JP4051318B2

JP4051318B2 - 電子ビーム冷却装置

Info

Publication number: JP4051318B2
Application number: JP2003176614A
Authority: JP
Inventors: 渕照康永; 野栄一小
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-06-20
Filing date: 2003-06-20
Publication date: 2008-02-20
Anticipated expiration: 2023-06-20
Also published as: JP2005011750A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、イオン蓄積リングおよびイオン・シンクロトロンに用いられる電子ビーム冷却装置に係り、とくに冷却性能を向上させるための構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の電子ビーム冷却装置の平面形状および縦断面形状を、図６(a)，(b)に示す。従来の電子ビーム冷却装置の、上流側トロイド部６および下流側トロイド部９のコイル組立方法は、ドーナツ状巻枠に導体を連続して巻き付ける手法を採っている。
【０００３】
これを、溶接により組み立てられた箱状の磁気シールド２０ａ，２０ｂの中に入れてモールドすることにより、上流側トロイド部６および下流側トロイド部９が製作される。
【０００４】
上流側トロイド部６および下流側トロイド部９のコイル１７ａ，１７ｂ，１８ａ，１８ｂの中にはそれぞれ真空容器が組込まれ、上流側トロイド部６および下流側トロイド部９の真空容器には、電子ビーム用ポート１４ａ，１４ｂと、イオンビーム用ポート１５ａ，１５ｂと、電子ビームおよびイオンビーム用ポート１６ａ，１６ｂとが取付けられている。
【０００５】
これらのうち、電子ビーム用ポート１４ａ，１４ｂとイオンビーム用ポート１５ａ，１５ｂとは分岐するため、上流側トロイド部６および下流側トロイド部９のコイル１７ａ，１７ｂ，１８ａ，１８ｂをセントラル部磁気シールド２１を有するセントラル部７より遠い方から被せて装着させるためには、コイル断面の大きさがこれら両方のポート１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂを同時に潜らせるだけの開口でなければならない。
【０００６】
すなわち、上流側トロイド部６および下流側トロイド部９のコイルを大きくする必要があり、この結果、イオンビーム８の進行方向長さが長くなる。これにより、電子ビーム冷却装置全体のイオンビーム８の進行方向長さに対して、セントラル部７はあまり長くできない。そのため、電子ビーム冷却装置の冷却性能を十分に発揮できない。
【０００７】
これを回避する方法の一つは、図７(a)，(b)に示すように、上流側トロイド部６および下流側トロイド部９をそれぞれ上下に分割することである。すなわち、上流側トロイド部６および下流側トロイド部９のそれぞれの下側部分を真空容器に予め被せた状態にし、上流側トロイド部６および下流側トロイド部９の真空容器をセントラル部７の真空容器と締結し、その後に上流側トロイド部６および下流側トロイド部９の上側部分を下側部分と締結するものである。
【０００８】
ところが、この図７の場合は、上流側トロイド部６および下流側トロイド部９の上側部分と下側部分との接続面において、上流側トロイド部６および下流側トロイド部９の円弧中心に近い直線部分には、磁気シールド間締結のためのフランジを取付けるスペースが無い。
【０００９】
この部分にフランジを取付けるためには、円弧の半径を大きくする必要があり、上流側トロイド部６および下流側トロイド部９のコイルが大きくなって、これら両部６，９におけるイオンビームの進行方向長さが長くなる。これにより、電子ビーム冷却装置全体の寸法を大型化しないためには、電子ビーム冷却装置の全体的なイオンビームの進行方向長さに対して、セントラル部７をあまり長くできない。そのため、電子ビーム冷却装置の冷却性能を十分に発揮できなかった。
【００１０】
【特許文献１】
特開平１０−１３４９９９号公報
【特許文献２】
特開平１１−１８６０００号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
電子ビーム冷却装置は、電子ビーム入射部１、上流側トロイド部６、セントラル部７、下流側トロイド部９、コレクタ部１０により構成され、イオン・シンクロトロンまたはイオン蓄積リングに据え付けられる。
【００１２】
電子ビーム入射部１には、真空容器２が設けられ、その中に電子銃３から電子ビーム４が出射され、加速管または加速ギャップ５を経て電子ビーム用ポート１４ａに向け送出されるように構成されている。また、コレクタ部１０には、減速管または減速ギャップ１１、コレクタアノード１２、コレクタ１３が設けられている。
【００１３】
イオンビーム８の冷却性能は、セントラル部７の長さがイオン・シンクロトロンまたはイオン蓄積リングの周長に対して占める割合によって決まる。そこで、イオン・シンクロトロンまたはイオン蓄積リングの決められた直線部に電子ビーム冷却装置を入れなければならず、イオンビーム８の進行方向長さが制限される。
【００１４】
イオンビーム８の進行方向長さは、上流側トロイド部６、セントラル部７、下流側トロイド部９により決まるので、セントラル部７を長くするためには上流側トロイド部６および下流側トロイド部９を短くしなければならない。
【００１５】
しかしながら、従来、このような構造が実現された例はなく、セントラル部７を長くできるような具体的構造の提供が望まれている。
【００１６】
本発明は、上述の点を考慮してなされたもので、電子ビームとイオンビームとを離合させるための、上流側トロイド部および下流側トロイド部のイオンビームの進行方向長さをできるだけ短くし、電子ビーム冷却装置全体のイオンビームの進行方向長さに対して、セントラル部をできるだけ長くした電子ビーム冷却装置を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明では、次のような発明を提供する。
【００１８】
本発明は、電子銃および加速管または加速ギャップを含むソレノイドコイルにより構成され、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、前記電子ビームを偏向させて前記イオンリングに入射するための上流側トロイド部と、前記イオンリングから前記電子ビームを偏向し前記イオンリングから出射するための下流側トロイド部と、前記電子ビームとイオンビームとを平行して通過させ、前記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コレクタ部とを備えた電子ビーム冷却装置において、
前記上流側トロイド部および前記下流側トロイド部は、それぞれ互いに分離されたコイルの集合体として形成され、このコイルの集合体の各々は、それぞれ異なる横断面面積を有し、各横断面の少なくとも一側辺の位置が一致するように配され、前記コイルの集合体に対して各々別々に組み合わされる半割状であり、かつ前記コイルの集合体の位置出しを行うものである磁気シールドを有することを特徴とする。
【００１９】
この構成では、上流側トロイド部および下流側トロイド部をそれぞれ互いに分離されたコイルの集合体として形成することにより、上流側トロイド部および下流側トロイド部のコイルのうち、真空容器の電子ビーム用ポートだけを跨ぐものはこのポートの方から潜らせ、イオンビーム用ポートと電子ビーム・イオンビーム用ポートとを跨ぐものは電子ビームおよびイオンビーム用ポートの方から潜らせる。
【００２０】
この状態で、上流側トロイド部および下流側トロイド部の真空容器をセントラル部の真空容器と締結する。その後に、上流側トロイド部および下流側トロイド部の半割状に形成された磁気シールドをコイルに被せて組み立てる。さらに、上流側トロイド部および下流側トロイド部の半割状に形成された磁気シールドをセントラル部の磁気シールドと締結する。
【００２１】
以上の方法により上流側トロイド部および下流側トロイド部の組立を行えば、セントラル部との接続が可能な状態で、上流側トロイド部および下流側トロイド部のイオンビームの進行方向長さを最小にでき、それに応じてセントラル部の長さを増すことができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について、図１ないし図５を参照して説明する。なお、図１ないし図５において従来技術と同等の構成部品については、同一符号を付し、また重複する説明を省略する。
【００２３】
（実施の形態１）
図１(a),(b)は、本発明に係る第１の実施の形態による電子ビーム冷却装置の断面を示す平面図および正断面図である。電子ビーム入射部１において、真空容器２内の電子銃３から発生した電子ビーム４は、加速管または加速ギャップ５により加速され、電子ビーム入射部１の上流側トロイド部３０を通過してセントラル部７でイオンビーム８と等速度で平行に走行し、イオンビーム８を冷却する。
【００２４】
その後、下流側トロイド部３１を通過してコレクタ部１０のコレクタ１３に導かれる。この際、減速管または減速ギャップ１１により運動エネルギーを低減してコレクタアノード１２を通過するのに支障がない程度まで、電子ビーム４のエネルギーを下げる。
【００２５】
これにより、コレクタアノード１２とコレクタ１３との間に電位差を発生させて、電子ビーム４をコレクタアノード１２からコレクタ１３に向かって加速し、コレクタ１３の内表面に吸収させる。
【００２６】
図２(a),(b),(c)および(d)は、上流側トロイド部３０および下流側トロイド部３１のコイル構成を磁気シールドを半分装着した状態で示した正断面図、平面図、底面図および左側面図である。このように、上流側トロイド部３０および下流側トロイド部３１をそれぞれ分離されたコイルの集合体として形成することにより、両トロイド部３０，３１の長さを短くすることができ、それに応じてイオンビーム８の進行方向長さを長くすることができる。
【００２７】
これら各コイルの集合体は、それぞれ横断面面積が異なる２つの集合体として構成される。そして、各集合体同士は、軸線位置がずらされて横断面の少なくとも一側辺が一致するように互いに連結される。図２(c),(d)の場合は、図示上辺および図２(d)における右側辺の位置が一致するように連結されている。
【００２８】
これにより、集合体同士を連結する際の集合体相互の位置合わせに際して側辺位置を基準にして作業を行うことができ、作業性が良好である。
【００２９】
そして、上流側トロイド部３０および下流側トロイド部３１を半割状に構成された磁気シールド３２ａ，３２ｂに組み合わせて、コイルの位置出しを行う。
【００３０】
図３(a),(b),(c)および(d)は、図２に示した上流側トロイド部３０および下流側トロイド部３１に対して、もう一つの半割状に構成された磁気シールド３３ａ，３３ｂを組み合わせて、２つの半割状磁気シールド３２ａ，３２ｂ，３３ａ，３３ｂ同士を締結固定した状態を示す正断面図、平面図、底面図および左側面図である。
【００３１】
この構造を採用することにより、トロイド部の組立を次のように行うことができる。上流側トロイド部３０および下流側トロイド部３１のコイルの内、真空容器の電子ビーム用ポート１４だけを跨ぐトロイド部上側コイル１７は電子ビーム用ポート１４の方から潜らせ、イオンビーム用ポート１５と電子ビームおよびイオンビーム用ポート１６とを跨ぐトロイド部下側コイル１８は、電子ビームおよびイオンビーム用ポート１６の方から潜らせる。
【００３２】
この状態で、電子ビームおよびイオンビーム用ポート１６をセントラル部真空容器１９と締結する。その後、トロイド部磁気シールド３２ａ，３２ｂ，３３ａ，３３ｂをトロイド部上側コイル１７およびトロイド部下側コイル１８に被せて組み立てる。さらに、トロイド部磁気シールド３２ａ，３２ｂ，３３ａ，３３ｂをセントラル部７の磁気シールド２１と締結する。
【００３３】
この図３に示した構造の場合も、図２に示した構造と同様に、集合体同士を連結する際の集合体相互の位置合わせに際して側辺位置を基準にして作業を行うことができ、作業性が良好である。
【００３４】
以上の方法によって、上流側トロイド部３０および下流側トロイド部３１の組立を行えば、セントラル部７との接続が可能な状態で、上流側トロイド部３０および下流側トロイド部３１のイオンビーム８の進行方向長さを最小にできる。これにより、電子ビーム冷却装置全体のイオンビーム８の進行方向長さに対して、セントラル部７の長さを長くすることができ、冷却性能の向上を計ることができる。
【００３５】
（実施の形態２）
図４は、本発明に係る第２の実施の形態である電子ビーム冷却装置のイオンリングへの設置状態における、電子ビーム重心系での電子ビーム冷却の模式図である。
【００３６】
イオンリングへの電子ビーム冷却装置の設置は、図１に示したように、周回しているイオンビーム８を冷却することによってイオンビーム８のエミッタンスを小さくすること、および運動量の広がりを減少させて均一な性質のイオンビーム８を生成することを目的としている。
【００３７】
そして、電子銃３で生成された電子ビーム４は、電子ビーム入射部１とセントラル部７との、ソレノイドコイルの磁束密度の比を等しくする場合、あるいは電子ビーム入射部１およびセントラル部７のソレノイドコイルの磁束密度を大きくして断熱膨張法により低温化される場合に対して、周回するイオンビーム８と合流させる。
【００３８】
電子ビーム重心系でみた場合、図４に示すように、電子粒子２８は、ソレノイド磁場２７に巻き付き、小さなラーマー半径で円運動を行っている。
【００３９】
他方、イオンビームは電子ビームより温度が高いため、イオン粒子２９は電子粒子２８に対してバラバラな方向に運動している。このため、イオン粒子２９は、それ自体よりも質量が圧倒的に小さい電子粒子２８を標的に運動してエネルギー損失を起こし、次第に電子ビーム重心系に対する運動量を失う。
【００４０】
すなわち、イオンビーム８（図１）の運動量の広がりの減少に加え、位相空間内でのビームの広がりを示すエミッタンスを縮小することができる。そして、セントラル部７（図１）を長くしてイオンリングの周長に対する割合を大きくすることにより、イオンビームに対する冷却性能を改善することができ、イオンビームの運動量の減少、位相空間内でのエミッタンスの縮小を実現することができる。
【００４１】
この実施の形態にしたがって、イオンビームのビーム広がりまたは運動量の広がりを小さくすることにより、入射したイオンビームの特性を改善し、様々な応用に用いることができる。
【００４２】
例えば、イオンビームが冷却されることによってイオンビームのサイズが小さくなる効果を利用して、イオンビームの追加入射を行い蓄積イオン粒子数を飛躍的に増大させることができる。蓄積イオン粒子数を増大させて、入射エネルギーのまま、あるいは加速して他の電子、光子等との反応の頻度を増大させ、効率の良い測定を行うことができる。蓄積イオン粒子数を飛躍的に増大させて、そのまま出射することもできる。
【００４３】
また、例えばイオンリングの途中に標的を置き、この標的に対するイオンビームのスポットを小さくして、発生する二次ビームの性質を精度良く測定することが可能となる。この場合、イオンビームの運動量の広がりも小さくなっているので、二次ビーム測定の精度も良くなる。また、このとき、標的との衝突により増大したイオンビーム８のエミッタンス、運動量の広がりを電子ビーム４の冷却効果により再び減少させることができる。
【００４４】
また、入射時のイオンビーム８の特性が改善した状態において、そのままイオンビームを出射すれば、エミッタンス、運動量の広がりが小さいビームを供給できる。このビームを標的に当てて、それに応じて生じる原子核、原子反応を精度良く測定することができる。
【００４５】
また、追加入射を行った後に出射されたイオンビームは、パルス当たり粒子数が飛躍的に増大するので、何らかの標的との衝突により生じる単位時間当たりの反応が多くなり、S／Ｎ比の良い測定を行うことができる。
【００４６】
これらの効果により、二次ビームを用いた診断・治療、一次ビームを用いた診断・治療および物理実験に貢献させることができる。また、入射時のイオンビームの特性改善をした状態で、所定の射出エネルギーまで加速し、出射した場合にも、イオンビームは特性改善されており、前述と同様に、二次ビームを用いた診断・治療、一次ビームを用いた診断・治療および物理実験に貢献することができる。
【００４７】
（実施の形態３）
図５は、本発明に係る第３の実施の形態としての電子ビーム冷却装置のイオン蓄積リングまたはイオン・シンクロトロンへの設置状態を示すものである。イオン蓄積リングまたはイオン・シンクロトロンは、偏向電磁石２２、４極電磁石２３、真空ダクト２４、加速空洞２５等により構成される。
【００４８】
ここで、電子ビーム冷却装置２６をイオン蓄積リングまたはイオン・シンクロトロンに設置することにより、電子ビーム４を周回するイオンビーム８に対し合流させて、イオンビーム８の運動量の減少に加え、位相空間内でのイオンビーム８の広がりを表すエミッタンスを少なくすることができる。
【００４９】
すなわち、イオンリングの入射エネルギーまたは最大エネルギーにおけるイオンビーム８のエミッタンスを小さくできる。イオンビーム８のエミッタンスを改善することにより、出射ビーム特性が改善される。したがって、ビーム利用に対する有効な手段となる。そして、一次ビームまたは二次ビームを用いた診断・治療をはじめとする、高精度重粒子線治療および物理実験に貢献できる。
【００５０】
このように構成することにより、イオン蓄積リングまたはイオン・シンクロトロン・リングのビーム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、入射したイオンビームの特性改善を計ることができる。
【００５１】
また、ビームの最大エネルギーでのイオンビームの特性を改善することにより、出射したイオンビームは、二次ビームを用いた診断・治療、一次ビームを用いた診断・治療および物理実験に利用することができる。
【００５２】
【発明の効果】
本発明によれば、上述のように、電子ビームとイオンビームとを離合させるための上流側トロイド部および下流側トロイド部を互いに分離されたコイルの集合体として形成するとともに、上流側トロイド部および下流側トロイド部の磁気シールドを半割の組合せ構造としたため、上流側トロイド部および下流側トロイド部のイオンビームの進行方向長さをできるだけ短く、かつ電子ビーム冷却装置全体のイオンビームの進行方向長さに対してセントラル部をできるだけ長くすることができる。したがって、イオンビームの冷却能力を高めることができ、性能向上を計ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１の実施の形態による電子ビーム冷却装置の断面図および上面図。
【図２】図２(a),(b),(c)および(d)は、上流側トロイド部および下流側トロイド部のコイル構成を示した正断面図、平面図、底面図および左側面図。
【図３】図３(a),(b),(c)および(d)は、図２に示した上流側トロイド部および下流側トロイド部に対して、２つの半割状磁気シールド同士を締結固定した状態を示す正断面図、平面図、底面図および左側面図。
【図４】本発明に係る第２の実施の形態による電子ビーム冷却装置のイオンリングへの設置状態における電子ビーム重心系での電子ビーム冷却の模式図。
【図５】本発明に係る第３の実施の形態による電子ビーム冷却装置のイオン蓄積リングまたはイオン・シンクロトロンへの設置状態を示す説明図。
【図６】従来の電子ビーム冷却装置の断面図および上面図。
【図７】従来の電子ビーム冷却装置の断面図および上面図。
【符号の説明】
１電子ビーム入射部、２真空容器、３電子銃、４電子ビーム、
５加速管または加速ギャップ、６上流側トロイド部、７セントラル部、
８イオンビーム、９下流側トロイド部、１０コレクタ部、
１１減速管または減速ギャップ、１２コレクタアノード、１３コレクタ、
１４電子ビーム用ポート、１５イオンビーム用ポート、
１６電子ビームおよびイオンビーム用ポート、１７トロイド部上側コイル、
１８トロイド部下側コイル、１９セントラル部真空容器、
２０トロイド部磁気シールド、２１セントラル部磁気シールド、
２２偏向電磁石、２３四極電磁石、２４真空ダクト、
２５電子ビーム冷却装置、２６電子ビームおよびイオンビーム、
２７ソレノイド磁場、２８電子粒子、２９イオン粒子、
３０上流側トロイド部、３１下流側トロイド部、
３２ａ，３２ｂ，３３ａ，３３ｂ磁気シールド。

Claims

電子銃および加速管または加速ギャップを含むソレノイドコイルにより構成され、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、前記電子ビームを偏向させて前記イオンリングに入射するための上流側トロイド部と、前記イオンリングから前記電子ビームを偏向し前記イオンリングから出射するための下流側トロイド部と、前記電子ビームとイオンビームとを平行して通過させ、前記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コレクタ部とを備えた電子ビーム冷却装置において、
前記上流側トロイド部および前記下流側トロイド部は、それぞれ互いに分離されたコイルの集合体として形成され、このコイルの集合体の各々は、それぞれ異なる横断面面積を有し、各横断面の少なくとも一側辺の位置が一致するように配され、前記コイルの集合体に対して各々別々に組み合わされる半割状であり、かつ前記コイルの集合体の位置出しを行うものである磁気シールドを有する
ことを特徴とする電子ビーム冷却装置。
前記コイルの集合体同士は、軸線位置がずらされて横断面の少なくとも一側辺の位置が一致するように互いに連結されることを特徴とする請求項１記載の電子ビーム冷却装置。