２０からの誘導起電力で加速して高エネルギの逃走電子を発生させる。真空容器すなわちヘリカルコイルの全周に亘って、１対の引出しコイル３６ｕおよび３６ｄを配置する。ヘリカルコイルから第１磁力線を発生させて外部に向かう磁場を形成することによって、逃走電子を外部に引き出す。引出しコイルの第１磁力線の影響によって閉じ込め領域が小さくなるのを防ぐために、閉じ込め磁気面の形状を制御するための第２磁力線を発生する１対のキャンセルコイル３８ｕおよび３８ｄを設ける。
【効果】 高エネルギ大電流の電子線を発生することができる。
【選択図】 図３

Description

この発明は電子線発生方法および装置に関し、特にたとえば、トカマク型やヘリカル型の円環型プラズマ閉じ込め装置を利用して円環を周回する電子を加速し、そこから電子線を引き出すようにした、新規な電子線発生方法および装置に関する。

たとえば、今までガンマ線などの放射線や紫外線、あるいは化学薬品を用いて行われてきた滅菌などの処理を電子線照射処理に置き換えることが試みられている。たとえば、紙加工で塗膜の硬質化のために電子線を用いた場合には、塗料に溶剤を含まないため、従来の塗膜形成方法に比べると環境負荷が小さく、コストも軽減することができる。また、医療器具などに用いられる放射線滅菌と異なり、扱いの困難な放射性物質を取り扱う必要がなく、出力を自在に制御することも可能である。このため、電界により電子を加速する各種の装置が開発され、電子線の利用に供されている。さらに、大規模な電子線源が利用可能であれば、下水処理で電子線照射によって殺菌することにより塩素を用いなくてもよくなるため、発がん性があり悪臭の基になるトリハロメタンが発生しないなど、環境負荷を軽減する試みが提案されている。

特許文献１に電子ビーム加速器を利用した電子線源が開示されている。この特許文献１の電子線源は、同軸加速空洞内に電磁界を形成する加速器を含み、照射装置によって、この加速器で加速された電子を偏向させて電子ビームを誘導するものである。
特開２０００‐２８４０９９号公報 [G21 K 5/02 5/04 H05G 2/00 H05H 7/18]

しかしながら、特許文献１の電子線源では、エネルギは１０ＭｅＶ級であるが電流は１mＡ以下、出力は数ｋＷと小さく、したがって、上記した下水処理のような大規模照射用途に用いることはできない。

それゆえに、この発明の主たる目的は、新規な、電子線発生方法および装置を提供することである。

この発明の他の目的は、高エネルギでかつ大電流の電子線を発生することができる、電子線発生方法および装置を提供することである。

請求項１の発明は、円環形の閉じ込め磁気面によってプラズマを閉じ込める装置を用いて電子線を発生する方法であって、閉じ込めたプラズマに誘導起電力による電圧を印加することによって円環を周回する電子を加速し、高エネルギの電子を発生させ、そして閉じ込め磁気面の一部を破って装置の外へ電子を引き出す、電子線発生方法である。

請求項１の発明では、たとえばヘリカルコイルを用いて円環形の閉じ込め磁気面を作るヘリカル装置や、同じくトロイダルコイルおよびポロイダルコイルを用いて円環形の閉じ込め磁気面を作るトカマク装置など、円環形の真空容器内にプラズマを生成し閉じ込める装置を用いる。たとえばプラズマと磁気結合しているコイルに変動する電流を与えることによって、プラズマに誘導起電力による周回電圧を印加すると、円環形の閉じ込め磁気面内に閉じ込められているプラズマの荷電粒子がその電圧によって加速される。その荷電粒子が閉じ込め磁気面内を周回する毎に電圧が印加されるので、その荷電粒子はさらに加速される。したがって、荷電粒子が円環形の閉じ込め磁気面内で周回を繰り返すことによって、荷電粒子は高エネルギの電子となる。そして、その閉じ込め磁気面の一部を破り、引き出し磁場をつくることによって、閉じ込め磁気面内に発生した高エネルギの電子がその装置（真空容器）の外部に引き出される。

請求項１の発明によれば、たとえばヘリカル装置やトカマク装置などの円環型プラズマ内で電子を加速し、それを引き出すようにしているので、高エネルギの電子を大量に発生させることができる。この発生方法では、熱電子などを陰極で発生する方法に比較して、円環プラズマの断面に相当する大面積で電子線を発生するため、大電流、かつ大口径の電子線を発生することができる。電極が存在しないため、その損傷は寿命の問題も存在しない。また、誘導起電力による電子の加速は、静電界あるいは高周波電界による加速に比べて、発熱などのエネルギ損失や、高周波発生に伴うエネルギ損失を伴わず、これら従来法の効率が５０％から高々７０％であるのに対し、９０％以上の効率が期待できる。したがって、大出力の電子線を安価で高効率に発生し、照射の処理の効率化を図ることができる。

請求項２の発明は、円環形の閉じ込め磁気面によって真空容器内にプラズマを閉じ込める装置、閉じ込めたプラズマ中に誘導起電力による電圧を印加するための誘導起電力発生手段、および閉じ込め磁気面の一部を破って真空容器の外へ電子を引き出す引出し手段を備える、電子線発生装置である。

請求項２の発明では、円環形の真空容器（１２，１１２：実施例において相当する部分を例示する参照符号。以下、同様。）内あるいは外部にたとえばヘリカルコイル（２２，２４）を用いて円環形の閉じ込め磁気面を作るヘリカル装置や、同じく円環形の真空容器（２１２）内あるいは外部にトロイダルコイル（２２２）よびポロイダルコイル（２２４）を用いて円環形の閉じ込め磁気面を作るトカマク装置などを用いる。誘導起電力発生手段は、たとえばプラズマと磁気結合しているコイル（２０）を含み、そのコイルに変動する電流を与えることによって、プラズマに誘導起電力による周回電圧を印加することができる。円環形の閉じ込め磁気面内に閉じ込められているプラズマの荷電粒子がその電圧によって加速される。その荷電粒子は閉じ込め磁気面内を周回する毎に電圧が印加されるので、エネルギはほとんどすべてが周回速度の速い電子に与えられ、電子は周回する毎にさらに加速される。高速の電子は衝突断面積が小さくなり、他の粒子とほとんど相互作用せずに周回を繰り返す。したがって、電子が円環形の閉じ込め磁気面内で周回を繰り返すことによって、高エネルギの電子線となる。この誘導起電力発生手段によって電子にその周回毎にたとえば２００Ｖの電圧を与えるとすると、その電子が１万回周回した場合には、２ＭｅＶの高エネルギの電子となる。引出し手段（３２，１３２，２３２）によって、その閉じ込め磁気面の一部を破ることによって、閉じ込め磁気面内に発生したたとえば２ＭｅＶの高エネルギの電子がその装置（真空容器）の外部に引き出される。

このように請求項２の発明によれば、ヘリカル装置やトカマク装置の内部で電子を加速し、それを引き出すようにしているので、高エネルギの電子線を大量に発生させることができる。したがって、電子線照射の処理の効率化を図ることができる。

請求項３の発明は、引出し手段は、真空容器から外に向かう磁力線を発生させるための第１磁力線発生手段を含む、請求項２記載の電子線発生装置である。

請求項３の発明では、第１磁力線発生手段は、実施例でいえば引出しコイル（３２，１３２，２３２）に相当する。この引出しコイルによって真空容器から外部に向かう磁力線を形成することによって、閉じ込め磁気面のたとえば最外殻の磁気面が一部破断し、そこから閉じ込め磁気面内で周回を繰り返した高エネルギの電子がその引出し用磁力線の効果によって、真空容器の外へ飛び出す。

請求項４の発明は、閉じ込め磁気面の形状を制御するための第２磁力線を発生する第２磁力線発生手段をさらに備える、請求項３記載の電子線発生装置である。

上述のように、第１磁力線発生手段によって閉じ込め磁気面に破断部分を形成するのであるが、その影響が大きすぎると閉じ込め磁気面内に十分な量の荷電粒子（電子）を十分な時間にわたって閉じ込められなくなるので、請求項４の発明では、第２磁力線発生手段（３４，１３４，２３４）によって、その第１磁力線発生手段からの磁力線の閉じ込め磁気面に対する影響を可及的最小にするように、閉じ込め磁気面の形状を制御するための第２磁力線を発生する。つまり、第１磁力線発生手段および第２磁力線発生手段によって、閉じ込め磁気面に閉じ込める電子の量およびそこから引き出す電子の量を制御することができる。

この発明によれば、プラズマ閉じ込め装置によって高エネルギの電子を発生し、それを大量に引き出すことができるので、大電流の電子線を発生することができる。前述のように、この電子線は、高エネルギであるばかりでなく従来は不可能であったレベルの１００mＡ台に及ぶ大電流、および大きな面積にわたって引き出すことができる。消耗性の部品はなく、加速効率も原理的にきわめて大きい。そのため、従来は不可能であったような大量の物質の電子線照射処理が効率的にかつ経済的に実施できる。

この発明の上述の目的，その他の目的，特徴および利点は、図面を参照して行う以下の実施例の詳細な説明から一層明らかとなろう。

図１に示す実施例の電子線発生装置１０は、ドーナツ形状（円環形）の真空容器１２を含む。この真空容器１２は、図２からよく分かるように矩形の断面を有し、たとえば非磁性ステンレスなどからなり、その周側面１４には、比較的肉薄のたとえば非磁性チタンあるいはシリコンなどからなる複数の電子窓１６が形成されている。なお、この電子窓１６の配置角度間隔は、基本的には、後述のヘリカルコイル２２および２４の本数とピッチｍとに依存していて、実施例では、ｍ＝１２としたので、電子窓１６は１５°（＝３６０°÷２４）間隔で形成した。つまり、１周あたり１２回巻いたヘリカルコイルが２本ある場合には、磁場は、１周の間に２４周期で変化するので、電子が放出できる間隔は１５°となる。ただし、図２は図１の線II-IIにおける断面を示し、したがって、図２には図１の電子線発生装置１０の全体の右半分の断面だけが示されていることに留意されたい。

真空容器１２の円環の中空部１８には、この真空容器１２の内壁面と接するようにソレノイドコイル２０が設けられる。このソレノイドコイル２０は上記ヘリカルコイル２２および２４で形成する磁気面で閉じ込められた荷電粒子を、その誘導起電力で加速するためのものに相当する。

真空容器１２は、その内部に、図３に示すような２つのヘリカルコイル２２および２４を固定的に支持するための支持部２６および２８が形成される。この実施例ではこのように、円環形の閉じ込め磁場を形成する手段として、２つのヘリカルコイル２２および２４を用いた。しかしながら、ヘリカルコイルの数は、３つ以上であってもよい。ただし、図３では、各コイルの配置を３次元で図解するために、図１および図２に示す真空容器１２は取り除いてある。

図３に示す２本のヘリカルコイル２２および２４は、ともに、図４に示す小半径ａで螺旋状に巻回され、その後、全体として半径Ｒで円環形に引き回したものである。

ここで、図４を参照してヘリカルコイル２２および２４のパラメータについて説明する。ａは上述のようにヘリカルコイル２２および２４の小半径であり、Ｒは大半径である。他のパラメータとして、「ｌ（小文字のエル）」と「ｍ」とがある。「ｌ」は、ヘリカルコイルの本数を示し、図示の実施例は２本のヘリカルコイル２２および２４が用いられるので、ｌ＝２である。また、「ｍ」は先に述べたように、ヘリカルコイル２２および２４のピッチを示す値で、ヘリカルコイルが、Ｚ軸周りの角度φ方向に一周する間にθ方向に何回巻かれるかを示す。実施例ではｍ＝１２と設定した。

図３に戻って、このようなヘリカルコイル２２および２４を囲むように、４本の垂直磁場コイル３０が配置される。これら垂直磁場コイル３０は、ヘリカルコイル２２および２４が作り出す垂直方向の磁場を打ち消すためのコイルであり、ヘリカルコイル２２および２４の上方に２本、下方に２本の垂直磁場コイル３０が設けられ、上下のそれぞれ２本の垂直磁場コイル３０は、水平面でヘリカルコイル２２および２４を挟むように配置される。これら垂直磁場コイル３０にヘリカルコイル２２および２４と逆向きの電流を流すことによって、ヘリカルコイル２２および２４が作り出す垂直方向の磁場を打ち消すことができる。

図１−図４に示す実施例の電子線発生装置１０では、真空容器１２と、真空容器１２内に設けられるヘリカルコイル２２および２４と、垂直磁場コイル３０とで、円環形のプラズマ閉じ込め装置を形成した。プラズマは、トーラス座標系φ方向（図４）の磁場であるトロイダル磁場とθ方向（図４）の磁場であるポロイダル磁場とによって形成される磁気面の中に閉じ込められる。閉じ込め領域を図５の参照符号「３２」で示す。

よく知られているように、ヘリカル型やトカマク型（まとめてトーラス型）のプラズマ閉じ込め装置では、荷電粒子は磁力線３４（図５）に巻き付くように運動するため、トロイダル磁場によってプラズマを閉じ込めることができる。

この実施例の電子線発生装置１０においては、発明者等は、誘導起電力によってヘリカル装置中に閉じ込められているプラズマ中の電子を加速して逃走電子を発生させ、これをヘリカル装置の外に引き出すことを考えた。ただし、逃走電子とは、高い運動エネルギを持ち閉じ込め領域３２（図５）に閉じ込められなくなった電子のことである。この逃走電子が多く発生するとプラズマ中の電荷平衡が崩れたり、発生した逃走電子が衝突して装置（真空容器やコイル）を傷めたりするために元来、核融合などの分野におけるプラズマ閉じ込め装置では逃走電子は歓迎されないため生成しない条件で運転されている。これに対して、このようにプラズマ閉じ込め装置からの逃走電子を逆に積極的に発生し、利用するという点で、この発明の考え方は全く新規なものである。

実施例の装置１０では、磁気面によって閉じ込め領域３２に閉じ込められた荷電粒子を誘導磁場によって加速することによって、上記逃走電子を積極的に作りだす。そのための手段として、図１−図３に示すように、真空容器１２の中空部１８にＺ方向の磁場を作り出すソレノイドコイル２０を設置し、このソレノイドコイル２０の作り出す磁束の変化で発生する誘導起電力によって閉じ込め領域３２のプラズマを電流駆動するようにした。

図６は、先に示したヘリカルコイル２２および２４によって発生する磁場Ｂの方向、ソレノイドコイル２０による加速電圧Ｖの方向、この加速電圧Ｖによって発生するプラズマ電流Ｉｐの方向や電流駆動によって生じるポロイダル磁場ＢＩの方向を示している。駆動電流の方向はヘリカルコイル２２および２４の作り出す磁場Ｂとはφ方向（図４）に逆向きに流す。これは駆動電流が作り出す磁場ＢＩをポロイダル磁場の向きと同じ方向に揃えて、回転変換を大きくするためである。そのために、図６のような方向に電流を流す。

逆に駆動電流をＢと同じ向きに流す場合、ポロイダル磁場は弱められて回転変換は小さくなるため、加速による電子軌道の移動が大きくなる。そのため、閉じ込められる電子のエネルギは小さくなり、それに伴って引き出される電子のエネルギも低下すると考えられる。そのため、この実施例では、加速電圧Ｖをトロイダル磁場と逆向きにかけて駆動電流をヘリカルコイルの作る磁場Ｂと逆向きに流すように設定した。

なお、加速電圧Ｖは一方向にかけ続けることはできないため、実際の装置の運転ではたとえば図７に示すようにソレノイドコイルの電圧を変化させる。たとえば、区間ｔ１で電子を加速した後、区間ｔ２では回転変換が小さくなる方向に電流を流すことによってプラズマを消して電子を発生させない。そして、再び区間ｔ３ではプラズマ発生させて電子を加速し引き出す。以上のような運転を繰り返し行って、断続的に高エネルギの電子を発生させる。このように、この実施例では、ソレノイドコイル２０に変動する電流を流すことによって誘導起電力を発生させ、それによってプラズマ閉じ込め領域３２の電子を加速して逃走電子を増大させる。

なお、図６においては閉じ込め領域３２は円弧状の一部しか図示していないが、ヘリカルコイル２２および２４が円環形に配置されているのであるから、この閉じ込め領域３２も当然円環形のものとなる。

たとえば、ソレノイドコイル２０に変動電流を流すと、閉じ込め領域３２内に閉じ込められているプラズマ（荷電粒子）には、誘導起電力により周回電圧が発生する。閉じ込め領域３２は、全体としては、円環形であるため、その中の荷電粒子は、そのまま何もなければ、その円環形領域の中を周回し続ける。たとえば、現実の類似装置で発生例がある２００Ｖが発生したとし、荷電粒子が閉じ込め領域３２内を１万回周回したとすると、周回の都度２００Ｖがその荷電粒子に印加される訳であるから、荷電粒子には計算上２ＭｅＶに加速されることになる。ソレノイドコイル２０が発生する周回電圧を１００Ｖとした場合には、同様にして１ＭｅＶに加速された荷電粒子（電子）が発生する。

この実施例のように、円環形の閉じ込め領域３２に荷電粒子を閉じ込めて周回させ、その周回の都度誘導起電力で一定電圧を印加するようにすれば、電子を加速するための機構が簡単である。たとえば、電子を加速する方法として電場によって加速する構成も知られているが、この方法だと、電場のための電極を周回路中に配置するなど複雑な構成が必要となる。これに対して、誘導起電力による周回電圧を採用する実施例の電子線発生装置１０では、たとえば実施例のソレノイドコイル２０のような、閉じ込め領域内の荷電粒子（プラズマ）と磁気結合するコイルを設けるだけの簡単な構成で、電子を加速することができる。

ただし、閉じ込め領域内の荷電粒子（プラズマ）と磁気結合するコイル、実施例ではソレノイドコイル２０は、実施例では空心コイルを用いるようにした。しかしながら、制御の容易性や効率を考慮すれば、鉄心（コア）付きコイルを用いるようにしてもよい。

このようにして閉じ込め領域３２内で高エネルギの電子を発生させ、それを大量に真空容器１２の外に引き出すことによって、電子線を発生しようとするのが、実施例の電子線発生装置１０である。上述のように、閉じ込め領域内で電子が１万回周回することによってたとえば２ＭｅＶまたは１ＭｅＶに加速するので、その程度の回数周回を繰り返した電子を閉じ込め領域から引き出せば、それを高エネルギの電子として引き出すことができる。

閉じ込め領域３２から高エネルギ電子を引出すためには、閉じ込め領域３２（図）を形成しているヘリカルコイル２２および２４による磁場の磁気面を一部破断すればよい。たとえば、閉じ込め領域３２は内殻から外殻に至るいくつかの磁気面で形成されるが、その最外殻の磁気面を一部破ることによって、上述のように多数回周回を重ねた電子だけをその閉じ込め領域から外へ飛び出させることができる。

この閉じ込め領域３２の磁気面を一部破断させる手段として、実施例の装置１０では、図３に示す１対の引出しコイル３６ｕおよび３６ｄを用いる。ここで、添字「ｕ」は上側のコイルを示す意味で用い、「ｄ」は下側のコイルを示す意味で用いている。

また、この実施例では、引出しコイル３６ｕおよび３６ｄの近傍に、１対のキャンセルコイル３８ｕおよび３８ｄをさらに設ける。

図８を参照して、これらの引出しコイル３６およびキャンセルコイル３８の作用について説明する。図８は、実施例の装置１０のＺ-ｒ面における各コイルおよび磁力線を示す図解図である。

閉じ込め領域３２の磁気面を一部破断するためには、垂直磁場コイル３０に囲まれた領域から外に出ていく磁場を形成すればよいが、この外へ向かう磁場は、図８に示すように、引出しコイル３６からの磁力線４０によって形成する。そうすることによって、逃走電子は、引出しコイル３６ｕおよび３６ｄが作る磁力線４０の効果によって真空容器１２の外に引き出される。

図９および図１０は、φ=０°での磁力線の向きおよび磁束密度を示している。磁力線の向きは図９にあるように引出しコイル３６ｕおよび３６ｄを設置した意図通りに引出しコイル３６ｕおよび３６ｄとキャンセルコイル３８ｕおよび３４ｄの間で、矢印４０Ａおよび４０Ｂで示すように、装置の中から外や外から中に向かう磁力線４０が形成されていることが分かる。ただし、２本の引出しコイル３６ｕおよび３６ｄの間では磁力線は、矢印４２に示すように、装置の外には向かっていない。それにも拘わらず、電子は、引き出し領域４４の矢印で示すように、ほとんど引出しコイル３６ｕおよび３２ｄの間から引き出されている。その理由は、図１０から容易に推測できる。

図１０に示すように、引出しコイル３６ｕおよび３６ｄの間の引出し領域４４では磁束密度がたとえば０．００１Ｔと非常に小さく、磁場がほとんどない場所もあることが分かる。そのため、この領域４４では、高いエネルギの電子は磁力線４０に沿っては運動せず、その結果多くの電子が引出しコイル３６ｕおよび３６ｄの間から外に出ていくと考えられる。図１１に真空容器１２内での電子の挙動を示すが、この図１１の中央部分が閉じ込め領域を示し、そこから引出しコイル３６の方向へ電子が飛び出しているのが分かる。

このように、実施例の装置１０では、第１磁力線発生手段を構成する引出しコイル３６で外向きの磁力線を作ることによって、閉じ込め領域３２の磁気面を一部破断させ、その破断部分から高エネルギの電子を引出すことができる。

しかしながら、この引出しコイル３６ｕおよび３６ｄだけを設けた場合、閉じ込め領域３２でその磁力線４０が磁場を乱してしまい、この領域３２のプラズマを閉じ込め性能が劣化し、たとえば、閉じ込め磁場内に十分な量の電子を十分な時間に亘って閉じ込められなくなり、電子を十分に加速できなくなるという可能性がある。そこで、この実施例では、さらに閉じ込め領域３２における引出しコイル３６が発生する磁力線（第１磁力線）を打ち消す（減殺、または相殺する）別の磁力線（第２磁力線）を発生する第２磁力線発生手段としてのキャンセルコイル３８ｕおよび３８ｄを追加する。

このキャンセルコイル３８ｕおよび３８ｄは、たとえば図８に示す引出しコイル３６ｕおよび３６ｄが発生する磁力線４０を、点線矢印で示すように絞り込むことによって、引出しコイル３６が形成する閉じ込め領域の破断部分を最適の大きさに設定することができる。

換言すれば、引き出しコイル３６およびキャンセルコイル３８のそれぞれ発生する磁力線の強さや方向を最適に調整することによって、閉じ込め領域３２における荷電粒子（電子）の周回を重ねることによる加速と、閉じ込め領域３２からの引出し電子量とを最適に設定することができる。閉じ込め領域３２の磁場への引出しコイル３６の影響をキャンセルするように、その引出しコイル３６に関連してキャンセルコイル３８を設けたため、ヘリカルコイルによる磁気面の最外殻に必要な大きさを保持でき、それによる閉じ込め領域３２も十分な量の荷電粒子を閉じ込めることができる。

なお、実施例の引き出しコイル３６やキャンセルコイル３８は、真空容器１２の内側でも外側でも、どちらに設けてもよい。

ただし、引出しコイル３６の配置位置や電気的なパラメータ、たとえば電流値などを適当に設定することによって、この引出しコイル３６による閉じ込め領域３２の磁場への影響を最小にでき、それによってキャンセルコイル３８を用いる必要がなくなることも、可能性としては予測できる。

発明者等が検証のために実施した数値計算は、図１２に示すモデルによった。

数値計算は、まず引出しコイル３６をヘリカル型プラズマ閉じ込め装置すなわち真空容器１２の全体に円環と平行に取り付けた場合について行った。ここでは、そのときの計算条件を示す。コイルの配置は、図１２にあるように設置するとして計算を行った。また、図４のヘリカルコイルのパラメータ大半径Ｒ、小半径ａは、それぞれ１．０ｍ，０．１ｍとし、ヘリカルコイルのピッチｍは１２とした。

垂直磁場コイル３０はＺ方向において±０．２２ｍの場所に設置し、内側のコイルは半径０．８ｍとし、外側のコイルは半径１．２ｍとした。また、垂直磁場コイルに流す電流はヘリカルコイルの電流値との比を一定に保つようにした。さらに、引出しコイル３６ｕおよび３６ｄについては、図１２の距離ｌ（小文字エル）や距離ｚを変化させて計算を行った。電流値も計算条件によって変化させた。キャンセルコイル３８は、ｌ‐０．０２ｍ、±（ｚ＋０．１）ｍに配置し、電流は引出しコイル３６が磁気面中心ｒ＝１．０ｍ，ｚ＝０．０ｍに作る磁場と逆向きの磁場を作るように流した。なお、引出しコイル３６およびキャンセルコイル３８は、一辺０．０２ｍの正方形断面を有するものと仮定した。
［引き出される電流値の見積もり］
引出しコイル３６によって引き出すことのできる電流の最大値を見積もるが、そのためにまず、閉じ込め領域３２のプラズマ中に流すことのできる電流Ｉｐ（図６）の最大値を計算する。

引出しコイル３６ｕおよび３６ｄをｒ＝１．２６ｍ，ｚ＝±０．１ｍに、キャンセルコイル３８ｕおよび３８ｄをｒ＝１．２４ｍ，ｚ＝±０２ｍに配置した場合、引出しコイル３６ｕおよび３６ｄにヘリカルコイルの電流Ｉｈと同じ大きさの電流を流す場合は、引き出しコイルの電流Ｉｅ＝Ｉｈ＝１ｋＡでＢφ＝０．００４８Ｔ，Ｒ＝１．０ｍとなる。この場合、最外殻磁気面の半径ｒｍａｘはｒｍａｘ＝０．０４３ｍであり、したがって、このときにプラズマ中に流すことのできる電流Ｉｐの最大値Ｉｐｍａｘ＝１８．２Ａと求めることができる。よって、Ｉｈ０＝１ｋＡとすると、数１が得られる。

［数１］
Ｉｐｍａｘ＝１．８２×１０^−２Ｉｈ
次に、引き出される電子の電流値を求める。逃走電子の発生が雪崩状態になっているときには、プラズマ電流中に逃走電子が占める割合は約９０％となっている。また、１周あたりの加速電圧をＶとし、引き出される電子の平均エネルギがＫのとき、逃走電子は装置内を平均Ｎ＝Ｋ／Ｖ周するため、実際に引き出される電流の値は１／１Ｖになる。さらに、引出しコイル３６ｕおよび３６ｄをｒ＝１．２６ｍ，ｚ＝±０．１ｍに配置したときには発生した逃走電子のおよそ９０％を装置の外に引き出すことができる。そのため、引き出される電子の電流値Ｉｅｘｔは、数２で与えられる。

［数２］
Ｉｅｘｔ＝｛（０．９×Ｉｐｍａｚ）／Ｎ｝×０．９
＝１．４７×１０^−２×（Ｖ／Ｋ）Ｉｈ
図１３は電子平均のエネルギに対する引き出される電流値の変化を表している。加速電圧Ｖの値は、１周あたり５０Ｖとその２倍，４倍にあたる１００Ｖ，２００Ｖについて計算した。

引き出される電子のエネルギは、エネルギが小さい領域ではヘリカルコイルの電流Ｉｈの２乗に比例し、大きくなるとＩｈに比例して増加する。そのため、エネルギＫが電子の静止質量よりも小さいＩｈ≦２０ｋＡではＫは急激に増加しているが、それよりＩｈが大きい領域ではＫはＩｈに比例して増加している。そして、Ｉｈ＝８０ｋＡでおよそ２ＭｅＶの電子が引き出すことが可能となる。

これに対し、引き出される電流はＫが低い領域では急激に減少し、相対論領域では一定の値に収束していく。引き出される電流値は、８００ｋｅＶの電子では加速電圧が５０Ｖの場合でも約５０ｍＡある。さらに、加速電圧２００Ｖの場合では、電子のエネルギが２ＭｅＶのときでも１００ｍＡ以上の電流値を出すことができる。
［引き出される電子の空間分布］
引出しコイル３６ｕおよび３６ｄをｒ＝１．２６ｍ，ｚ＝±０．１０ｍに配置し、ヘリカルコイルと同じ大きさの電流を流すときに効率よく電子を引き出すことが可能であると分かったので、このときのｒ＝１．２６ｍでの電子の空間分布について調べた。

図１４は、引き出される電子の格子間隔を０．０１ｍにとったときのｚ方向の分布を示したものである。図１７にあるように−０．０６ｍから０．０４ｍの間で電子はほぼ一定に分布している。そのため、このＺ方向の範囲では電子の照射をほぼ均一に行うことができる。さらに分布の割合が６％以上の範囲でみると、−０．０６ｍから０．０８ｍの間の電子が利用可能となる。

次に円柱座標系のθ方向での電子の分布について調べた。先に述べたようにヘリカルコイルのピッチｍを１２としたとき、磁場は１５°周期で変化するため、θ=−７．５°からθ＝７．５°の範囲での０．５°間隔の分布を調べた。図１５はその結果を示している。z方向については広い範囲で均一に分布したが、θ方向では均一には分布しなかった。そのため、電子をターゲットに均一に照射するにはターゲットを装置すなわち真空容器１２の側面１４に沿ってθ方向に移動させながら照射することとなる。

以上説明した実施例では、ヘリカル型プラズマ閉じ込め装置を利用し、その全周に１対の引出しコイル３６ｕおよび３６ｄと１対のキャンセルコイル３８ｕおよび３８ｄとを配置して、真空容器１２の全周から電子を引出すようにした。しかしながら、真空容器１２の周方向の一部においてのみ電子を引出すことも容易に考えられる。

周方向の一部だけから電子を取り出す方法には大別して２つの方法がある。１つは図１６に示すように真空容器１２の側面１４の周方向の一部にだけ電子窓１６Ａを形成することである。この実施例の電子線発生装置１０は、電子窓１６Ａを周方向の一部にだけ形成する以外は、全て図１−図４の実施例と同様である。そのため、引き出しコイル３６およびキャンセルコイル３８は真空容器１２の全周に設けられる。

周方向の一部だけから電子を取り出す他の方法は、図１７の実施例に示すように、引出しコイルを円周の一部にだけ配置する方法である。図１７では、真空容器１１２およびその中のヘリカルコイルの詳細は図解を省略したが、この実施例の電子線発生装置１１０においても、真空容器１１２としては、当然、図１６実施例の真空容器１２と同様に、円環形状の真空容器が用いられ垂直磁場コイル１３０も全周に亘って配置される。

ただし、この実施例では、図１６の電子窓１６Ａと同様に周方向の一部にだけ電子窓が形成されている。そして、この実施例の電子線発生装置１１０では、その部分的な電子窓１６Ａ（図１６）の範囲だけに、図１７に示す１対の引出しコイル１３６ｕおよび１３６ｄを設ける。したがって、この実施例の電子線発生装置１１０においても、上で説明した実施例と同様に、引出しコイル１３６および１６３ｄの作用によって、真空容器１１２内の閉じ込め領域（図示せず）から高エネルギの電子を大量に引出すことができる。

ただし、図１７の実施例では、引出しコイル１３６の配置が真空容器１１２の周方向の一部だけであるので、それによる閉じ込め領域への影響が、先の実施例のように引出しコイル３６を全周に配置する場合に比べてかなり複雑である。そこで、この実施例では、図１８において参照符号Ｃ１１−Ｃ１３，Ｃ２１−Ｃ２３，Ｃ３１−Ｃ３３，Ｃ４１−Ｃ４３，Ｃ５１−Ｃ５３，Ｃ６１−Ｃ６３として示すように、キャンセルコイル１３８ｕ（これは１３８ｄも同様）を、周方向に複数に分割し、さらに、径方向に複数層（実施例では３層）配置した。このような特徴的なキャンセルコイル１３８の配置によって、部分的引き出しコイル１３６の磁場による閉じ込め領域に対する複雑な影響を除去または軽減できた。

以上説明した実施例はいずれもヘリカルコイルを真空容器内に収納したヘリカル型のプラズマ閉じ込め装置を用いたが、図１９の実施例のように、トカマク型のプラズマ閉じ込め装置を用いることも可能である。

図１９の実施例の電子線発生装置２１０では、トカマク型プラズマ閉じ込め装置を用いるが、このトカマク型プラズマ閉じ込め装置も、ヘリカル型と同様に、円環形の真空容器２１２を用いる。そして、真空容器２１２の外に、この真空容器２１２をその断面で囲繞するような複数のトロイダルコイル２２２を、周方向に間欠的に配置し、他方、真空容器２１２の上下内外に、ポロイダルコイル２２４を設ける。よく知られているように、トカマク型の装置では、このように配置したトロイダルコイル２２２およびポロイダルコイル２２４によって、真空容器２１２内に、円環形の閉じ込め領域を形成することができる。そして、円環形真空容器の２１２の中空部２１８には、図示しないが、先の実施例と同様の加速用コイルを配置する。

図１９の実施例では、図３に示したと同様の引出しコイル２３６ｕおよび２３６ｄならびにキャンセルコイル１３８ｕおよび１３８ｄを配置して、真空容器２１２内の閉じ込め領域から高エネルギの電子を引出す。そのために、この実施例においても、真空容器２１２の側面には、真空容器２１２の周方向の全周に亘って、またはその一部に電子窓（図示せず）を形成する必要がある。

図２０はこの発明のさらに他の実施例の電子線発生装置１０を示す図解図である。この実施例でも、円環形の真空容器１２を用い、その真空容器１２の側面１４の、真空容器１２の周方向一部に、電子窓１６Ａを形成する。そして、真空容器１２内にヘリカルコイル２２および２４を配置し、それによって、閉じ込め領域３２を形成する。ただし、図２０では垂直磁場コイルの図示は省略した。

閉じ込め領域３２に閉じ込めた荷電粒子を加速するために誘導起電力を与える手段として、この実施例では、円環形真空容器１２の中空部１８に挿通される鉄心１９を含み、この鉄心１９上に加速コイル２０Ａが巻回される。つまり、この加速コイル２０Ａと閉じ込め領域３２内のプラズマとは鉄心１９が作る磁気回路を通して磁気結合する。したがって、電源２１によって加速コイル２０Ａに交流電流（変動する電流）を流すことによって、閉じ込め領域３２内の荷電粒子に誘導起電力による加速電圧を印加することができる。

そして、この実施例でも、引出しコイル３６によって閉じ込め領域３２からの逃走電子を電子窓１６Ａを通して外部に引出すことができ、キャンセルコイル３８によって、その引出しコイル３６の閉じ込め領域３２に対する悪影響を軽減する。

なお、図２０の実施例においても、他の実施例でも同様であるが、ヘリカル型の閉じ込め装置を利用する場合であっても、ヘリカルコイルを図１９のトカマク型のトロイダルコイル２２２と同様に、真空容器１２（１１２）の外側に配置することもできる。また、ヘリカル磁場を形成するためには、コイルは図３の実施例のように円環全周に亘って連続したヘリカルコイルである必要はなく、図１９のトロイダルコイル２２２と同様に、独立したリング形状のコイルが用いられてもよい。

図１はこの発明の電子線発生装置の一実施例を示す全体図解図である。 図２はこの実施例において真空容器および各コイルの配置を示す図解図である。 図３はこの実施例において真空容器を除いて各コイルおよびそれらの配置を示す図解図である。 図４は図３に示すヘリカルコイルのパラメータを示す図解図である。 図５はこの実施例の背景となる従来のヘリカル装置におけるプラズマ閉じ込めの状態を示す図解図である。 図６は実施例においてソレノイドコイルによるオーム加熱を示す図解図である。 図７はソレノイドコイルに印加する加速電圧の一例を示す波形図である。 図８はこの実施例におけるＺ-ｒ面での各コイルの位置関係およびそれによる電子線の引出し原理を示す図解図である。 図９はこの実施例におけるφ＝０°での磁力線の向きを示す図解図である。 図１０は同じく実施例におけるφ＝０°での磁束密度を示す図解図である。 図１１は実施例において引き出される電子の軌道の一例を示す図解図である。 図１２は具体的な数値計算で設定した電子線発生装置の各部の相対的位置を示す図解図である。 図１３は図１２の実施例の数値計算において電子のエネルギに対する引き出される電流の変化を示す図解図である。 図１４は図１２の実施例の数値計算において引き出される電子のｚ方向の分布を示す図解図である。 図１５は図１２の実施例の数値計算において引き出される電子のθ方向の分布を示す図解図である。 図１６はこの発明の電子線発生装置の他の実施例を示す全体図解図である。 図１７はこの発明のさらに他の実施例における各コイルの配置を示す図解図である。 図１８は図１７実施例を上からみたときのキャンセルコイルの配置を詳細に示す図解図である。 図１９はこの発明の電子線発生装置のさらに他の実施例を示す全体図解図である。 図２０はこの発明の電子線発生装置のその他の実施例を示す全体図解図である。

符号の説明

１０，１１０，２１０ …電子線発生装置
１２，１１２，２１２ …真空容器
１６，１６Ａ …電子窓
２０ …ソレノイドコイル
２０Ａ …加速コイル
２２，２４ …ヘリカルコイル
３０，１３０ …垂直磁場コイル
３２ …閉じ込め領域
３６，３６ｕ，３６ｄ，１３６ｕ，１３６ｄ，２３６ｕ，２３６ｄ …引出しコイル
３８，３８ｕ，３８ｄ，１３８ｕ，１３８ｄ，２３８ｕ，２３８ｄ …キャンセルコイル

Claims (4)

1. 円環形の閉じ込め磁気面によってプラズマを閉じ込める装置を用いて電子線を発生する方法であって、
   前記閉じ込めたプラズマに誘導起電力による電圧を印加することによって円環を周回する電子を加速し、高エネルギの電子を発生させ、そして
   前記閉じ込め磁気面の一部を破って前記装置の外へ前記電子を引き出す、電子線発生方法。
2. 円環形の閉じ込め磁気面によって真空容器内にプラズマを閉じ込める装置、
   前記閉じ込めたプラズマを誘導起電力による電圧を印加するための誘導起電力発生手段、および
   前記閉じ込め磁気面の一部を破って前記真空容器の外へ前記電子を引き出す引出し手段を備える、電子線発生装置
3. 前記引出し手段は、前記真空容器から外に向かう磁力線を発生させるための第１磁力線発生手段を含む、請求項２記載の電子線発生装置。
4. 前記閉じ込め磁気面の形状を制御するための第２磁力線を発生する第２磁力線発生手段をさらに備える、請求項３記載の電子線発生装置。

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