JP3720968B2 - 電子ビーム冷却装置並びにそれを備えたイオン蓄積リング及びイオンシンクロトロン - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子ビーム冷却装置並びにそれを備えたイオン蓄積リング及びイオンシンクロトロンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の水冷式ソレノイドコイルを用いた電子ビーム冷却装置を図１６に一部切り欠いた正面図として示す。従来の電子ビーム冷却装置は入射側及び出射側の機器がイオンビーム軸９Ｘに対して、９０°上方を向いているか、斜め４５°上方を向いているかであり、図は後者の４５°傾斜角のものを示している。電子ビーム入射部１における電子銃２により生成された電子は、加速管３で加速されて所定の速度を持つ電子ビーム４となる。イオンとの相互作用をさせるイオンビーム軌道部分を含めて電子ビーム４を通す部分には、電子の電荷による発散を防ぐために、電子銃部ソレノイドコイル５によりソレノイド磁界が発生される。
【０００３】
電子ビーム４は入射側トロイド部６の入射側トロイドコイル７によって偏向され、セントラル部８において、イオンビーム９の中に入射されてイオンビーム９を冷却する。次いで、イオンビーム９を冷却した電子ビーム４は、出射側トロイド部１０の出射側トロイドコイル１１により再び偏向され、電子ビーム回収部１２において、減速管１３に導かれてエネルギーを減少させた後にコレクタ１４によって回収される。なお、セントラル部８には電子ビーム４をイオンビーム９に巻きつけるために、ソレノイドコイル１５が設けられている。電子ビーム４をイオンビーム９に入射する際は、電子ビーム４の運動量の広がりが小さいほど、イオンビーム９の運動量の広がりを小さくすることができることから、電子ビーム入射部１においては、電子ビーム４の運動量の広がりをできるだけ小さくすることが望まれる。
【０００４】
電子ビーム４を生成し運動量を与える電子銃２及び加速管３の部分において、電子銃部ソレノイドコイル５によるソレノイド磁界が加速方向と一致しなかったり変化したりすることは、電子に、進行方向に対して垂直な方向の運動量成分を発生させることになる。この運動量成分は電子の運動量の広がりを大きくすることから、電子銃２及び加速管３部においては、ソレノイド磁界に高い均一度が要求されるとともに、加速方向とソレノイド磁界の方向とを正確に一致させる必要がある。
【０００５】
電子銃部ソレノイドコイル５においては、入射側トロイドコイル７との接合部における磁界の急激な変化は電子の運動量の広がりをもたらすことから、入射側トロイドコイル７との接合部におけるソレノイド磁界の一様性が要求される。このソレノイド磁界の変化については、断熱パラメータと呼ばれる因子が１より十分に小さい必要がある。また、コイル内の磁界変化を小さくするために、ソレノイドコイル５及びトロイドコイル７は巻線が連続するように構成されている必要がある。
【０００６】
電子銃部ソレノイドコイル５は、イオンビーム軌道に不正な磁界を発生させないようにするため磁性体からなる磁気シールド１６で覆われている。磁界を加速管３から入射側トロイドコイル７までの間で減少させて断熱膨張させることにより、さらに電子ビーム運動量の広がりを小さくし得ることが知られている。この場合のソレノイド磁界の変化も断熱パラメータが１より十分小さいことが必要である。なお、断熱膨張効率は磁界の大きさの変化量の大きい方が高い。
【０００７】
しかしながら、電子の発散を防ぐためには電子ビーム軌道中に最低数百ガウスのソレノイド磁界が必要であり、磁界の大きさの変化量を大きくするためには加速管３の磁界を大きくする必要がある。このためには、水冷ソレノイドコイルを使用したものではコイル形状が大きくなってしまうことから、この対策として超電導ソレノイドコイルの導入が考えられる。超電導ソレノイドコイルの例としては、均一磁界が必要で漏洩磁界を小さくした、磁気共鳴現象を用いた磁気共鳴撮像（以下、「ＭＲＩ」と称する）用超電導磁石が知られている。
【０００８】
このＭＲＩ用超電導磁石は、同軸上に配置された複数の超電導コイルと、この超電導コイルの中心に対して同心的に配置されている磁気シールドとから構成されている。磁気シールド及び超電導コイルは磁界の高均一度を得るために、超電導コイルの中心に対して対称な形状をしている。磁気シールドの円筒部には、これを支える磁気シールド脚が設けられている。
【０００９】
さらに、超電導コイルを囲んでそれを冷却するための超電導クライオスタットには、その重量を支えるクライオスタット脚が設けられることから、磁気シールドの円筒部には、クライオスタット脚が貫通するクライオスタット脚用穴や、別途、冷媒と電流の供給ポートを貫通させることから、供給ポート用穴や、輻射シールド用の冷凍機ポート等が設けられる。
【００１０】
上述の電子ビーム冷却装置自体の性能とは別に、電子ビーム冷却装置の設置を考える通常のイオン蓄積リングあるいはイオンシンクロトロンでは、イオンビーム９の軌道補正用として、水平方向及び垂直方向のステアリング電磁石がリング全体にわたって４極電磁石の前後に設けられる。したがって、電子ビ一ム冷却装置を設置する部位の前後にも上述のステアリング電磁石が設けられている。
【００１１】
従来は入射側トロイドコイル７及び出射側トロイドコイル１１による電子ビーム４の偏向が垂直面内で行われていたので、トロイドコイル１１によるイオンビーム９の偏向は水平成分が大きかった。通常の加速器のビームパイプは水平方向に広く垂直方向に狭い形状をしていて、トロイドコイルの磁場による水平方向の偏向はビームパイプの大きさで十分に足りた。したがって、イオンビーム７のトロイドコイルの磁場による偏向は、出射側にあるステアリング電磁石を一部用いて正規のビーム軌道に戻していた。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
電子ビーム入射部において、電子銃部ソレノイドコイルに超電導ソレノイドコイルを用いることは、加速管の磁界を高くしてソレノイド磁界の大きさの変化を大きくし、より運動量の広がりの小さい電子ビーム冷却装置を構成することの可能性につながる。
【００１３】
しかしながら、ソレノイドコイルを超電導状態にするためには、コイル自体を極低温に冷却する必要がある。通常、極低温に冷却するためには、液体ヘリウム等の冷媒を利用するか、極低温冷凍機を使うこと等が考えられる。
【００１４】
電子ビーム冷却装置において、ＭＲＩ用超電導電磁石等に比較し、コイル径が小さいとともに、電子ビームによるイオンの冷却効率を上げるためには、ＭＲＩと同等以上の磁場均一度が要求される。この要求を満たすためには超電導クライオスタットにおける各ポート用の穴がコイル径に対して相対的に大きくなり、それにより磁気シールドの円筒部にあけられる穴も同様に大きくなることから、この磁気シールドの円筒にあけられた穴によってソレノイド磁界が乱され、電子ビームの運動量の広がりが増加するという問題があった。
【００１５】
さらに、電子銃部ソレノイドコイルと電子回収側のソレノイドコイルを横向きにしたとき、イオンビームの偏向によりビームが上下方向に大きく偏向させられることになり、既存形状のビームパイプ等ではビームが壁に突き当たることになり、ビームパイプを改造する必要があった。
【００１６】
したがって本発明の目的は、設置スペースに制約されることなく、イオンビームの広がりを小さくするとともに、イオンリングに設けるステアリング電磁石を小さくし、特殊形状のビームパイプを不要にすることのできる電子ビーム冷却装置並びにそれを備えたイオン蓄積リング及びイオンシンクロトロンを提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため請求項１に係る発明は、超電導ソレノイドコイルを含む電子銃及び加速管を含んで構成され、均一速度の電子ビームをイオンリングに入射する電子ビーム入射部と、イオンリングに入射しイオンリングから出射するために電子ビームを曲げるトロイド部と、電子ビームとイオンビームを平行して通過させ、イオンビームを冷却するセントラル部と、電子ビームを回収する電子ビーム回収部とを備えた電子ビーム冷却装置において、冷媒を貯溜する冷媒槽と、超電導ソレノイドコイルを冷媒槽からの接触伝熱によって冷却する接触伝熱手段とを設けたことを特徴とする。
【００１８】
超電導ソレノイドコイルの外側には、磁界の対称性を保持するとともに、周辺機器、とくにイオンビームに磁界の影響を与えないために、磁気シールドが軸対称になるように配置されている。この磁気シールドは磁界の均一性と、漏洩磁界の影響を受けない、超電導コイルのフィードスルー側（電子銃から見て、電子を送り出す方向の反射側）で開口構造をとっている。超電導コイルヘの電流導入、超電導状態へのコイルの冷却、及びクライオスタットの真空排気は、すべてこの部分を使用している。液体ヘリウム等の冷媒槽は超電導コイル用クライオスタットのフィードスルー側に設けられ、良伝熱体を用いて冷媒槽とコイルを接続し、接触伝熱によってコイルを超電導状態に冷却する。
【００１９】
したがって、磁気シールドの回転対称が保持されて電子銃及び加速管部での不正磁界の発生が抑制される。一方、冷媒槽は超電導コイルのクライオスタットの磁気シールドの存在しない側に設けられ、接触伝熱により冷却されるので、冷媒槽の向きに制約されずに、超電導コイルの向きに自在に決定することができる。これにより、電子ビーム入射部と電子ビーム回収部の向きを、従来から用いられている垂直方向に９０°立てる方向や、４５°斜め上方に立てる方向以外にも、真横に置く方向等の種々の方向にすることができる。
【００２０】
請求項２に係る発明は、超電導ソレノイドコイルを含む電子銃及び加速管を含んで構成され、均一速度の電子ビームをイオンリングに入射する電子ビーム入射部と、イオンリングに入射しイオンリングから出射するために電子ビームを曲げるトロイド部と、電子ビームとイオンビームを平行して通過させ、イオンビームを冷却するセントラル部と、電子ビームを回収する電子ビーム回収部とを備えた電子ビーム冷却装置において、冷凍機と、超電導ソレノイドコイルを冷凍機からの接触伝熱によって冷却する接触伝熱手段とを設けるとともに、超電導ソレノイドコイルのための断熱容器と冷凍機のための断熱容器とを別構造として１つの真空容器内に納めたことを特徴とする。
【００２１】
ここでは、液体ヘリウム等の冷媒を用いる代わりに、汎用の極低温の冷凍機を用いるため、冷媒槽より小さい容器によって構成できるとともに、電子ビーム冷却装置の運転に必要だった高価な冷媒の購入と保管が不要になり、運転コストと設備費用を大幅に削減することができる。したがって、請求項２に係る発明によれば、請求項１に係る発明の効果がそのまま得られるとともに、低コストで、コンパクトな構造を得ることができる。
【００２２】
請求項３に係る発明は、請求項１に記載の電子ビーム冷却装置において、冷媒槽と超電導ソレノイドコイルとの間に冷媒移送管及び排出管を設け、超電導ソレノイドコイルを冷媒により直接冷却するとともに、超電導ソレノイドコイルのための断熱容器と冷媒槽のための断熱容器とを別構造として１つの真空容器内に納めたことを特徴とする。
【００２３】
これによって、超電導コイルに冷媒を直接注入するので、冷媒槽からコイルへの複雑な伝熱系を簡素にすることができる。また、超電導部分を直接冷却するので、たとえ輻射や伝熱等による侵入熱が冷凍機等による接触伝熱より多くても冷却可能であり、その結果、クライオスタットの構造も強固に、かつ簡単化することができる。
【００２４】
したがって、請求項１に係る発明の効果がそのまま得られるとともに、冷媒槽を備えている関係で大型にはなるが、構造が単純で、強度的にも優れた構造を得ることができる。
【００２５】
請求項４に係る発明は、請求項１に記載の電子ビーム冷却装置において、超電導ソレノイドコイルのための真空容器と冷媒槽とを別構造とし、超電導ソレノイドコイルのための真空容器と冷媒槽との間を、伝熱部を有する接続管を介して接続し、冷媒槽と超電導ソレノイドコイルとの間を、伝熱部を介して伝熱することを特徴とする。
【００２６】
これによって、超電導コイルの向きと位置にかかわらず、磁気シールドの対称性を損なわないで、また、コイル用の電流導入端子や真空引きポート、予冷ポートとの干渉を避けて、冷媒槽を自在の位置に設けることができる。
【００２７】
請求項５に係る発明は、請求項２に記載の電子ビーム冷却装置において、超電導ソレノイドコイルのための真空容器と冷凍機のための真空容器とを別構造とし、超電導ソレノイドコイルのための真空容器と冷凍機のための真空容器との間を、伝熱部を有する接続管を介して接続し、冷凍機と超電導ソレノイドコイルとの間を、伝熱部を介して伝熱することを特徴とする。
【００２８】
これによって、液体ヘリウム等の冷媒の代わりに、汎用の極低温の冷凍機を用いるため、冷媒槽より小さい容器で構成できるとともに、電子ビーム冷却装置の運転に必要だった高価な冷媒の購入と保管が不要になり、運転コスト及び設備費用を大幅に削減することができる。
【００２９】
したがって、請求項４に係る発明の効果がそのまま得られるとともに、低コストで、コンパクトな構造を得ることができる。
【００３０】
請求項６に係る発明は、請求項３に記載の電子ビーム冷却装置において、超電導ソレノイドコイルのための真空容器と冷媒槽とを別構造とし、超電導ソレノイドコイルのための真空容器と冷媒槽との間を、内部に冷媒移送管及び排出管を有する接続管を介して接続し、冷媒槽から冷媒移送管を介して超電導ソレノイドコイルへ冷媒を供給し、超電導ソレノイドコイルで気化した溶媒を排出管を介して冷媒槽へ回収することを特徴とする。
【００３１】
これによって、超電導コイルに液体ヘリウム等の冷媒を直接、注入するので、冷媒槽からコイルへの複雑な伝熱系を簡素にすることができる。また、超電導部分を直接冷却するので、輻射や伝導による侵入熱が冷凍機等による接触伝熱よりは多くても冷却できるので、クライオスタットの構造も強固で、簡単化することができる。
【００３２】
したがって、請求項３に係る発明の効果がそのまま得られるとともに、構造が単純で、強度的にも優れた構造を得ることができる。
【００３３】
請求項７に係る発明は、請求項４ないし６のいずれかに記載の電子ビーム冷却装置において、接続管に可撓性部を設けたことを特徴とする。
【００３４】
超電導コイルの冷却の際に冷凍機を用いた場合は、冷凍機の振動が、また、冷媒を用いた場合は、冷媒供給ラインにポンプがあるときに、ポンプの振動又は冷媒流の脈動が、真空容器から接続管を通ってコイルに伝えられる。コイル又はコイル部分の真空容器の振動はソレノイド磁場の振動をもたらし、電子ビームに悪影響を与える。そこで、接続管に可撓性部を設けることによって、冷凍機又はポンプの振動を、コイルから切り離すことができる。なお、ここで、接続管の内部にある極低温を伝える良伝熱体、又は、冷媒供給配管及び輻射熱シールドは、接続管と同様に、熱膨張差や振動等を考慮して可撓性部を介して接続される。
【００３５】
これによって、安定したソレノイド磁場を電子ビーム冷却装置に供給することができ、イオンビームの冷却効率を向上させることができる。
【００３６】
請求項８に係る発明は、請求項４ないし６のいずれかに記載の電子ビーム冷却装置において、接続管にフランジ部を介在させたことを特徴とする。
【００３７】
冷凍機又は冷媒槽の真空容器と超電導コイルの真空容器を連通する接続管にフランジ部を設け、接続管内部の極低温を伝える良伝熱体、又は、冷媒供給配管と排出管、及び輻射熱シールドにも接続部を設けることによって、個々の真空容器のメンテナンスを容易にすることができる。したがって、冷凍機のメンテナンス等の定期点検の必要とする部分の点検及び交換を容易にすることができる。
【００３８】
請求項９に係る発明は、請求項１に記載の電子ビーム冷却装置において、電子ビーム回収部に含まれるソレノイドコイルとして、電子銃に含まれる超電導ソレノイドコイルと同一構造の超電導ソレノイドコイルを設けたことを特徴とする。
セントラル部と出射側ト口イド部を通過した電子ビームは、イオンビームとの相互作用及びトロイド部の磁場の影響を受けて、回収部では電子ビームが発散している。そのため、通常のソレノイド磁場では電子ビームが回収しきれないおそれがある。そこで、電子ビーム回収部のソレノイドコイルを、通常の常電導コイルの代わりに、超電導コイルにすることによって、ソレノイド磁場強度を大きくし、発散した電子ビームを集束させることができる。これによって、電子ビーム回収部に内蔵される減速管と電子ビーム回収部をコンパクトに構成することができる。
【００３９】
請求項１０に係る発明は、請求項１ないし９のいずれかに記載の電子ビーム冷却装置において、入射側トロイド部の上流側及び出射側トロイド部の下流側のイオンのビームラインに、それぞれイオンビーム偏向用の補正コイルを設けたことを特徴とする。
【００４０】
電子ビーム冷却装置の上流側の補正コイルは、電子ビーム冷却装置に入るイオンビームがトロイドコイルの磁場によって偏向させられるために、セントラル部においてイオンビームと電子ビームとが平行になるように、電子ビーム冷却装置の上流で、あらかじめイオンビームを偏向させて、入射側トロイド磁場によって電子ビームと平行になるように調整する目的で設けられる。電子ビーム冷却装置の下流には、出射側トロイド磁場によって、偏向させられたイオンビームを正規のイオンビーム軌道に戻すために、上流側とは別の補正コイルが設けられる。
【００４１】
これにより、電子ビーム冷却装置のセントラル部において、イオンビームと電子ビームとが平行に相互作用を受けることになり、イオンビームの冷却効率を向上させることができる。
【００４２】
請求項１１に係る発明は、請求項１ないし９のいずれかに記載の電子ビーム冷却装置において、入射側トロイド部及び出射側トロイド部にそれぞれイオンビーム偏向用の補正コイルを内蔵したことを特徴とする。
【００４３】
これにより、トロイドコイルによるイオンビームの偏向角度を小さくすることができ、請求項１０に係る偏向用の補正コイルの磁場を下げ、あるいは、補正コイルの数を減らすことができる。
【００４４】
請求項１２に係る発明は、請求項１ないし１１のいずれかに記載の電子ビーム冷却装置において、イオンのビームラインに設けられている補正用のステアリング電磁石を偏向させられたイオンビームの補正用に使用することを特徴とする。
通常のイオンリングでは、イオンビームの軌道補正用として、水平方向と垂直方向のステアリング電磁石が４極電磁石の前後に設けられる。請求項１２に係る発明では、請求項１０に係る発明の補正コイルの新設の代わりに、同じ目的で既存のステアリング電磁石を使用する。これにより、電子ビーム冷却装置の設置による補正コイルの数を減らすことができるか、あるいは補正コイルの仕様を容易にすることができる。
【００４５】
請求項１３に係る発明は、請求項１ないし１２のいずれかに記載の電子ビーム冷却装置において、入射側トロイドコイル、セントラル部ソレノイドコイル、及び出射側トロイドコイルを、それらの磁場中心軸を電子ビーム冷却手段のない時のイオンビーム軸に対して傾斜させるか、又は偏芯させるかして配置したことを特徴とする。
【００４６】
イオンビームは電子ビーム冷却装置のトロイドコイルにより偏向させられる。イオンビームの電子ビーム冷却装置のないときのイオンビーム軸に対する偏向は、電子ビーム冷却装置の前後に補正コイルを配置することによって補正している。しかしながら、トロイドコイルの磁場が強くなると、偏向角が大きくなり、その分補正コイルの磁場も大きくなる。したがって、セントラル部におけるイオンビームを電子ビーム冷却装置のないときのイオンビーム軸に一致させるためには、補正コイルの数と配置、磁場の強さを調整しなければならなく、イオンビームもセントラル部以外ではかなりビーム軸からずれてしまう場合もある。
【００４７】
そこで、入射側トロイドコイルとセントラル部ソレノイドコイルと出射側トロイドコイルの磁場中心軸を、電子ビーム冷却装置のないときのイオンビーム軸に対して、傾斜させるか又は偏芯させることによって、トロイドコイル及び補正コイルによって、電子ビーム冷却装置のないときのイオンビーム軸に対して、はずれたイオンビームを、元の軸に戻さないで、電子ビーム冷却装置の電子ビームのビーム軸を、イオンビームに合わせて設置することができる。
【００４８】
これにより、補正コイルの大きさを小さくすることができるとともに、補正コイルを調整することによって、イオンビームのずれ幅を小さくして、イオンビーム用の真空ダクトを、リングの他の部分と同じ形状に保つことができる。
【００４９】
請求項１４に係る発明は、請求項１ないし１３のいずれかに記載の電子ビーム冷却装置において、入射側トロイドコイル、セントラル部ソレノイドコイル、及び出射側トロイドコイルをそれぞれに内蔵する真空容器全体を、電子ビーム冷却手段のない時のイオンビーム軸に対して傾斜させるか偏芯させるかして配置したことを特徴とする。
【００５０】
請求項１３に係る発明においては、入射側トロイドコイルとセントラル部ソレノイドコイルと出射側トロイドコイルの磁場中心のみを傾斜させるか偏芯させていた。したがって、電子ビーム冷却装置のないときのイオンビーム軸に対して平行に組み立てられる真空容器に対して、コイルの角度決めや中心軸の偏芯をするのが難しく、組立性に難点があった。
【００５１】
しかるに請求項１４に係る発明によれば、真空容器側にあらかじめ角度をつけておくか偏芯させておくので、コイルは真空容器を芯として組立作業をすることができる。これにより、請求項１２で係る発明で問題となりうる組立性を容易にすることができる。
【００５２】
請求項１５に係る発明は、請求項１ないし１４のいずれかに記載の電子ビーム冷却装置において、出射側トロイドコイルの磁場強度を、トロイドコイルによるイオンビームの偏向角度に応じて、入射側トロイドコイルの磁場強度に比べて、１００％未満から７０％程度まで低下させたことを特徴とする。
【００５３】
従来の電子ビーム冷却装置では、トロイドコイルの磁場は電子の発散防止及び集束の意味で、断熱膨張後の電子銃部ソレノイドコイル、セントラル部ソレノイドコイル、及び電子ビーム回収部ソレノイドコイルの磁場と同一にしていた。入射側のトロイドコイルは冷却前なので、電子ビームの特性を低下させないために、電子ビーム入射部のソレノイドコイルとセントラル部のソレノイドコイルの磁場と整合性をとる必要がある。出射側のトロイドコイルは電子ビーム回収部で電子が回収できるかぎり、磁場強度を低下させることが可能である。ここで、出射トロイドコイルの磁場を入射トロイドコイルの磁場の７０％より下げると、電子ビームのサイズが１．２倍以上になり、下流のソレノイドコイルでは電子を集束しきれなくなって、電子ビームが発散するか、又は真空容器に当たってしまい、電子ビーム回収部での回収が不能になる。
【００５４】
そこで、出射トロイドコイルの磁場を入射トロイドコイルの磁場の１００％から７０％を限度に低下させることによって、トロイドコイルによるイオンビームの影響を減少させるとともに、トロイドで発散傾向にある電子ビームを電子ビーム回収部ソレノイドコイルの磁場を調整することによって、コレクタに回収することができる。出射トロイドコイルの磁場の値は、補正コイルによるイオンビームの偏向調整と、電子ビーム回収部ソレノイドコイルの磁場の調整との関係において、１００％から７０％の間で、機器性能上及びコスト上の観点から、最適な値に選択すればよい。
【００５５】
これにより、トロイドコイルによるイオンビームの偏向角度を小さくし、電子ビーム冷却装置の下流側の補正コイルの負担を減少させることができる。
【００５６】
請求項１６に係る発明は、請求項１ないし１５のいずれかに記載の電子ビーム冷却装置において、セントラル部に、イオンビームの位置を検出し、その検出結果に従ってイオンリング全体のビームの閉軌道の歪みを補正するための電極を内蔵したことを特徴とする。
【００５７】
電子ビーム冷却装置のセントラル部には、電子ビームとイオンビームの位置を検出するための電極が設けられる。通常のイオンリングにはイオンビームの軌道を確認するために、ある間隔で，電極が設けられており、その検出情報を用いてステアリング電磁石を調整し、イオンビームの閉軌道の歪みを補正する。
【００５８】
本発明では電子ビーム冷却装置の内部にある電極からのイオンビーム軌道についての情報をも軌道補正に利用することによって、軌道補正の精度を上げることができるか、又は、イオンリング内の電極を減らすことができる。
【００５９】
請求項１７に係る発明は、請求項１ないし１６のいずれかに記載の電子ビーム冷却装置において、イオンビームを冷却することによってイオンリングのビーム入射時のエネルギーにおけるイオンビームのエミッタンス（放射力）を小さくすることを特徴とする。
【００６０】
イオンリングに設けられる電子ビーム冷却装置は、周回しているイオンビームの運動量の広がりを減少させることを目的としている。電子銃で生成された低温電子ビームは断熱膨張法によって極低温化され、イオンの周回ビームと精密に合流させることによって、イオンビームの運動量の減少に加えて、位相空間内でのビームの広がりを表すエミッタンスを縮小することができる。
【００６１】
これにより、ビームの広がりを小さくして、入射・加速の効率を大幅に改善できると同時に、冷却蓄積法を用いて蓄積ビーム強度を大きくすることができ、２次ビームを用いた診断・治療を初めとする高精度重粒子線治療や物理実験に貢献させることができる。
【００６２】
請求項１８に係る発明は、請求項１ないし１６のいずれかに記載の電子ビーム冷却装置において、イオンビームを冷却することによってイオンリングのビームフラットトップの最大エネルギーにおけるイオンビームのエミッタンスを小さくすることを特徴とする。
【００６３】
これにより、請求項１８に係る発明と同様に、冷却蓄積法を用いて蓄積ビーム強度を大きくすることができ、２次ビームを用いた診断・治療を初めとする高精度重粒子線治療や物理実験に貢献させることができる。
【００６４】
請求項１９に係る発明は、請求項１ないし１８のいずれかに記載の電子ビーム冷却装置を備えたイオン蓄積リングに関するものである。
【００６５】
請求項２０係る発明は、請求項１ないし１８のいずれかに記載の電子ビーム冷却装置を備えたイオンシンクロトロンに関するものである。
【００６６】
請求項１９又は２０に係る発明によれば、イオン蓄積リング又はイオンシンクロトロンのビームの運動量の広がりを減少させ、また、エミッタンスを縮小させることによって、入射・加速の効率を大幅に改善できると同時に、冷却蓄積法を用いて蓄積ビーム強度を大きくすることができ、２次ビームを用いた診断・治療を初めとする高精度重粒子線治療や物理実験に貢献させることができる。
【００６７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、本発明の実施の形態を示す図１〜図１５において上記した従来技術と同じ構成部分については、同一符号を付して重複する説明を省略する。
【００６８】
（実施の形態１）
図１は本発明の第１の実施の形態による電子ビーム冷却装置の縦断面を示すものである。電子ビーム入射部１において真空容器内の電子銃２及び加速管３の周囲に超電導ソレノイドコイル１７及び磁気シールド１６が配置されている。磁気シールド１６の対称性が損なわれないように、磁気シールド１６の外側の、磁場の対称性が損なわれることが許容できる電子ビーム入射部１のフィードスルー１８側（電子銃２から見て電子ビーム４を送り出す方向の反対側）に、極低温冷熱発生源の冷媒槽１９、電流供給ポート２０、真空排気ポート２１、及び予冷ポート２２を備えた超電導クライオスタット２３が配置されている。超電導ソレノイドコイル１７は、極低温に維持するために、超電導クライオスタット２３の中に配置されている。
【００６９】
超電導クライオスタット２３の内部には、超電導ソレノイドコイル１７を囲んで、大気（室温雰囲気）と極低温雰囲気との間の断熱のために４０Ｋの輻射熱シールド２４が配設されている。図１の装置では、超電導クライオスタット２３の上部に、はみ出した形で極低温冷熱発生源である冷媒槽１９が設けられており、その中に液体ヘリウム等の冷媒を貯溜している。冷媒槽１９の外側には超電導ソレノイドコイル１７用の輻射熱シールド２４とは別の輻射熱シールド２５が設けられている。この実施の形態１では、超電導クライオスタット２３は１つの真空容器の構造として、超電導ソレノイドコイル１７及び冷媒槽１９を内蔵している。
【００７０】
冷媒槽１９と超電導ソレノイドコイル１７との間では、高純度の銅やアルミニウム等からなる良熱伝導体２６を介して、超電導ソレノイドコイル１７を超電導状態に保持する極低温状態が冷媒槽１９から超電導ソレノイドコイル１７に伝導される。このようにして超電導クライオスタット２３とその外側の磁気シールド１６の対称性を損なうことなく、冷媒槽１９及び良熱伝導体２６を配置することができる。
【００７１】
この実施の形態によれば、冷媒槽１９を磁気シールド１６の外側に配置するので、磁気シールド１６の回転対称性が保持されて電子銃２及び加速管３の部分での不正磁界の発生を抑制し、運動量の広がりの小さい電子ビームを得ることができ、イオンビームの冷却効率を向上させることができる。一方、冷媒槽１９は超電導ソレノイドコイル１７を覆う磁気シールド１６の配置されていない側に設けられ、接触伝熱により冷却されるので、冷媒槽１９の向きに制約されずに、超電導ソレノイドコイル１７の向きを自在に決定することができる。これにより、電子ビーム入射部１及び電子ビーム回収部１２の向きを、従来から用いられている図に示すような垂直方向に９０°立てる方向や、図１６の従来装置で説明した約４５°斜め上方に立てる方向以外にも、真横に９０°又はその他の角度に設置する等、種々の方向にすることができる。
【００７２】
（実施の形態２）
図２は第２の実施の形態による電子ビーム冷却装置を示すものである。この実施の形態では、極低温の冷熱発生源を冷媒槽１９（図１）の代わりに、汎用の極低温冷凍機２７を用いる。極低温冷凍機２７及び超電導ソレノイドコイル１７の間は高純度の銅やアルミニウム等からなる良熱伝導体２６を介して、超電導ソレノイドコイル１７を超電導状態に保持する極低温状態を極低温冷凍機２７から超電導ソレノイドコイル１７に伝える。
【００７３】
超電導ソレノイドコイル１７とそのための輻射熱シールド２４と、極低温冷凍機２７とそのための輻射熱シールド２５とを別構造として、１つの真空容器である超電導クライオスタット２３内に納めることによって、磁気シールド１６における回転対称性を維持したまま、超電導ソレノイドコイル１７の向きにかかわらず極低温冷凍機２７を所定の向きに配置することができる。
【００７４】
極低温冷凍機２７を使用することにより、高価で、取扱や、保管、廃棄等に注意を要するヘリウム等の冷媒を用いることなく、超電導ソレノイドコイル１７を極低温の超電導状態に冷却することができる。
【００７５】
この実施の形態によれば、第１の実施の形態の効果を奏する上に、さらに特別の冷媒を用いないので、外部に大型の冷凍機や冷媒貯溜槽を設けることなく、電子ビーム冷却装置をコンパクトに製作することができる。
【００７６】
（実施の形態３）
図３及び図４は第３の実施の形態による電子ビーム冷却装置の縦断面図及び要部拡大図である。この実施の形態では、極低温発生源を、第１の実施の形態と同様に液体ヘリウム等の冷媒を冷媒槽１９にするとともに、冷媒槽１９と超電導ソレノイドコイル１７との間に冷媒移送管２８と排出管２９を設けて、冷媒により超電導ソレノイドコイル１７を直接冷却するとともに、超電導ソレノイドコイル部輻射熱シールド２４と冷媒槽の輻射熱シールド２５を別構造として１つの真空容器である超電導クライオスタット２３内に納めている。これによって、磁気シールド１６における回転対称性を維持したまま、超電導ソレノイドコイル１７の向きにかかわらず冷媒槽１９を所定の向きに形成することができる。
【００７７】
この実施の形態では、液体ヘリウム等の冷媒で直接、超電導ソレノイドコイル１７を冷却するので、冷媒槽１９や第２の実施の形態の場合の極低温冷凍機２７からの複雑な伝熱系を簡素化することができる。また、超電導部分を直接冷却するので、輻射や伝熱等による侵入熱が冷凍機等による接触伝熱より多くても所期の冷却機能を達成することができ、その結果、超電導クライオスタット２３の構造も強固に、かつ簡単化することができる。
【００７８】
この実施の形態によれば、第１の実施の形態の効果を得ることができるとともに、冷媒槽１９を備えている関係上、超電導クライオスタット２３がやや大きくなるが、単純構造で、強度的にも優れた冷却装置を構成することができる。
【００７９】
（実施の形態４）
図５及び図６は第４の実施の形態による電子ビーム冷却装置の縦断面図及び要部拡大図である。この実施の形態では、電子銃部の超電導ソレノイドコイル１７において、超電導ソレノイドコイル１７を覆う超電導クライオスタット３０と冷媒槽１９を覆うクライオスタット３１を別構造とし、超電導ソレノイドコイル部超電導クライオスタット３０と冷媒槽部クライオスタット３１との間を、伝熱部を有する接続管３２を介して接続し、冷媒槽１９と超電導ソレノイドコイル１７との間を伝熱する。さらに、接続管３２に可撓性部３３及びフランジ部３４を設ける。超電導ソレノイドコイル部クライオスタット３０と冷媒槽部クライオスタット３１を形成する真空容器を別構造にすることにより、その間の極低温の伝導を、接続管３２の中に設けた良熱伝導体２６（図１，２参照）を通して行う。
【００８０】
これにより、超電導ソレノイドコイル１７の冷却の際、冷媒槽１９を用い、その冷媒槽１９に冷媒供給用のポンプ等を備え付けた場合にポンプの振動又は冷媒流の脈動を、接続管３２に可撓性部３３を設けることによって、超電導クライオスタット３０から切り離すことができる。なお、接続管３２内に配設される、良熱伝導体２６及び輻射熱シールド３５は、接続管３２と同様に、熱膨張差や振動等を考慮して、可撓性部を介して接続するのがよい。
【００８１】
さらに、冷媒槽部クライオスタット３１と超電導ソレノイドコイル１７部分の超電導クライオスタット３０を接続する接続管３２にフランジ部３４を設け、接続管３２内部の極低温を伝える良熱伝導体２６及び輻射熱シールド３５にも接続部を設けることによって、個々のクライオスタットのメンテナンスを容易にすることができる。
【００８２】
この実施の形態によれば、第２の実施の形態の効果を奏する上に、超電導ソレノイドコイル１７の向きと位置にかかわらず、磁気シールド１６の対称性を損なうことなく、また、コイル用の電流供給ポート２０や真空引きポート２１、予冷ポート２２との干渉を避けながら、冷媒槽１９を自在の位置に配設することができる。さらに、振動等の影響を受けない安定したソレノイド磁場を電子ビーム冷却装置に供給することができ、イオンビームの冷却効率を向上させることができる。また、冷媒槽１９のメンテナンス等の定期点検を必要とする部分の点検及び交換の作業を容易にすることができる。
【００８３】
（実施の形態５）
図７及び図８は第５の実施の形態による電子ビーム冷却装置の断面を示すものである。この実施の形態にあっては、超電導ソレノイドコイル１７を覆う超電導クライオスタット３０と極低温冷凍機２７を覆うクライオスタット３６とを別構造とし、超電導ソレノイドコイル部クライオスタット３０と冷凍機部クライオスタット３６との間に、伝熱部を有する接続管３２を設けて、極低温冷凍機２７と超電導ソレノイドコイル１７との間を伝熱する。さらに、接続管３２に可撓性部３３及びフランジ部３４を設けている。
【００８４】
超電導ソレノイドコイル部クライオスタット３０と冷凍機部クライオスタット３６を形成する真空容器を別構造にしているため、その間の極低温の伝導を、接続管３２の中に設けられた良熱伝導体２６を通して行う。超電導ソレノイドコイル部クライオスタット３０と冷凍機部クライオスタット３６を形成する真空容器を別構造にしているため、その間の極低温状態の伝導を、接続管３２の中に設けた良熱伝導体２６を通して行う。
【００８５】
これにより、超電導ソレノイドコイル１７の冷却の際に、極低温冷凍機２７を用いた場合、極低温冷凍機２７の振動を、接続管３２に可撓性部３３を設けることによって、超電導ソレノイドコイル１７から切り離すことができる。なお、ここで、接続管３２の内部にある極低温状態を伝える良熱伝導体２６及び輻射熱シールド３５は、接続管３２と同様に、熱膨張差や振動等を考慮して、可撓性部を介して接続される。また、冷凍機部クライオスタット３６と超電導ソレノイドコイル部クライオスタット３０を接続する接続管３２にフランジを設け、接続管内部の極低温を伝える良熱伝導体２６及び輻射熱シールド３５にも接続部を設けることによって、個々のクライオスタットのメンテナンスを容易にすることができる。
【００８６】
この実施の形態によれば、第２の実施の形態及び第４の実施の形態の効果を同時に奏することができる。また、極低温冷凍機２７のメンテナンス等の定期点検の必要とする部分の点検及び交換を容易にすることができる。
【００８７】
（実施の形態６）
図９及び図１０は第６の実施の形態による電子ビーム冷却装置の断面を示すものである。この実施の形態では、超電導ソレノイドコイル１７を覆う超電導クライオスタット３０と冷媒槽１９を覆うクライオスタット３１を別構造とし、超電導ソレノイドコイル部超電導クライオスタット３０と冷媒槽部クライオスタット３１との間を、伝熱部を有する接続管３２を介して接続し、冷媒槽１９と超電導ソレノイドコイル１７との間を接続管３２を介して伝熱する。また、接続管３２に可撓性部３３及びフランジ部３４を設ける。
【００８８】
ここでは超電導ソレノイドコイル部クライオスタット３０と冷媒槽部クライオスタット３１を形成する真空容器を別構造にしているため、その間の冷媒の移送を、接続管３２の中に設けた冷媒移送管２８と排出管２９を通して行う。
【００８９】
これにより、超電導ソレノイドコイル１７の冷却の際に冷媒槽１９を用い、その冷媒槽１９に冷媒供給用のポンブ等を備え付けた場合、ポンプの振動又は冷媒流の脈動を、接続管３２に可撓性部３３を設けることによって、超電導クライオスタット３０から切り離すことができる。なお、ここで、接続管３２の内部にある冷媒を流すための冷媒移送管２８と排出管２９及び輻射熱シールド３５は、接続管３２と同様に、熱膨張差や振動等を考慮し、可撓性部を介して接続する。
【００９０】
冷媒槽部クライオスタット３１と超電導ソレノイドコイル１７部分の超電導クライオスタット３０を接続する接続管にフランジ部３４を設け、接続管３２内部の冷媒を輸送する冷媒移送管２８と排出管２９及び輻射熱シールド３５にも接続部を設けることにより、個々のクライオスタットのメンテナンスを容易にすることができる。
【００９１】
この実施の形態によれば、第３の実施の形態（図３及び図４）及び第４の実施の形態（図５及び図６）の効果を同時に奏することができる。
【００９２】
なお、第４ないし第６の実施の形態はそれぞれ単独に、あるいは複数を組合せて実施することもできる。
【００９３】
（実施の形態７）
図１１は第７の実施の形態による電子ビーム冷却装置の縦断面を示すものである。この実施の形態においては、電子ビーム４を回収する電子ビーム回収部１２を構成するソレノイドコイルに、請求項２、５、７及び８に係る発明の実施の形態と同一構成の超電導ソレノイドコイル３７を使用する。
【００９４】
これにより、電子ビーム回収部１２におけるソレノイド磁場強度を強くし、発散した電子ビーム４を集束し、減速管１３やコレクタ１４を従来のものよりも大きくすることなく、電子ビーム４を良好に回収することができる。
【００９５】
この実施の形態によれば、電子ビーム回収部１２に内蔵される減速管１３と電子ビーム回収部１２をコンパクトに構成することができるとともに、超電導ソレノイドコイル３７を覆う磁気シールド３８の効果によって、コレクタ１４部で電子ビーム４を回収する時に発生する放射線の外部への漏れを抑制することができる。
【００９６】
なお、電子ビーム回収部１２を構成するソレノイドコイル３７において、請求項１ないし８のいずれかを、単独にあるいは複数組み合わせて構成した超電導ソレノイドコイルを備えた電子ビーム冷却装置もこの実施の形態に含まれる。
【００９７】
（実施の形態８）
図１２は第８の実施の形態による電子ビーム冷却装置の前後のイオンリングの配置図を示すものである。この実施の形態は、イオンビーム偏向用の補正コイル３９を、入射側トロイド部６の上流側と、出射側トロイド部１０の下流側のイオンのビームライン上に設けたことを特徴とするものである。
【００９８】
電子ビーム冷却装置の上流側の補正コイル３９は、電子ビーム冷却装置に入るイオンビーム９が入射側トロイド部６の磁場によって偏向させられるため、セントラル部８においてイオンビーム９と電子ビーム４とが平行になるように、電子ビーム冷却装置の上流で、あらかじめイオンビーム９を偏向させて、入射側トロイド部６の磁場によって電子ビーム４と平行になるように調整する目的で設けられる。電子ビーム冷却装置の下流には、出射側トロイド部１０の磁場によって偏向させられたイオンビーム９を正規のイオンビーム軌道に戻すために、上流側とは別の補正コイル３９が設置されている。
【００９９】
これにより、電子ビーム冷却装置のセントラル部８において、イオンビーム９と電子ビーム４とが平行に相互作用を受けることになり、イオンビーム９の冷却効率を向上させることができる。
【０１００】
この実施の形態によれば、補正コイル３９の磁場によりイオンビーム９の軌道を調整することにより、ビームダクトのサイズに従ってイオンビームの軌道を形成することができ、既存イオンビーム９用のダクトを偏向させたりしないで、電子ビーム冷却装置においてイオンビーム９の冷却を効率よく行うことができる。
（実施の形態９）
第９の実施の形態による電子ビーム冷却装置では、図１３に示すように、電子ビーム冷却装置の入射側トロイド部６及び出射側トロイド部１０の中に、イオンビーム９の偏向補正用のコイル４０を内蔵する。図１３は補正コイル４０を内蔵した入射側トロイド部６の概略を示すものである。
【０１０１】
補正コイル４０を設けることにより、入射側トロイド部６及び出射側トロイド部１０に含まれる入射側トロイドコイル７及び出射側トロイドコイルによるイオンビーム９の偏向角度を小さくすることができ、第８の実施の形態（図１２）で説明した偏向用の補正コイル３９の磁場を下げて、補正コイル３９の仕様を容易にすることができるか、あるいは、補正コイル３９の数を減らすことができる。
この実施の形態によれば、電子ビーム冷却装置の前後において、既存リングと異なる特殊形状のダクトを製作することなく、電子ビーム冷却装置をイオンリングのビームラインに導入することができる。
【０１０２】
電子ビーム冷却装置の前後にあって、既設のイオンのビームラインに設けられている補正用のステアリング電磁石を、電子ビーム冷却装置によって偏向させられたイオンビーム９の補正用として使用することができる。通常のイオンリングでは、イオンビームの軌道補正用として、水平方向と垂直方向のステアリング電磁石４１が４極電磁石４２の前後に設けられる（図１２参照）。しかしながら、補正コイル３９を新設する代わりに、同様の目的で既存のステアリング電磁石４１を使用することができる。
【０１０３】
これにより、電子ビーム冷却装置の設置による補正コイル３９の数を減らすことができるか、あるいは補正コイル３９の仕様を容易にすることができる。この実施の形態によれば、新設する補正コイル３９の数を減らして、第８の実施の形態の効果を得ることができる。
【０１０４】
（実施の形態１０）
図１４は第１０の実施の形態による電子ビーム冷却装置の断面を示すものである。入射側トロイドコイル７とセントラル部ソレノイドコイル１５と出射側トロイドコイル１１とそれぞれに内蔵される真空容器４３全体を、電子ビーム冷却装置のない時のイオンビーム軸に対して傾斜させて配置する。
【０１０５】
イオンビーム９は電子ビーム冷却装置の入射側トロイドコイル７及び出射側トロイドコイル１１により偏向させられる。イオンビーム９の電子ビーム冷却装置のないときのイオンビーム軸に対する偏向は、電子ビーム冷却装置の前後に補正コイル３９を配置することによって補正する。しかしながら、トロイドコイル７及び１１の磁場が強くなると偏向角が大きくなり、その分、補正コイル３９の磁場も大きくなる。したがって、セントラル部８におけるイオンビーム９を電子ビーム冷却装置を設けていないときのイオンビーム軸に一致させるためには、補正コイル３９の数と配置、磁場の強さを調整しなければならなくなり、イオンビーム９もセントラル部８以外ではかなりビーム軸からずれてしまう場合も生じてくる。
【０１０６】
そこで、入射側トロイドコイル７とセントラル部ソレノイドコイル１５と出射側トロイドコイル１１の磁場中心軸を、電子ビーム冷却装置を設けていないときのイオンビーム軸に対して、内蔵する真空容器４３ごと、傾斜させることによって、トロイドコイル７，１１及び補正コイル３９によって、電子ビーム冷却装置を設けていないときのイオンビーム軸に対して、はずれたイオンビーム９を、元の軸に戻さないで、電子ビーム冷却装置の電子ビーム４のビーム軸をイオンビーム９に合わせて設置することができる。
【０１０７】
これにより、補正コイル３９を小さくすることができるとともに、補正コイル３９を調整することによりイオンビーム９のずれ幅を小さくし、イオンビーム用の真空容器４３をリングの他の部分と同じ形状に保つことができる。さらに、真空容器４３側にあらかじめ傾斜角度をつけておくことができるので、コイル７，１５，１１は真空容器４３を芯として組立作業をすることができる。
【０１０８】
この実施の形態によれば、電子ビーム冷却装置の設置に伴う、補正コイル３９の負荷を減少させることができ、補正コイル３９の数を減らすことができるか、あるいは仕様を緩やかにすることができる。また、電子ビーム冷却装置のコイルと真空容器の軸を一致させているので、組立も従来通りにすることができる。
【０１０９】
入射側トロイドコイル７とセントラル部ソレノイドコイル１５と出射側トロイドコイル１１の磁場中心軸を、電子ビーム冷却装置を設けていないときのイオンビーム軸に対して、傾斜させるか又は偏芯させて配置し、中の真空容器４３は従来のイオンビーム軸に合わせて組み立てることができる。さらに、電子ビーム４の入射角と出射角とが１８０°異なる場合、トロイド磁場から受ける磁場の影響が逆になり、セントラル部ソレノイドコイル１５の磁場と真空容器の軸を偏芯させることによって、セントラル部８の冷却空間で効率よく冷却することができる。
【０１１０】
出射側トロイドコイル１１の磁場強度は、出射側トロイドコイル１１によるイオンビーム９の偏向角度に応じて、入射側トロイドコイル７の磁場強度に比べ、１００％から７０％程度にまで下げて使用することができる。入射側トロイドコイル７は冷却前なので、電子ビーム４の特性を低下させないために、電子ビーム入射部のソレノイドコイル５とセントラル部ソレノイドコイル１５の磁場と整合性をとる必要があるが、出射側トロイドコイル１１は電子ビーム回収部１２で電子が回収できるかぎり、磁場強度を低下させることが可能である。
【０１１１】
これにより、出射側トロイドコイル１１によるイオンビーム９の偏向角度を小さくし、電子ビーム冷却装置の下流側の補正コイル３９の負担を減らすことができる。
【０１１２】
（実施の形態１１）
第１１の実施の形態に係る電子ビーム冷却装置では、セントラル部に電極４５を内蔵することによって、イオンビームの位置を検出し、その検出結果をイオンリング全体のビームの閉軌道の歪み補正のために使用する。図１５にこの実施の形態による電子ビーム冷却装置のセントラル部８を示す。
【０１１３】
セントラル部８には、真空容器４３の中に電子ビーム４とイオンビーム９の位置を検出するために電極４５が設けられる。また、通常のイオンリングにはイオンビーム９の軌道を確認するために、ある間隔で電極が設けられており、その情報を用いてステアリング電磁石４１を調整し、イオンビーム９の閉軌道の歪みを補正する。
【０１１４】
この実施の形態によれば、電子ビーム冷却装置の内部にある電極４５からのイオンビーム９の軌道の情報も、軌道補正に利用することによって、軌道補正の精度を向上させることができるか、又は、イオンリング内の電極を減らすことができる。
【０１１５】
イオンビームを冷却することによって、イオンリングのビーム入射時のエネルギーにおけるイオンビームのエミッタンスを小さくすることができる。
【０１１６】
イオンリングへの電子ビーム冷却装置の設置は、周回しているイオンビーム９の運動量の広がりを減少させることを目的としている。電子銃で生成された低温電子ビームは断熱膨張法によって極低温化され、イオンの周回ビームと精密に合流させることによって、イオンビームの運動量の減少に加えて、位相空間内でのビームの広がりを表すエミッタンスを縮小することができる。
【０１１７】
この実施の形態に従ってビームの広がりを小さくすることにより、入射性及び加速効率を大幅に改善できると同時に、冷却蓄積法を用いて蓄積ビーム強度を大きくすることができ、２次ビームを用いた診断・治療を初めとする高精度重粒子線治療や物理実験に貢献することができる。
【０１１８】
イオンビームを冷却することによって、イオンリングのビームフラットトップの最大エネルギーにおけるイオンビームのエミッタンスを小さくすることができる。こうすることにより、冷却蓄積法を用いて蓄積ビーム強度を大きくすることができ、２次ビームを用いた診断・治療を初めとする高精度重粒子線治療や物理実験に貢献することができる。
【０１１９】
さらに、ソレノイドコイルは従来通り常電導とすることができる。こうすることにより、イオン蓄積リング又はイオンシンクロトロンのビーム特性を向上させることができ、２次ビームを用いた診断・治療を初めとする高精度粒子線治療や物理実験に貢献することができる。
【０１２０】
【発明の効果】
以上述べた本発明によれば、電子ビーム冷却装置の入射側機器に超電導ソレノイドコイルを用いることにより、電子ビームの断熱膨張によりイオンビームの冷却効率を向上させることができる。また、超電導ソレノイドコイルのクライオスタットと極低温発生源のクライオスタットを別構造とすることによって、前記電子ビーム入射部及び電子ビーム回収部の向きを垂直方向に９０°立てて設置しているので、電子銃部ソレノイドコイルと電子回収側のソレノイドコイルを横向きにした場合の影響が大幅に改善され、イオンビームの偏向によりビームが上下方向に大きく偏向させられることを大幅に抑制し、既存形状のビームパイプ等ではビームが壁に突き当たる恐れが大幅に軽減される。
【０１２１】
さらに、補正電磁石やセントラル部ソレノイドコイルの向きを調整することにより、セントラル部における、電子ビームによるイオンビームの冷却効率を向上させることができる。
【０１２２】
したがって本発明による電子ビーム冷却装置によれば、イオンビームの冷却効率を向上させ、イオンビーム特性を向上させ、それによって、２次ビームを用いた診断・治療を初めとする高精度重粒子線治療や物理実験に貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による電子ビーム冷却装置の縦断面図。
【図２】本発明の第２の実施の形態による電子ビーム冷却装置の縦断面図。
【図３】本発明の第３の実施の形態による電子ビーム冷却装置の縦断面図。
【図４】図３の要部の拡大図。
【図５】本発明の第４の実施の形態の電子ビーム冷却装置の縦断面図。
【図６】図５の要部の拡大図。
【図７】本発明の第５の実施の形態の電子ビーム冷却装置の縦断面図。
【図８】図７の要部の拡大図。
【図９】本発明の第６の実施の形態の電子ビーム冷却装置の縦断面図。
【図１０】図９の要部の拡大図。
【図１１】本発明の第７の実施の形態の電子ビーム冷却装置の縦断面図。
【図１２】本発明の第８の実施の形態の電子ビーム冷却装置の前後のイオンリングの配置図。
【図１３】本発明の第９の実施の形態の電子ビーム冷却装置において補正コイルを内蔵したトロイド部の断面図。
【図１４】本発明の第１０の実施の形態の電子ビーム冷却装置の縦断面図。
【図１５】本発明の第１１の実施の形態の電子ビーム冷却装置のセントラル部の断面図。
【図１６】従来の電子ビーム冷却装置の縦断面図。
【符号の説明】
１ 電子ビーム入射部
２ 電子銃
３ 加速管
４ 電子ビーム
５ 電子銃部ソレノイドコイル
６ 入射側トロイド部
７ 入射側トロイドコイル
８ セントラル部
９ イオンビーム
１０ 出射側トロイド部
１１ 出射側トロイドコイル
１２ 電子ビーム回収部
１３ 減速管
１４ コレクタ
１５ セントラル部ソレノイドコイル
１６ 磁気シールド
１７ 超電導ソレノイドコイル
１８ フィードスルー
１９ 冷媒槽
２０ 電流供給ポート
２１ 真空排気ポート
２２ 予冷ポート
２３ 超電導クライオスタット
２４，２５，３５ 輻射熱シールド
２６ 良熱伝導体
２７ 極低温冷凍機
２８ 冷媒移送管
２９ 冷媒排出管
３０ 超電導ソレノイドコイル部クライオスタット
３１ 冷媒槽部クライオスタット
３２ 接続管
３３ 可撓性部
３４ フランジ部
３６ 冷凍機部クライオスタット
３７ 超電導ソレノイドコイル
３８ 磁気シールド
３９ 補正コイル
４０ トロイド内蔵補正コイル
４１ ステアリング電磁石
４２ ４極電磁石
４３ 真空容器
４４ 真空ダクト
４５ 電極
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子ビーム冷却装置並びにそれを備えたイオン蓄積リング及びイオンシンクロトロンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の水冷式ソレノイドコイルを用いた電子ビーム冷却装置を図１６に一部切り欠いた正面図として示す。従来の電子ビーム冷却装置は入射側及び出射側の機器がイオンビーム軸９Ｘに対して、９０°上方を向いているか、斜め４５°上方を向いているかであり、図は後者の４５°傾斜角のものを示している。電子ビーム入射部１における電子銃２により生成された電子は、加速管３で加速されて所定の速度を持つ電子ビーム４となる。イオンとの相互作用をさせるイオンビーム軌道部分を含めて電子ビーム４を通す部分には、電子の電荷による発散を防ぐために、電子銃部ソレノイドコイル５によりソレノイド磁界が発生される。
【０００３】
電子ビーム４は入射側トロイド部６の入射側トロイドコイル７によって偏向され、セントラル部８において、イオンビーム９の中に入射されてイオンビーム９を冷却する。次いで、イオンビーム９を冷却した電子ビーム４は、出射側トロイド部１０の出射側トロイドコイル１１により再び偏向され、電子ビーム回収部１２において、減速管１３に導かれてエネルギーを減少させた後にコレクタ１４によって回収される。なお、セントラル部８には電子ビーム４をイオンビーム９に巻きつけるために、ソレノイドコイル１５が設けられている。電子ビーム４をイオンビーム９に入射する際は、電子ビーム４の運動量の広がりが小さいほど、イオンビーム９の運動量の広がりを小さくすることができることから、電子ビーム入射部１においては、電子ビーム４の運動量の広がりをできるだけ小さくすることが望まれる。
【０００４】
電子ビーム４を生成し運動量を与える電子銃２及び加速管３の部分において、電子銃部ソレノイドコイル５によるソレノイド磁界が加速方向と一致しなかったり変化したりすることは、電子に、進行方向に対して垂直な方向の運動量成分を発生させることになる。この運動量成分は電子の運動量の広がりを大きくすることから、電子銃２及び加速管３部においては、ソレノイド磁界に高い均一度が要求されるとともに、加速方向とソレノイド磁界の方向とを正確に一致させる必要がある。
【０００５】
電子銃部ソレノイドコイル５においては、入射側トロイドコイル７との接合部における磁界の急激な変化は電子の運動量の広がりをもたらすことから、入射側トロイドコイル７との接合部におけるソレノイド磁界の一様性が要求される。このソレノイド磁界の変化については、断熱パラメータと呼ばれる因子が１より十分に小さい必要がある。また、コイル内の磁界変化を小さくするために、ソレノイドコイル５及びトロイドコイル７は巻線が連続するように構成されている必要がある。
【０００６】
電子銃部ソレノイドコイル５は、イオンビーム軌道に不正な磁界を発生させないようにするため磁性体からなる磁気シールド１６で覆われている。磁界を加速管３から入射側トロイドコイル７までの間で減少させて断熱膨張させることにより、さらに電子ビーム運動量の広がりを小さくし得ることが知られている。この場合のソレノイド磁界の変化も断熱パラメータが１より十分小さいことが必要である。なお、断熱膨張効率は磁界の大きさの変化量の大きい方が高い。
【０００７】
しかしながら、電子の発散を防ぐためには電子ビーム軌道中に最低数百ガウスのソレノイド磁界が必要であり、磁界の大きさの変化量を大きくするためには加速管３の磁界を大きくする必要がある。このためには、水冷ソレノイドコイルを使用したものではコイル形状が大きくなってしまうことから、この対策として超電導ソレノイドコイルの導入が考えられる。超電導ソレノイドコイルの例としては、均一磁界が必要で漏洩磁界を小さくした、磁気共鳴現象を用いた磁気共鳴撮像（以下、「ＭＲＩ」と称する）用超電導磁石が知られている。
【０００８】
このＭＲＩ用超電導磁石は、同軸上に配置された複数の超電導コイルと、この超電導コイルの中心に対して同心的に配置されている磁気シールドとから構成されている。磁気シールド及び超電導コイルは磁界の高均一度を得るために、超電導コイルの中心に対して対称な形状をしている。磁気シールドの円筒部には、これを支える磁気シールド脚が設けられている。
【０００９】
さらに、超電導コイルを囲んでそれを冷却するための超電導クライオスタットには、その重量を支えるクライオスタット脚が設けられることから、磁気シールドの円筒部には、クライオスタット脚が貫通するクライオスタット脚用穴や、別途、冷媒と電流の供給ポートを貫通させることから、供給ポート用穴や、輻射シールド用の冷凍機ポート等が設けられる。
【００１０】
上述の電子ビーム冷却装置自体の性能とは別に、電子ビーム冷却装置の設置を考える通常のイオン蓄積リングあるいはイオンシンクロトロンでは、イオンビーム９の軌道補正用として、水平方向及び垂直方向のステアリング電磁石がリング全体にわたって４極電磁石の前後に設けられる。したがって、電子ビ一ム冷却装置を設置する部位の前後にも上述のステアリング電磁石が設けられている。
【００１１】
従来は入射側トロイドコイル７及び出射側トロイドコイル１１による電子ビーム４の偏向が垂直面内で行われていたので、トロイドコイル１１によるイオンビーム９の偏向は水平成分が大きかった。通常の加速器のビームパイプは水平方向に広く垂直方向に狭い形状をしていて、トロイドコイルの磁場による水平方向の偏向はビームパイプの大きさで十分に足りた。したがって、イオンビーム７のトロイドコイルの磁場による偏向は、出射側にあるステアリング電磁石を一部用いて正規のビーム軌道に戻していた。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
電子ビーム入射部において、電子銃部ソレノイドコイルに超電導ソレノイドコイルを用いることは、加速管の磁界を高くしてソレノイド磁界の大きさの変化を大きくし、より運動量の広がりの小さい電子ビーム冷却装置を構成することの可能性につながる。
【００１３】
しかしながら、ソレノイドコイルを超電導状態にするためには、コイル自体を極低温に冷却する必要がある。通常、極低温に冷却するためには、液体ヘリウム等の冷媒を利用するか、極低温冷凍機を使うこと等が考えられる。
【００１４】
電子ビーム冷却装置において、ＭＲＩ用超電導電磁石等に比較し、コイル径が小さいとともに、電子ビームによるイオンの冷却効率を上げるためには、ＭＲＩと同等以上の磁場均一度が要求される。この要求を満たすためには超電導クライオスタットにおける各ポート用の穴がコイル径に対して相対的に大きくなり、それにより磁気シールドの円筒部にあけられる穴も同様に大きくなることから、この磁気シールドの円筒にあけられた穴によってソレノイド磁界が乱され、電子ビームの運動量の広がりが増加するという問題があった。
【００１５】
さらに、電子銃部ソレノイドコイルと電子回収側のソレノイドコイルを横向きにしたとき、イオンビームの偏向によりビームが上下方向に大きく偏向させられることになり、既存形状のビームパイプ等ではビームが壁に突き当たることになり、ビームパイプを改造する必要があった。
【００１６】
したがって本発明の目的は、設置スペースに制約されることなく、イオンビームの広がりを小さくするとともに、イオンリングに設けるステアリング電磁石を小さくし、特殊形状のビームパイプを不要にすることのできる電子ビーム冷却装置並びにそれを備えたイオン蓄積リング及びイオンシンクロトロンを提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため請求項１に係る発明は、超電導ソレノイドコイルを含む電子銃及び加速管を含んで構成され、均一速度の電子ビームをイオンリングに入射する電子ビーム入射部と、イオンリングに入射しイオンリングから出射するために電子ビームを曲げるトロイド部と、電子ビームとイオンビームを平行して通過させ、イオンビームを冷却するセントラル部と、電子ビームを回収する電子ビーム回収部とを備えた電子ビーム冷却装置において、冷媒を貯溜する冷媒槽と、超電導ソレノイドコイルを冷媒槽からの接触伝熱によって冷却する接触伝熱手段とを設けたことを特徴とする。
【００１８】
超電導ソレノイドコイルの外側には、磁界の対称性を保持するとともに、周辺機器、とくにイオンビームに磁界の影響を与えないために、磁気シールドが軸対称になるように配置されている。この磁気シールドは磁界の均一性と、漏洩磁界の影響を受けない、超電導コイルのフィードスルー側（電子銃から見て、電子を送り出す方向の反射側）で開口構造をとっている。超電導コイルヘの電流導入、超電導状態へのコイルの冷却、及びクライオスタットの真空排気は、すべてこの部分を使用している。液体ヘリウム等の冷媒槽は超電導コイル用クライオスタットのフィードスルー側に設けられ、良伝熱体を用いて冷媒槽とコイルを接続し、接触伝熱によってコイルを超電導状態に冷却する。
【００１９】
したがって、磁気シールドの回転対称が保持されて電子銃及び加速管部での不正磁界の発生が抑制される。一方、冷媒槽は超電導コイルのクライオスタットの磁気シールドの存在しない側に設けられ、接触伝熱により冷却されるので、冷媒槽の向きに制約されずに、超電導コイルの向きに自在に決定することができる。これにより、電子ビーム入射部と電子ビーム回収部の向きを、従来から用いられている垂直方向に９０°立てる方向や、４５°斜め上方に立てる方向以外にも、真横に置く方向等の種々の方向にすることができる。
【００２０】
請求項２に係る発明は、超電導ソレノイドコイルを含む電子銃及び加速管を含んで構成され、均一速度の電子ビームをイオンリングに入射する電子ビーム入射部と、イオンリングに入射しイオンリングから出射するために電子ビームを曲げるトロイド部と、電子ビームとイオンビームを平行して通過させ、イオンビームを冷却するセントラル部と、電子ビームを回収する電子ビーム回収部とを備えた電子ビーム冷却装置において、冷凍機と、超電導ソレノイドコイルを冷凍機からの接触伝熱によって冷却する接触伝熱手段とを設けるとともに、超電導ソレノイドコイルのための断熱容器と冷凍機のための断熱容器とを別構造として１つの真空容器内に納めたことを特徴とする。
【００２１】
ここでは、液体ヘリウム等の冷媒を用いる代わりに、汎用の極低温の冷凍機を用いるため、冷媒槽より小さい容器によって構成できるとともに、電子ビーム冷却装置の運転に必要だった高価な冷媒の購入と保管が不要になり、運転コストと設備費用を大幅に削減することができる。したがって、請求項２に係る発明によれば、請求項１に係る発明の効果がそのまま得られるとともに、低コストで、コンパクトな構造を得ることができる。
【００２２】
請求項３に係る発明は、請求項１に記載の電子ビーム冷却装置において、冷媒槽と超電導ソレノイドコイルとの間に冷媒移送管及び排出管を設け、超電導ソレノイドコイルを冷媒により直接冷却するとともに、超電導ソレノイドコイルのための断熱容器と冷媒槽のための断熱容器とを別構造として１つの真空容器内に納めたことを特徴とする。
【００２３】
これによって、超電導コイルに冷媒を直接注入するので、冷媒槽からコイルへの複雑な伝熱系を簡素にすることができる。また、超電導部分を直接冷却するので、たとえ輻射や伝熱等による侵入熱が冷凍機等による接触伝熱より多くても冷却可能であり、その結果、クライオスタットの構造も強固に、かつ簡単化することができる。
【００２４】
したがって、請求項１に係る発明の効果がそのまま得られるとともに、冷媒槽を備えている関係で大型にはなるが、構造が単純で、強度的にも優れた構造を得ることができる。
【００２５】
請求項４に係る発明は、請求項１に記載の電子ビーム冷却装置において、超電導ソレノイドコイルのための真空容器と冷媒槽とを別構造とし、超電導ソレノイドコイルのための真空容器と冷媒槽との間を、伝熱部を有する接続管を介して接続し、冷媒槽と超電導ソレノイドコイルとの間を、伝熱部を介して伝熱することを特徴とする。
【００２６】
これによって、超電導コイルの向きと位置にかかわらず、磁気シールドの対称性を損なわないで、また、コイル用の電流導入端子や真空引きポート、予冷ポートとの干渉を避けて、冷媒槽を自在の位置に設けることができる。
【００２７】
請求項５に係る発明は、請求項２に記載の電子ビーム冷却装置において、超電導ソレノイドコイルのための真空容器と冷凍機のための真空容器とを別構造とし、超電導ソレノイドコイルのための真空容器と冷凍機のための真空容器との間を、伝熱部を有する接続管を介して接続し、冷凍機と超電導ソレノイドコイルとの間を、伝熱部を介して伝熱することを特徴とする。
【００２８】
これによって、液体ヘリウム等の冷媒の代わりに、汎用の極低温の冷凍機を用いるため、冷媒槽より小さい容器で構成できるとともに、電子ビーム冷却装置の運転に必要だった高価な冷媒の購入と保管が不要になり、運転コスト及び設備費用を大幅に削減することができる。
【００２９】
したがって、請求項４に係る発明の効果がそのまま得られるとともに、低コストで、コンパクトな構造を得ることができる。
【００３０】
請求項６に係る発明は、請求項３に記載の電子ビーム冷却装置において、超電導ソレノイドコイルのための真空容器と冷媒槽とを別構造とし、超電導ソレノイドコイルのための真空容器と冷媒槽との間を、内部に冷媒移送管及び排出管を有する接続管を介して接続し、冷媒槽から冷媒移送管を介して超電導ソレノイドコイルへ冷媒を供給し、超電導ソレノイドコイルで気化した溶媒を排出管を介して冷媒槽へ回収することを特徴とする。
【００３１】
これによって、超電導コイルに液体ヘリウム等の冷媒を直接、注入するので、冷媒槽からコイルへの複雑な伝熱系を簡素にすることができる。また、超電導部分を直接冷却するので、輻射や伝導による侵入熱が冷凍機等による接触伝熱よりは多くても冷却できるので、クライオスタットの構造も強固で、簡単化することができる。
【００３２】
したがって、請求項３に係る発明の効果がそのまま得られるとともに、構造が単純で、強度的にも優れた構造を得ることができる。
【００３３】
請求項７に係る発明は、請求項４ないし６のいずれかに記載の電子ビーム冷却装置において、接続管に可撓性部を設けたことを特徴とする。
【００３４】
超電導コイルの冷却の際に冷凍機を用いた場合は、冷凍機の振動が、また、冷媒を用いた場合は、冷媒供給ラインにポンプがあるときに、ポンプの振動又は冷媒流の脈動が、真空容器から接続管を通ってコイルに伝えられる。コイル又はコイル部分の真空容器の振動はソレノイド磁場の振動をもたらし、電子ビームに悪影響を与える。そこで、接続管に可撓性部を設けることによって、冷凍機又はポンプの振動を、コイルから切り離すことができる。なお、ここで、接続管の内部にある極低温を伝える良伝熱体、又は、冷媒供給配管及び輻射熱シールドは、接続管と同様に、熱膨張差や振動等を考慮して可撓性部を介して接続される。
【００３５】
これによって、安定したソレノイド磁場を電子ビーム冷却装置に供給することができ、イオンビームの冷却効率を向上させることができる。
【００３６】
請求項８に係る発明は、請求項４ないし６のいずれかに記載の電子ビーム冷却装置において、接続管にフランジ部を介在させたことを特徴とする。
【００３７】
冷凍機又は冷媒槽の真空容器と超電導コイルの真空容器を連通する接続管にフランジ部を設け、接続管内部の極低温を伝える良伝熱体、又は、冷媒供給配管と排出管、及び輻射熱シールドにも接続部を設けることによって、個々の真空容器のメンテナンスを容易にすることができる。したがって、冷凍機のメンテナンス等の定期点検の必要とする部分の点検及び交換を容易にすることができる。
【００３８】
請求項９に係る発明は、請求項１に記載の電子ビーム冷却装置において、電子ビーム回収部に含まれるソレノイドコイルとして、電子銃に含まれる超電導ソレノイドコイルと同一構造の超電導ソレノイドコイルを設けたことを特徴とする。
セントラル部と出射側ト口イド部を通過した電子ビームは、イオンビームとの相互作用及びトロイド部の磁場の影響を受けて、回収部では電子ビームが発散している。そのため、通常のソレノイド磁場では電子ビームが回収しきれないおそれがある。そこで、電子ビーム回収部のソレノイドコイルを、通常の常電導コイルの代わりに、超電導コイルにすることによって、ソレノイド磁場強度を大きくし、発散した電子ビームを集束させることができる。これによって、電子ビーム回収部に内蔵される減速管と電子ビーム回収部をコンパクトに構成することができる。
【００３９】
請求項１０に係る発明は、請求項１ないし９のいずれかに記載の電子ビーム冷却装置において、入射側トロイド部の上流側及び出射側トロイド部の下流側のイオンのビームラインに、それぞれイオンビーム偏向用の補正コイルを設けたことを特徴とする。
【００４０】
電子ビーム冷却装置の上流側の補正コイルは、電子ビーム冷却装置に入るイオンビームがトロイドコイルの磁場によって偏向させられるために、セントラル部においてイオンビームと電子ビームとが平行になるように、電子ビーム冷却装置の上流で、あらかじめイオンビームを偏向させて、入射側トロイド磁場によって電子ビームと平行になるように調整する目的で設けられる。電子ビーム冷却装置の下流には、出射側トロイド磁場によって、偏向させられたイオンビームを正規のイオンビーム軌道に戻すために、上流側とは別の補正コイルが設けられる。
【００４１】
これにより、電子ビーム冷却装置のセントラル部において、イオンビームと電子ビームとが平行に相互作用を受けることになり、イオンビームの冷却効率を向上させることができる。
【００４２】
請求項１１に係る発明は、請求項１ないし９のいずれかに記載の電子ビーム冷却装置において、入射側トロイド部及び出射側トロイド部にそれぞれイオンビーム偏向用の補正コイルを内蔵したことを特徴とする。
【００４３】
これにより、トロイドコイルによるイオンビームの偏向角度を小さくすることができ、請求項１０に係る偏向用の補正コイルの磁場を下げ、あるいは、補正コイルの数を減らすことができる。
【００４４】
請求項１２に係る発明は、請求項１ないし１１のいずれかに記載の電子ビーム冷却装置において、イオンのビームラインに設けられている補正用のステアリング電磁石を偏向させられたイオンビームの補正用に使用することを特徴とする。
通常のイオンリングでは、イオンビームの軌道補正用として、水平方向と垂直方向のステアリング電磁石が４極電磁石の前後に設けられる。請求項１２に係る発明では、請求項１０に係る発明の補正コイルの新設の代わりに、同じ目的で既存のステアリング電磁石を使用する。これにより、電子ビーム冷却装置の設置による補正コイルの数を減らすことができるか、あるいは補正コイルの仕様を容易にすることができる。
【００４５】
請求項１３に係る発明は、請求項１ないし１２のいずれかに記載の電子ビーム冷却装置において、入射側トロイドコイル、セントラル部ソレノイドコイル、及び出射側トロイドコイルを、それらの磁場中心軸を電子ビーム冷却手段のない時のイオンビーム軸に対して傾斜させるか、又は偏芯させるかして配置したことを特徴とする。
【００４６】
イオンビームは電子ビーム冷却装置のトロイドコイルにより偏向させられる。イオンビームの電子ビーム冷却装置のないときのイオンビーム軸に対する偏向は、電子ビーム冷却装置の前後に補正コイルを配置することによって補正している。しかしながら、トロイドコイルの磁場が強くなると、偏向角が大きくなり、その分補正コイルの磁場も大きくなる。したがって、セントラル部におけるイオンビームを電子ビーム冷却装置のないときのイオンビーム軸に一致させるためには、補正コイルの数と配置、磁場の強さを調整しなければならなく、イオンビームもセントラル部以外ではかなりビーム軸からずれてしまう場合もある。
【００４７】
そこで、入射側トロイドコイルとセントラル部ソレノイドコイルと出射側トロイドコイルの磁場中心軸を、電子ビーム冷却装置のないときのイオンビーム軸に対して、傾斜させるか又は偏芯させることによって、トロイドコイル及び補正コイルによって、電子ビーム冷却装置のないときのイオンビーム軸に対して、はずれたイオンビームを、元の軸に戻さないで、電子ビーム冷却装置の電子ビームのビーム軸を、イオンビームに合わせて設置することができる。
【００４８】
これにより、補正コイルの大きさを小さくすることができるとともに、補正コイルを調整することによって、イオンビームのずれ幅を小さくして、イオンビーム用の真空ダクトを、リングの他の部分と同じ形状に保つことができる。
【００４９】
請求項１４に係る発明は、請求項１ないし１３のいずれかに記載の電子ビーム冷却装置において、入射側トロイドコイル、セントラル部ソレノイドコイル、及び出射側トロイドコイルをそれぞれに内蔵する真空容器全体を、電子ビーム冷却手段のない時のイオンビーム軸に対して傾斜させるか偏芯させるかして配置したことを特徴とする。
【００５０】
請求項１３に係る発明においては、入射側トロイドコイルとセントラル部ソレノイドコイルと出射側トロイドコイルの磁場中心のみを傾斜させるか偏芯させていた。したがって、電子ビーム冷却装置のないときのイオンビーム軸に対して平行に組み立てられる真空容器に対して、コイルの角度決めや中心軸の偏芯をするのが難しく、組立性に難点があった。
【００５１】
しかるに請求項１４に係る発明によれば、真空容器側にあらかじめ角度をつけておくか偏芯させておくので、コイルは真空容器を芯として組立作業をすることができる。これにより、請求項１２で係る発明で問題となりうる組立性を容易にすることができる。
【００５２】
請求項１５に係る発明は、請求項１ないし１４のいずれかに記載の電子ビーム冷却装置において、出射側トロイドコイルの磁場強度を、トロイドコイルによるイオンビームの偏向角度に応じて、入射側トロイドコイルの磁場強度に比べて、１００％未満から７０％程度まで低下させたことを特徴とする。
【００５３】
従来の電子ビーム冷却装置では、トロイドコイルの磁場は電子の発散防止及び集束の意味で、断熱膨張後の電子銃部ソレノイドコイル、セントラル部ソレノイドコイル、及び電子ビーム回収部ソレノイドコイルの磁場と同一にしていた。入射側のトロイドコイルは冷却前なので、電子ビームの特性を低下させないために、電子ビーム入射部のソレノイドコイルとセントラル部のソレノイドコイルの磁場と整合性をとる必要がある。出射側のトロイドコイルは電子ビーム回収部で電子が回収できるかぎり、磁場強度を低下させることが可能である。ここで、出射トロイドコイルの磁場を入射トロイドコイルの磁場の７０％より下げると、電子ビームのサイズが１．２倍以上になり、下流のソレノイドコイルでは電子を集束しきれなくなって、電子ビームが発散するか、又は真空容器に当たってしまい、電子ビーム回収部での回収が不能になる。
【００５４】
そこで、出射トロイドコイルの磁場を入射トロイドコイルの磁場の１００％から７０％を限度に低下させることによって、トロイドコイルによるイオンビームの影響を減少させるとともに、トロイドで発散傾向にある電子ビームを電子ビーム回収部ソレノイドコイルの磁場を調整することによって、コレクタに回収することができる。出射トロイドコイルの磁場の値は、補正コイルによるイオンビームの偏向調整と、電子ビーム回収部ソレノイドコイルの磁場の調整との関係において、１００％から７０％の間で、機器性能上及びコスト上の観点から、最適な値に選択すればよい。
【００５５】
これにより、トロイドコイルによるイオンビームの偏向角度を小さくし、電子ビーム冷却装置の下流側の補正コイルの負担を減少させることができる。
【００５６】
請求項１６に係る発明は、請求項１ないし１５のいずれかに記載の電子ビーム冷却装置において、セントラル部に、イオンビームの位置を検出し、その検出結果に従ってイオンリング全体のビームの閉軌道の歪みを補正するための電極を内蔵したことを特徴とする。
【００５７】
電子ビーム冷却装置のセントラル部には、電子ビームとイオンビームの位置を検出するための電極が設けられる。通常のイオンリングにはイオンビームの軌道を確認するために、ある間隔で，電極が設けられており、その検出情報を用いてステアリング電磁石を調整し、イオンビームの閉軌道の歪みを補正する。
【００５８】
本発明では電子ビーム冷却装置の内部にある電極からのイオンビーム軌道についての情報をも軌道補正に利用することによって、軌道補正の精度を上げることができるか、又は、イオンリング内の電極を減らすことができる。
【００５９】
請求項１７に係る発明は、請求項１ないし１６のいずれかに記載の電子ビーム冷却装置において、イオンビームを冷却することによってイオンリングのビーム入射時のエネルギーにおけるイオンビームのエミッタンス（放射力）を小さくすることを特徴とする。
【００６０】
イオンリングに設けられる電子ビーム冷却装置は、周回しているイオンビームの運動量の広がりを減少させることを目的としている。電子銃で生成された低温電子ビームは断熱膨張法によって極低温化され、イオンの周回ビームと精密に合流させることによって、イオンビームの運動量の減少に加えて、位相空間内でのビームの広がりを表すエミッタンスを縮小することができる。
【００６１】
これにより、ビームの広がりを小さくして、入射・加速の効率を大幅に改善できると同時に、冷却蓄積法を用いて蓄積ビーム強度を大きくすることができ、２次ビームを用いた診断・治療を初めとする高精度重粒子線治療や物理実験に貢献させることができる。
【００６２】
請求項１８に係る発明は、請求項１ないし１６のいずれかに記載の電子ビーム冷却装置において、イオンビームを冷却することによってイオンリングのビームフラットトップの最大エネルギーにおけるイオンビームのエミッタンスを小さくすることを特徴とする。
【００６３】
これにより、請求項１８に係る発明と同様に、冷却蓄積法を用いて蓄積ビーム強度を大きくすることができ、２次ビームを用いた診断・治療を初めとする高精度重粒子線治療や物理実験に貢献させることができる。
【００６４】
請求項１９に係る発明は、請求項１ないし１８のいずれかに記載の電子ビーム冷却装置を備えたイオン蓄積リングに関するものである。
【００６５】
請求項２０係る発明は、請求項１ないし１８のいずれかに記載の電子ビーム冷却装置を備えたイオンシンクロトロンに関するものである。
【００６６】
請求項１９又は２０に係る発明によれば、イオン蓄積リング又はイオンシンクロトロンのビームの運動量の広がりを減少させ、また、エミッタンスを縮小させることによって、入射・加速の効率を大幅に改善できると同時に、冷却蓄積法を用いて蓄積ビーム強度を大きくすることができ、２次ビームを用いた診断・治療を初めとする高精度重粒子線治療や物理実験に貢献させることができる。
【００６７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、本発明の実施の形態を示す図１〜図１５において上記した従来技術と同じ構成部分については、同一符号を付して重複する説明を省略する。
【００６８】
（実施の形態１）
図１は本発明の第１の実施の形態による電子ビーム冷却装置の縦断面を示すものである。電子ビーム入射部１において真空容器内の電子銃２及び加速管３の周囲に超電導ソレノイドコイル１７及び磁気シールド１６が配置されている。磁気シールド１６の対称性が損なわれないように、磁気シールド１６の外側の、磁場の対称性が損なわれることが許容できる電子ビーム入射部１のフィードスルー１８側（電子銃２から見て電子ビーム４を送り出す方向の反対側）に、極低温冷熱発生源の冷媒槽１９、電流供給ポート２０、真空排気ポート２１、及び予冷ポート２２を備えた超電導クライオスタット２３が配置されている。超電導ソレノイドコイル１７は、極低温に維持するために、超電導クライオスタット２３の中に配置されている。
【００６９】
超電導クライオスタット２３の内部には、超電導ソレノイドコイル１７を囲んで、大気（室温雰囲気）と極低温雰囲気との間の断熱のために４０Ｋの輻射熱シールド２４が配設されている。図１の装置では、超電導クライオスタット２３の上部に、はみ出した形で極低温冷熱発生源である冷媒槽１９が設けられており、その中に液体ヘリウム等の冷媒を貯溜している。冷媒槽１９の外側には超電導ソレノイドコイル１７用の輻射熱シールド２４とは別の輻射熱シールド２５が設けられている。この実施の形態１では、超電導クライオスタット２３は１つの真空容器の構造として、超電導ソレノイドコイル１７及び冷媒槽１９を内蔵している。
【００７０】
冷媒槽１９と超電導ソレノイドコイル１７との間では、高純度の銅やアルミニウム等からなる良熱伝導体２６を介して、超電導ソレノイドコイル１７を超電導状態に保持する極低温状態が冷媒槽１９から超電導ソレノイドコイル１７に伝導される。このようにして超電導クライオスタット２３とその外側の磁気シールド１６の対称性を損なうことなく、冷媒槽１９及び良熱伝導体２６を配置することができる。
【００７１】
この実施の形態によれば、冷媒槽１９を磁気シールド１６の外側に配置するので、磁気シールド１６の回転対称性が保持されて電子銃２及び加速管３の部分での不正磁界の発生を抑制し、運動量の広がりの小さい電子ビームを得ることができ、イオンビームの冷却効率を向上させることができる。一方、冷媒槽１９は超電導ソレノイドコイル１７を覆う磁気シールド１６の配置されていない側に設けられ、接触伝熱により冷却されるので、冷媒槽１９の向きに制約されずに、超電導ソレノイドコイル１７の向きを自在に決定することができる。これにより、電子ビーム入射部１及び電子ビーム回収部１２の向きを、従来から用いられている図に示すような垂直方向に９０°立てる方向や、図１６の従来装置で説明した約４５°斜め上方に立てる方向以外にも、真横に９０°又はその他の角度に設置する等、種々の方向にすることができる。
【００７２】
（実施の形態２）
図２は第２の実施の形態による電子ビーム冷却装置を示すものである。この実施の形態では、極低温の冷熱発生源を冷媒槽１９（図１）の代わりに、汎用の極低温冷凍機２７を用いる。極低温冷凍機２７及び超電導ソレノイドコイル１７の間は高純度の銅やアルミニウム等からなる良熱伝導体２６を介して、超電導ソレノイドコイル１７を超電導状態に保持する極低温状態を極低温冷凍機２７から超電導ソレノイドコイル１７に伝える。
【００７３】
超電導ソレノイドコイル１７とそのための輻射熱シールド２４と、極低温冷凍機２７とそのための輻射熱シールド２５とを別構造として、１つの真空容器である超電導クライオスタット２３内に納めることによって、磁気シールド１６における回転対称性を維持したまま、超電導ソレノイドコイル１７の向きにかかわらず極低温冷凍機２７を所定の向きに配置することができる。
【００７４】
極低温冷凍機２７を使用することにより、高価で、取扱や、保管、廃棄等に注意を要するヘリウム等の冷媒を用いることなく、超電導ソレノイドコイル１７を極低温の超電導状態に冷却することができる。
【００７５】
この実施の形態によれば、第１の実施の形態の効果を奏する上に、さらに特別の冷媒を用いないので、外部に大型の冷凍機や冷媒貯溜槽を設けることなく、電子ビーム冷却装置をコンパクトに製作することができる。
【００７６】
（実施の形態３）
図３及び図４は第３の実施の形態による電子ビーム冷却装置の縦断面図及び要部拡大図である。この実施の形態では、極低温発生源を、第１の実施の形態と同様に液体ヘリウム等の冷媒を冷媒槽１９にするとともに、冷媒槽１９と超電導ソレノイドコイル１７との間に冷媒移送管２８と排出管２９を設けて、冷媒により超電導ソレノイドコイル１７を直接冷却するとともに、超電導ソレノイドコイル部輻射熱シールド２４と冷媒槽の輻射熱シールド２５を別構造として１つの真空容器である超電導クライオスタット２３内に納めている。これによって、磁気シールド１６における回転対称性を維持したまま、超電導ソレノイドコイル１７の向きにかかわらず冷媒槽１９を所定の向きに形成することができる。
【００７７】
この実施の形態では、液体ヘリウム等の冷媒で直接、超電導ソレノイドコイル１７を冷却するので、冷媒槽１９や第２の実施の形態の場合の極低温冷凍機２７からの複雑な伝熱系を簡素化することができる。また、超電導部分を直接冷却するので、輻射や伝熱等による侵入熱が冷凍機等による接触伝熱より多くても所期の冷却機能を達成することができ、その結果、超電導クライオスタット２３の構造も強固に、かつ簡単化することができる。
【００７８】
この実施の形態によれば、第１の実施の形態の効果を得ることができるとともに、冷媒槽１９を備えている関係上、超電導クライオスタット２３がやや大きくなるが、単純構造で、強度的にも優れた冷却装置を構成することができる。
【００７９】
（実施の形態４）
図５及び図６は第４の実施の形態による電子ビーム冷却装置の縦断面図及び要部拡大図である。この実施の形態では、電子銃部の超電導ソレノイドコイル１７において、超電導ソレノイドコイル１７を覆う超電導クライオスタット３０と冷媒槽１９を覆うクライオスタット３１を別構造とし、超電導ソレノイドコイル部超電導クライオスタット３０と冷媒槽部クライオスタット３１との間を、伝熱部を有する接続管３２を介して接続し、冷媒槽１９と超電導ソレノイドコイル１７との間を伝熱する。さらに、接続管３２に可撓性部３３及びフランジ部３４を設ける。超電導ソレノイドコイル部クライオスタット３０と冷媒槽部クライオスタット３１を形成する真空容器を別構造にすることにより、その間の極低温の伝導を、接続管３２の中に設けた良熱伝導体２６（図１，２参照）を通して行う。
【００８０】
これにより、超電導ソレノイドコイル１７の冷却の際、冷媒槽１９を用い、その冷媒槽１９に冷媒供給用のポンプ等を備え付けた場合にポンプの振動又は冷媒流の脈動を、接続管３２に可撓性部３３を設けることによって、超電導クライオスタット３０から切り離すことができる。なお、接続管３２内に配設される、良熱伝導体２６及び輻射熱シールド３５は、接続管３２と同様に、熱膨張差や振動等を考慮して、可撓性部を介して接続するのがよい。
【００８１】
さらに、冷媒槽部クライオスタット３１と超電導ソレノイドコイル１７部分の超電導クライオスタット３０を接続する接続管３２にフランジ部３４を設け、接続管３２内部の極低温を伝える良熱伝導体２６及び輻射熱シールド３５にも接続部を設けることによって、個々のクライオスタットのメンテナンスを容易にすることができる。
【００８２】
この実施の形態によれば、第２の実施の形態の効果を奏する上に、超電導ソレノイドコイル１７の向きと位置にかかわらず、磁気シールド１６の対称性を損なうことなく、また、コイル用の電流供給ポート２０や真空引きポート２１、予冷ポート２２との干渉を避けながら、冷媒槽１９を自在の位置に配設することができる。さらに、振動等の影響を受けない安定したソレノイド磁場を電子ビーム冷却装置に供給することができ、イオンビームの冷却効率を向上させることができる。また、冷媒槽１９のメンテナンス等の定期点検を必要とする部分の点検及び交換の作業を容易にすることができる。
【００８３】
（実施の形態５）
図７及び図８は第５の実施の形態による電子ビーム冷却装置の断面を示すものである。この実施の形態にあっては、超電導ソレノイドコイル１７を覆う超電導クライオスタット３０と極低温冷凍機２７を覆うクライオスタット３６とを別構造とし、超電導ソレノイドコイル部クライオスタット３０と冷凍機部クライオスタット３６との間に、伝熱部を有する接続管３２を設けて、極低温冷凍機２７と超電導ソレノイドコイル１７との間を伝熱する。さらに、接続管３２に可撓性部３３及びフランジ部３４を設けている。
【００８４】
超電導ソレノイドコイル部クライオスタット３０と冷凍機部クライオスタット３６を形成する真空容器を別構造にしているため、その間の極低温の伝導を、接続管３２の中に設けられた良熱伝導体２６を通して行う。超電導ソレノイドコイル部クライオスタット３０と冷凍機部クライオスタット３６を形成する真空容器を別構造にしているため、その間の極低温状態の伝導を、接続管３２の中に設けた良熱伝導体２６を通して行う。
【００８５】
これにより、超電導ソレノイドコイル１７の冷却の際に、極低温冷凍機２７を用いた場合、極低温冷凍機２７の振動を、接続管３２に可撓性部３３を設けることによって、超電導ソレノイドコイル１７から切り離すことができる。なお、ここで、接続管３２の内部にある極低温状態を伝える良熱伝導体２６及び輻射熱シールド３５は、接続管３２と同様に、熱膨張差や振動等を考慮して、可撓性部を介して接続される。また、冷凍機部クライオスタット３６と超電導ソレノイドコイル部クライオスタット３０を接続する接続管３２にフランジを設け、接続管内部の極低温を伝える良熱伝導体２６及び輻射熱シールド３５にも接続部を設けることによって、個々のクライオスタットのメンテナンスを容易にすることができる。
【００８６】
この実施の形態によれば、第２の実施の形態及び第４の実施の形態の効果を同時に奏することができる。また、極低温冷凍機２７のメンテナンス等の定期点検の必要とする部分の点検及び交換を容易にすることができる。
【００８７】
（実施の形態６）
図９及び図１０は第６の実施の形態による電子ビーム冷却装置の断面を示すものである。この実施の形態では、超電導ソレノイドコイル１７を覆う超電導クライオスタット３０と冷媒槽１９を覆うクライオスタット３１を別構造とし、超電導ソレノイドコイル部超電導クライオスタット３０と冷媒槽部クライオスタット３１との間を、伝熱部を有する接続管３２を介して接続し、冷媒槽１９と超電導ソレノイドコイル１７との間を接続管３２を介して伝熱する。また、接続管３２に可撓性部３３及びフランジ部３４を設ける。
【００８８】
ここでは超電導ソレノイドコイル部クライオスタット３０と冷媒槽部クライオスタット３１を形成する真空容器を別構造にしているため、その間の冷媒の移送を、接続管３２の中に設けた冷媒移送管２８と排出管２９を通して行う。
【００８９】
これにより、超電導ソレノイドコイル１７の冷却の際に冷媒槽１９を用い、その冷媒槽１９に冷媒供給用のポンブ等を備え付けた場合、ポンプの振動又は冷媒流の脈動を、接続管３２に可撓性部３３を設けることによって、超電導クライオスタット３０から切り離すことができる。なお、ここで、接続管３２の内部にある冷媒を流すための冷媒移送管２８と排出管２９及び輻射熱シールド３５は、接続管３２と同様に、熱膨張差や振動等を考慮し、可撓性部を介して接続する。
【００９０】
冷媒槽部クライオスタット３１と超電導ソレノイドコイル１７部分の超電導クライオスタット３０を接続する接続管にフランジ部３４を設け、接続管３２内部の冷媒を輸送する冷媒移送管２８と排出管２９及び輻射熱シールド３５にも接続部を設けることにより、個々のクライオスタットのメンテナンスを容易にすることができる。
【００９１】
この実施の形態によれば、第３の実施の形態（図３及び図４）及び第４の実施の形態（図５及び図６）の効果を同時に奏することができる。
【００９２】
なお、第４ないし第６の実施の形態はそれぞれ単独に、あるいは複数を組合せて実施することもできる。
【００９３】
（実施の形態７）
図１１は第７の実施の形態による電子ビーム冷却装置の縦断面を示すものである。この実施の形態においては、電子ビーム４を回収する電子ビーム回収部１２を構成するソレノイドコイルに、請求項２、５、７及び８に係る発明の実施の形態と同一構成の超電導ソレノイドコイル３７を使用する。
【００９４】
これにより、電子ビーム回収部１２におけるソレノイド磁場強度を強くし、発散した電子ビーム４を集束し、減速管１３やコレクタ１４を従来のものよりも大きくすることなく、電子ビーム４を良好に回収することができる。
【００９５】
この実施の形態によれば、電子ビーム回収部１２に内蔵される減速管１３と電子ビーム回収部１２をコンパクトに構成することができるとともに、超電導ソレノイドコイル３７を覆う磁気シールド３８の効果によって、コレクタ１４部で電子ビーム４を回収する時に発生する放射線の外部への漏れを抑制することができる。
【００９６】
なお、電子ビーム回収部１２を構成するソレノイドコイル３７において、請求項１ないし８のいずれかを、単独にあるいは複数組み合わせて構成した超電導ソレノイドコイルを備えた電子ビーム冷却装置もこの実施の形態に含まれる。
【００９７】
（実施の形態８）
図１２は第８の実施の形態による電子ビーム冷却装置の前後のイオンリングの配置図を示すものである。この実施の形態は、イオンビーム偏向用の補正コイル３９を、入射側トロイド部６の上流側と、出射側トロイド部１０の下流側のイオンのビームライン上に設けたことを特徴とするものである。
【００９８】
電子ビーム冷却装置の上流側の補正コイル３９は、電子ビーム冷却装置に入るイオンビーム９が入射側トロイド部６の磁場によって偏向させられるため、セントラル部８においてイオンビーム９と電子ビーム４とが平行になるように、電子ビーム冷却装置の上流で、あらかじめイオンビーム９を偏向させて、入射側トロイド部６の磁場によって電子ビーム４と平行になるように調整する目的で設けられる。電子ビーム冷却装置の下流には、出射側トロイド部１０の磁場によって偏向させられたイオンビーム９を正規のイオンビーム軌道に戻すために、上流側とは別の補正コイル３９が設置されている。
【００９９】
これにより、電子ビーム冷却装置のセントラル部８において、イオンビーム９と電子ビーム４とが平行に相互作用を受けることになり、イオンビーム９の冷却効率を向上させることができる。
【０１００】
この実施の形態によれば、補正コイル３９の磁場によりイオンビーム９の軌道を調整することにより、ビームダクトのサイズに従ってイオンビームの軌道を形成することができ、既存イオンビーム９用のダクトを偏向させたりしないで、電子ビーム冷却装置においてイオンビーム９の冷却を効率よく行うことができる。
（実施の形態９）
第９の実施の形態による電子ビーム冷却装置では、図１３に示すように、電子ビーム冷却装置の入射側トロイド部６及び出射側トロイド部１０の中に、イオンビーム９の偏向補正用のコイル４０を内蔵する。図１３は補正コイル４０を内蔵した入射側トロイド部６の概略を示すものである。
【０１０１】
補正コイル４０を設けることにより、入射側トロイド部６及び出射側トロイド部１０に含まれる入射側トロイドコイル７及び出射側トロイドコイルによるイオンビーム９の偏向角度を小さくすることができ、第８の実施の形態（図１２）で説明した偏向用の補正コイル３９の磁場を下げて、補正コイル３９の仕様を容易にすることができるか、あるいは、補正コイル３９の数を減らすことができる。
この実施の形態によれば、電子ビーム冷却装置の前後において、既存リングと異なる特殊形状のダクトを製作することなく、電子ビーム冷却装置をイオンリングのビームラインに導入することができる。
【０１０２】
電子ビーム冷却装置の前後にあって、既設のイオンのビームラインに設けられている補正用のステアリング電磁石を、電子ビーム冷却装置によって偏向させられたイオンビーム９の補正用として使用することができる。通常のイオンリングでは、イオンビームの軌道補正用として、水平方向と垂直方向のステアリング電磁石４１が４極電磁石４２の前後に設けられる（図１２参照）。しかしながら、補正コイル３９を新設する代わりに、同様の目的で既存のステアリング電磁石４１を使用することができる。
【０１０３】
これにより、電子ビーム冷却装置の設置による補正コイル３９の数を減らすことができるか、あるいは補正コイル３９の仕様を容易にすることができる。この実施の形態によれば、新設する補正コイル３９の数を減らして、第８の実施の形態の効果を得ることができる。
【０１０４】
（実施の形態１０）
図１４は第１０の実施の形態による電子ビーム冷却装置の断面を示すものである。入射側トロイドコイル７とセントラル部ソレノイドコイル１５と出射側トロイドコイル１１とそれぞれに内蔵される真空容器４３全体を、電子ビーム冷却装置のない時のイオンビーム軸に対して傾斜させて配置する。
【０１０５】
イオンビーム９は電子ビーム冷却装置の入射側トロイドコイル７及び出射側トロイドコイル１１により偏向させられる。イオンビーム９の電子ビーム冷却装置のないときのイオンビーム軸に対する偏向は、電子ビーム冷却装置の前後に補正コイル３９を配置することによって補正する。しかしながら、トロイドコイル７及び１１の磁場が強くなると偏向角が大きくなり、その分、補正コイル３９の磁場も大きくなる。したがって、セントラル部８におけるイオンビーム９を電子ビーム冷却装置を設けていないときのイオンビーム軸に一致させるためには、補正コイル３９の数と配置、磁場の強さを調整しなければならなくなり、イオンビーム９もセントラル部８以外ではかなりビーム軸からずれてしまう場合も生じてくる。
【０１０６】
そこで、入射側トロイドコイル７とセントラル部ソレノイドコイル１５と出射側トロイドコイル１１の磁場中心軸を、電子ビーム冷却装置を設けていないときのイオンビーム軸に対して、内蔵する真空容器４３ごと、傾斜させることによって、トロイドコイル７，１１及び補正コイル３９によって、電子ビーム冷却装置を設けていないときのイオンビーム軸に対して、はずれたイオンビーム９を、元の軸に戻さないで、電子ビーム冷却装置の電子ビーム４のビーム軸をイオンビーム９に合わせて設置することができる。
【０１０７】
これにより、補正コイル３９を小さくすることができるとともに、補正コイル３９を調整することによりイオンビーム９のずれ幅を小さくし、イオンビーム用の真空容器４３をリングの他の部分と同じ形状に保つことができる。さらに、真空容器４３側にあらかじめ傾斜角度をつけておくことができるので、コイル７，１５，１１は真空容器４３を芯として組立作業をすることができる。
【０１０８】
この実施の形態によれば、電子ビーム冷却装置の設置に伴う、補正コイル３９の負荷を減少させることができ、補正コイル３９の数を減らすことができるか、あるいは仕様を緩やかにすることができる。また、電子ビーム冷却装置のコイルと真空容器の軸を一致させているので、組立も従来通りにすることができる。
【０１０９】
入射側トロイドコイル７とセントラル部ソレノイドコイル１５と出射側トロイドコイル１１の磁場中心軸を、電子ビーム冷却装置を設けていないときのイオンビーム軸に対して、傾斜させるか又は偏芯させて配置し、中の真空容器４３は従来のイオンビーム軸に合わせて組み立てることができる。さらに、電子ビーム４の入射角と出射角とが１８０°異なる場合、トロイド磁場から受ける磁場の影響が逆になり、セントラル部ソレノイドコイル１５の磁場と真空容器の軸を偏芯させることによって、セントラル部８の冷却空間で効率よく冷却することができる。
【０１１０】
出射側トロイドコイル１１の磁場強度は、出射側トロイドコイル１１によるイオンビーム９の偏向角度に応じて、入射側トロイドコイル７の磁場強度に比べ、１００％から７０％程度にまで下げて使用することができる。入射側トロイドコイル７は冷却前なので、電子ビーム４の特性を低下させないために、電子ビーム入射部のソレノイドコイル５とセントラル部ソレノイドコイル１５の磁場と整合性をとる必要があるが、出射側トロイドコイル１１は電子ビーム回収部１２で電子が回収できるかぎり、磁場強度を低下させることが可能である。
【０１１１】
これにより、出射側トロイドコイル１１によるイオンビーム９の偏向角度を小さくし、電子ビーム冷却装置の下流側の補正コイル３９の負担を減らすことができる。
【０１１２】
（実施の形態１１）
第１１の実施の形態に係る電子ビーム冷却装置では、セントラル部に電極４５を内蔵することによって、イオンビームの位置を検出し、その検出結果をイオンリング全体のビームの閉軌道の歪み補正のために使用する。図１５にこの実施の形態による電子ビーム冷却装置のセントラル部８を示す。
【０１１３】
セントラル部８には、真空容器４３の中に電子ビーム４とイオンビーム９の位置を検出するために電極４５が設けられる。また、通常のイオンリングにはイオンビーム９の軌道を確認するために、ある間隔で電極が設けられており、その情報を用いてステアリング電磁石４１を調整し、イオンビーム９の閉軌道の歪みを補正する。
【０１１４】
この実施の形態によれば、電子ビーム冷却装置の内部にある電極４５からのイオンビーム９の軌道の情報も、軌道補正に利用することによって、軌道補正の精度を向上させることができるか、又は、イオンリング内の電極を減らすことができる。
【０１１５】
イオンビームを冷却することによって、イオンリングのビーム入射時のエネルギーにおけるイオンビームのエミッタンスを小さくすることができる。
【０１１６】
イオンリングへの電子ビーム冷却装置の設置は、周回しているイオンビーム９の運動量の広がりを減少させることを目的としている。電子銃で生成された低温電子ビームは断熱膨張法によって極低温化され、イオンの周回ビームと精密に合流させることによって、イオンビームの運動量の減少に加えて、位相空間内でのビームの広がりを表すエミッタンスを縮小することができる。
【０１１７】
この実施の形態に従ってビームの広がりを小さくすることにより、入射性及び加速効率を大幅に改善できると同時に、冷却蓄積法を用いて蓄積ビーム強度を大きくすることができ、２次ビームを用いた診断・治療を初めとする高精度重粒子線治療や物理実験に貢献することができる。
【０１１８】
イオンビームを冷却することによって、イオンリングのビームフラットトップの最大エネルギーにおけるイオンビームのエミッタンスを小さくすることができる。こうすることにより、冷却蓄積法を用いて蓄積ビーム強度を大きくすることができ、２次ビームを用いた診断・治療を初めとする高精度重粒子線治療や物理実験に貢献することができる。
【０１１９】
さらに、ソレノイドコイルは従来通り常電導とすることができる。こうすることにより、イオン蓄積リング又はイオンシンクロトロンのビーム特性を向上させることができ、２次ビームを用いた診断・治療を初めとする高精度粒子線治療や物理実験に貢献することができる。
【０１２０】
【発明の効果】
以上述べた本発明によれば、電子ビーム冷却装置の入射側機器に超電導ソレノイドコイルを用いることにより、電子ビームの断熱膨張によりイオンビームの冷却効率を向上させることができる。また、超電導ソレノイドコイルのクライオスタットと極低温発生源のクライオスタットを別構造とすることによって、前記電子ビーム入射部及び電子ビーム回収部の向きを垂直方向に９０°立てて設置しているので、電子銃部ソレノイドコイルと電子回収側のソレノイドコイルを横向きにした場合の影響が大幅に改善され、イオンビームの偏向によりビームが上下方向に大きく偏向させられることを大幅に抑制し、既存形状のビームパイプ等ではビームが壁に突き当たる恐れが大幅に軽減される。
【０１２１】
さらに、補正電磁石やセントラル部ソレノイドコイルの向きを調整することにより、セントラル部における、電子ビームによるイオンビームの冷却効率を向上させることができる。
【０１２２】
したがって本発明による電子ビーム冷却装置によれば、イオンビームの冷却効率を向上させ、イオンビーム特性を向上させ、それによって、２次ビームを用いた診断・治療を初めとする高精度重粒子線治療や物理実験に貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による電子ビーム冷却装置の縦断面図。
【図２】本発明の第２の実施の形態による電子ビーム冷却装置の縦断面図。
【図３】本発明の第３の実施の形態による電子ビーム冷却装置の縦断面図。
【図４】図３の要部の拡大図。
【図５】本発明の第４の実施の形態の電子ビーム冷却装置の縦断面図。
【図６】図５の要部の拡大図。
【図７】本発明の第５の実施の形態の電子ビーム冷却装置の縦断面図。
【図８】図７の要部の拡大図。
【図９】本発明の第６の実施の形態の電子ビーム冷却装置の縦断面図。
【図１０】図９の要部の拡大図。
【図１１】本発明の第７の実施の形態の電子ビーム冷却装置の縦断面図。
【図１２】本発明の第８の実施の形態の電子ビーム冷却装置の前後のイオンリングの配置図。
【図１３】本発明の第９の実施の形態の電子ビーム冷却装置において補正コイルを内蔵したトロイド部の断面図。
【図１４】本発明の第１０の実施の形態の電子ビーム冷却装置の縦断面図。
【図１５】本発明の第１１の実施の形態の電子ビーム冷却装置のセントラル部の断面図。
【図１６】従来の電子ビーム冷却装置の縦断面図。
【符号の説明】
１ 電子ビーム入射部
２ 電子銃
３ 加速管
４ 電子ビーム
５ 電子銃部ソレノイドコイル
６ 入射側トロイド部
７ 入射側トロイドコイル
８ セントラル部
９ イオンビーム
１０ 出射側トロイド部
１１ 出射側トロイドコイル
１２ 電子ビーム回収部
１３ 減速管
１４ コレクタ
１５ セントラル部ソレノイドコイル
１６ 磁気シールド
１７ 超電導ソレノイドコイル
１８ フィードスルー
１９ 冷媒槽
２０ 電流供給ポート
２１ 真空排気ポート
２２ 予冷ポート
２３ 超電導クライオスタット
２４，２５，３５ 輻射熱シールド
２６ 良熱伝導体
２７ 極低温冷凍機
２８ 冷媒移送管
２９ 冷媒排出管
３０ 超電導ソレノイドコイル部クライオスタット
３１ 冷媒槽部クライオスタット
３２ 接続管
３３ 可撓性部
３４ フランジ部
３６ 冷凍機部クライオスタット
３７ 超電導ソレノイドコイル
３８ 磁気シールド
３９ 補正コイル
４０ トロイド内蔵補正コイル
４１ ステアリング電磁石
４２ ４極電磁石
４３ 真空容器
４４ 真空ダクト
４５ 電極
Claims (20)
- 超電導ソレノイドコイルを含む電子銃及び加速管を含んで構成され、均一速度の電子ビームをイオンリングに入射する電子ビーム入射部と、前記イオンリングに入射しイオンリングから出射するために前記電子ビームを曲げるトロイド部と、前記電子ビームとイオンビームを平行して通過させ、イオンビームを冷却するセントラル部と、前記電子ビームを回収する電子ビーム回収部とを備えた電子ビーム冷却装置において、冷媒を貯溜する冷媒槽と、前記超電導ソレノイドコイルを前記冷媒槽からの接触伝熱によって冷却する接触伝熱手段とを設け、さらに前記電子ビーム入射部及び電子ビーム回収部の向きを垂直方向に９０°立てて設置することを特徴とする電子ビーム冷却装置。
- 超電導ソレノイドコイルを含む電子銃及び加速管を含んで構成され、均一速度の電子ビームをイオンリングに入射する電子ビーム入射部と、前記イオンリングに入射しイオンリングから出射するために前記電子ビームを曲げるトロイド部と、前記電子ビームとイオンビームを平行して通過させ、イオンビームを冷却するセントラル部と、前記電子ビームを回収する電子ビーム回収部とを備えた電子ビーム冷却装置において、冷凍機と、前記超電導ソレノイドコイルを前記冷凍機からの接触伝熱によって冷却する接触伝熱手段とを設けるとともに、前記超電導ソレノイドコイルのための断熱容器と前記冷凍機のための断熱容器とを別構造として１つの真空容器内に納め、、さらに前記電子ビーム入射部及び電子ビーム回収部の向きを垂直方向に９０°立てて設置することを特徴とする電子ビーム冷却装置。
- 前記冷媒槽と前記超電導ソレノイドコイルとの間に冷媒移送管及び排出管を設け、前記超電導ソレノイドコイルを冷媒により直接冷却するとともに、前記超電導ソレノイドコイルのための断熱容器と前記冷媒槽のための断熱容器とを別構造として１つの真空容器内に納めたことを特徴とする請求項１に記載の電子ビーム冷却装置。
- 前記超電導ソレノイドコイルのための真空容器と前記冷媒槽とを別構造とし、前記超電導ソレノイドコイルのための真空容器と前記冷媒槽との間を、伝熱部を有する接続管を介して接続し、前記冷媒槽と前記超電導ソレノイドコイルとの間を、前記伝熱部を介して伝熱することを特徴とする請求項１に記載の電子ビーム冷却装置。
- 前記超電導ソレノイドコイルのための真空容器と前記冷凍機のための真空容器とを別構造とし、前記超電導ソレノイドコイルのための真空容器と前記冷凍機のための真空容器との間を、伝熱部を有する接続管を介して接続し、前記冷凍機と前記超電導ソレノイドコイルとの間を、前記伝熱部を介して伝熱することを特徴とする請求項２に記載の電子ビーム冷却装置。
- 前記超電導ソレノイドコイルのための真空容器と前記冷媒槽とを別構造とし、前記超電導ソレノイドコイルのための真空容器と前記冷媒槽との間を、内部に冷媒移送管及び排出管を有する接続管を介して接続し、前記冷媒槽から前記冷媒移送管を介して前記超電導ソレノイドコイルへ冷媒を供給し、前記超電導ソレノイドコイルで気化した溶媒を前記排出管を介して前記冷媒槽へ回収することを特徴とする請求項３記載の電子ビーム冷却装置。
- 前記接続管に可撓性部を設けたことを特徴とする請求項４ないし６のいずれかに記載の電子ビーム冷却装置。
- 前記接続管にフランジ部を介在させたことを特徴とする請求項４ないし６のいずれかに記載の電子ビーム冷却装置。
- 前記電子ビーム回収部に含まれるソレノイドコイルとして、前記電子銃に含まれる超電導ソレノイドコイルと同一構造の超電導ソレノイドコイルを設けたことを特徴とする請求項１に記載の電子ビーム冷却装置。
- 入射側トロイドの上流側及び出射側トロイドの下流側のイオンのビームラインにそれぞれイオンビーム偏向用の補正コイルを設けたことを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の電子ビーム冷却装置。
- 入射側トロイド部及び出射側トロイド部にそれぞれイオンビーム偏向用の補正コイルを内蔵したことを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の電子ビーム冷却装置。
- 前記イオンのビームラインに設けられている補正用のステアリング電磁石を偏向させられたイオンビームの補正用に使用することを特徴とする請求項１ないし１１のいずれかに記載の電子ビーム冷却装置。
- 入射側トロイドコイル、セントラル部ソレノイドコイル、及び出射側トロイドコイルを、それらの磁場中心軸を電子ビーム冷却手段がない時のイオンビーム軸に対して傾斜させるか偏芯させるかして配置したことを特徴とする請求項１ないし１２のいずれかに記載の電子ビーム冷却装置。
- 入射側トロイドコイル、セントラル部ソレノイドコイル、及び出射側トロイドコイルをそれぞれに内蔵する真空容器全体を、電子ビーム冷却手段がない時のイオンビーム軸に対して傾斜させるか偏芯させるかして配置したことを特徴とする請求項１ないし１３のいずれかに記載の電子ビーム冷却装置。
- 出射側トロイドコイルの磁場強度を、トロイドコイルによるイオンビームの偏向角度に応じて、入射側トロイドコイルの磁場強度に比べて、１００％未満から７０％程度まで低下させたことを特徴とする請求項１ないし１４のいずれかに記載の電子ビーム冷却装置。
- セントラル部に、イオンビームの位置を検出し、その検出結果に従ってイオンリング全体のビームの閉軌道の歪みを補正するための電極を内蔵したことを特徴とする請求項１ないし１５のいずれかに記載の電子ビーム冷却装置。
- イオンビームを冷却することによってイオンリングのビーム入射時のエネルギーにおけるイオンビームのエミッタンスを小さくすることを特徴とする請求項１ないし１６のいずれかに記載の電子ビーム冷却装置。
- イオンビームを冷却することによってイオンリングのビームフラットトップの最大エネルギーにおけるイオンビームのエミッタンスを小さくすることを特徴とする請求項１ないし１６のいずれかに記載の電子ビーム冷却装置。
- 請求項１ないし１８のいずれかに記載の電子ビーム冷却装置を備えたイオン蓄積リング。
- 請求項１ないし１８のいずれかに記載の電子ビーム冷却装置を備えたイオンシンクロトロン。
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| JP34816397A JP3720968B2 (ja) | 1997-12-17 | 1997-12-17 | 電子ビーム冷却装置並びにそれを備えたイオン蓄積リング及びイオンシンクロトロン |
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| JPH11186000A JPH11186000A (ja) | 1999-07-09 |
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1997
- 1997-12-17 JP JP34816397A patent/JP3720968B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| JPH11186000A (ja) | 1999-07-09 |
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