JPH10134999A - 電子ビーム冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】電子ビーム射出機器に超電導ソレノイドコイル
と水冷ソレノイドコイルを併用し、運動量の広がりの少
ない電子ビームを発生して、イオンビームの運動量の広
がりの小さいコンパクトな電子ビーム冷却装置を提供す
る。 【解決手段】請求項１記載の発明に係る電子ビーム冷却
装置は、電子ビーム射出機器17の電子銃２と加速管３部
に超電導ソレノイドコイル32を配し、射出側トロイドコ
イル６との間に水冷ソレノイドコイル36を設けると共
に、ソレノイドコイル全体を連続した磁気シールド31で
覆い、磁気シールド31の内の水冷ソレノイドコイル磁性
体33で超電導ソレノイドコイル磁性体32との境界を超電
導ソレノイドコイル磁性体32の内径より小径に形成し、
水冷ソレノイドコイル36と反対側に超電導クライオスタ
ット21の真空排気ポート19等を配置したことを特徴とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、イオン蓄積リング
又はイオンサイクロトロンリングに設置して周回してい
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
的とした電子ビーム冷却装置に係り、特に均一速度の電
子ビームを射出する電子ビーム射出機器を備えた電子ビ
ーム冷却装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の水冷ソレノイドコイルを用いた電
子ビーム冷却装置については、図４の一部切り欠き正面
図に示すように、電子ビーム射出機器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前記電子ビーム
４の通る部分には、電子の電荷による発散を防ぐため
に、射出側ソレノイドコイル５によりソレノイド磁界を
発生させている。

【０００３】電子ビーム４は射出側トロイドコイル６に
より偏向され、イオンビーム中に入射されてイオンビー
ムを冷却する。次いでイオンビームを冷却した電子ビー
ム４は、回収側トロイドコイル７により再び偏向され、
減速管８に導かれてエネルギーを回収した後にコレクタ
９によって回収される。この電子ビーム４をイオンビー
ムに入射する際には、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、電子ビーム射出機器１におい
ては、できるだけ電子ビーム運動量の広がりを小さくす
る必要がある。

【０００４】電子ビーム４を生成して運動量を与える電
子銃２及び加速管３部において、前記射出側ソレノイド
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、または変化することは、電子に進行方向と垂
直方向の運動量成分を発生させることになる。従って、
この結果は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、ソレノイド磁界は高い
均一度が要求されると共に、加速方向とソレノイド磁界
方向が一致している必要がある。

【０００５】また、射出側ソレノイドコイル５において
は、射出側トロイドコイル６との接合部10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、前記射出側トロイドコイル６との接合部10におけ
るソレノイド磁界の一様性が要求されている。このソレ
ノイド磁界の変化については、次の式（１）に示す断熱
パラメータχが１より十分小さい必要がある。

【０００６】

【数１】

【０００７】ここでＢは磁界、λ_ｃは電子のサイクロト
ロン波長である。また、この電子のサイクロトロン波長
λ_ｃは次の式（２）で求められることから、ソレノイド
磁界に対して断熱パラメータχは次の式（３）に示すよ
うな形にまとめられる。

【０００８】

【数２】

【０００９】

【数３】

【００１０】なお、磁界変化を少なくするために、ソレ
ノイドコイル及びトロイドコイルは巻線が連続するよう
に構成されている。

【００１１】射出側ソレノイドコイル５は、イオンビー
ム軌道に不正な磁界を発生しないために磁性体による磁
気シールドで覆われている。また、磁界を加速管３部か
ら射出側トロイドコイル６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
を小さくできることが分かっている。この時のソレノイ
ド磁界変化も上記式（３）の断熱パラメータχが、１よ
り十分小さい必要がある。また、断熱膨張効率は磁界の
大きさの変化量が大きい方が高い。

【００１２】しかしながら、電子の発散を防ぐために電
子ビーム軌道中のソレノイド磁界は、最低数百ガウスが
必要なことから磁界の大きさの変化量を大きくするに
は、加速管３部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
ル形状が大きくなることから、この対策として超電導ソ
レノイドコイルの採用が考えられる。

【００１３】超電導ソレノイドコイルの例としては、図
５の縦断面図を示すように、均一磁界が必要で漏洩磁界
を小さくした超電導コイルの電磁石としては、磁気共鳴
現象を用いた磁気共鳴撮像（Magnetic Resonanse Imag
e，以下ＭＲＩと略称する）用超電導磁石11がある。こ
のＭＲＩ用超電導磁石11は、同軸上に配置された複数の
超電導コイル12と、この超電導コイル12に対して同軸に
配置されている磁気シールド13とから構成されている。

【００１４】前記磁気シールド13及び超電導コイル12は
磁界の高均一度を得るために、超電導コイル12の中心に
対して対称な形状をしているが、しかし、磁気シールド
13の円筒部には設置用の磁気シールド脚13ａが設けられ
ている。

【００１５】さらに、超電導コイル12を囲って冷熱する
ための超電導クライオスタット14には、この重量を支え
るクライオスタット脚14ａが設けられていることから、
前記磁気シールド13の円筒部には、クライオスタット脚
14ａが貫通するクライオスタット脚用穴13ｂや、別途冷
媒と電流の供給ポート15を貫通させることから、供給ポ
ート用穴13ｃと、輻射シールド用の冷凍機ポート等があ
けられている。

【００１６】なお、磁気シ一ルド13の両側のフランジ部
は磁界を効率的にシールドするために、超電導クライオ
スタット14のフランジ部に対して間隔16をあけて配置し
ている。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】電子ビーム射出機器１
において、射出側のソレノイドコイル５に超電導ソレノ
イドコイルを用いることは、加速管３部の磁界を高くし
てソレノイド磁界の大きさの変化を大きくすることがで
き、より運動量の広がりの小さい電子ビーム冷却装置が
得られる可能性がある。

【００１８】しかしながら、超電導ソレノイドコイルに
おいては、前記のように各部に間隔16や断熱空間が必要
なために、射出側トロイドコイル６との接合部10との間
に巻線のない領域ができて、上記断熱パラメータχが確
保できなくなるという支障があった。

【００１９】また、前記したＭＲＩ用超電導磁石11等に
比較してコイル径が小さいために、超電導クライオスタ
ット14における各ポート用の穴が大きくなり、磁気シー
ルド13の円筒部にあけられた穴がコイル径に対して相対
的に大きくなることから、この磁気シールド13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て、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。

【００２０】さらに、超電導コイル12によりソレノイド
磁界の変化量が大きくなることにより、断熱パラメータ
χが大きくなったり、超電導コイル12からの磁界がなか
なか小さくならず、結果的に射出側トロイドコイル６と
加速管３の間の距離を長くすることから、電子ビーム冷
却装置１の大きさが大きくなる等の支障があった。

【００２１】本発明の目的とするところは、電子ビーム
射出機器に磁界の大きな超電導ソレノイドコイルと水冷
ソレノイドコイルを併用して、運動量の広がりの少ない
電子ビームを発生させることにより、イオンビームの運
動量の広がりを小さくすることのできるコンパクトな電
子ビーム冷却装置を提供することにある。

【００２２】

【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記載の発明に係る電子ビーム冷却装置は、イオ
ン蓄積リング又はイオンサイクロトロンリングに設置し
て均一速度の電子ビームを射出する電子ビーム射出機器
と射出された電子ビームを回収する電子ビーム回収機器
からなる電子ビーム冷却装置において、前記電子ビーム
射出機器の電子銃及び加速管部に磁界を発生させるコイ
ルが超電導ソレノイドコイルで、前記イオン蓄積リング
等に入射するために前記電子ビームを曲げるトロイドコ
イルとの間に磁界を発生させるコイルの水冷ソレノイド
コイルを設けて、前記超電導ソレノイドコイル及び水冷
ソレノイドコイルの全体を連続した円筒形状の磁性体か
らなる磁気シールドで覆い、前記超電導ソレノイドコイ
ル部磁性体と水冷ソレノイドコイル部磁性体の境界にお
いて前記水冷ソレノイドコイル部磁性体に超電導ソレノ
イドコイル部磁性体の内径に対して小径の磁性体部分を
形成すると共に、水冷ソレノイドコイルの反対側に超電
導ソレノイドコイルに対する電流供給ポートと冷熱供給
ポート及びクライオスタットの真空排気ポートを配置し
て前記磁気シールドにおける回転対称性を保持したこと
を特徴とする。

【００２３】トロイドコイルと超電導ソレノイドコイル
の間に水冷ソレノイドコイルが設置されており、トロイ
ドコイルに対して巻線が連続する構成となっていること
から、トロイドコイルと水冷ソレノイドコイルの間での
ソレノイド磁界の変化が抑制される。

【００２４】また、水冷ソレノイドコイルの反対側は、
イオンビーム軌道から離れる方向であり、磁界が少々漏
洩しても影響が少ない位置に超電導ソレノイドコイルの
冷熱等の供給ポートや、クライオスタット真空排気ポー
トを配置したので、磁気シールドには各ポート等の貫通
穴がない。従って、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。なお、超電導ソレノイドコイルの冷熱は冷凍機によ
り発生して超電導ソレノイドコイルに効率良く供給され
る。

【００２５】さらに、超電導ソレノイドコイルに対する
磁気シールドを、水冷ソレノイドコイル側で内径が小さ
くなる部分を形成したことにより、超電導ソレノイドコ
イルにより水冷ソレノイドコイル部分に発生する磁界が
小さくしたことから、加速管とトロイドコイルの距離を
短くすることができる。

【００２６】また、前記のように超電導ソレノイドコイ
ルにより水冷ソレノイドコイル部分に発生する磁界を小
さくして、磁界の小さい水冷ソレノイドコイル部分の磁
界勾配が緩やかとなり断熱パラメータが小さい。従っ
て、電子銃及び加速管部でのソレノイド磁界均一度を高
くしたままで、水冷ソレノイドコイルにより断熱パラメ
ータを小さくした磁界勾配が生成できる。

【００２７】請求項２記載の発明に係る電子ビーム冷却
装置は、電子ビーム射出機器の磁気シールドにおいて、
超電導ソレノイドコイル部磁性体を水冷ソレノイドコイ
ル部磁性体と一体の磁性体フランジにおいて嵌合等によ
り結合すると共に、前記水冷ソレノイドコイル部磁性体
と水冷ソレノイドコイルは樹脂含浸等により固定し、ま
た超電導ソレノイドコイルのクライオスタットを前記磁
性体フランジに嵌合等により固定したことを特徴とす
る。

【００２８】超電導ソレノイドコイルのクライオスタッ
トと超電導ソレノイドコイル部磁性体を、水冷ソレノイ
コイル部磁性体に対して固定しているので、超電導ソレ
ノイドコイル部磁性体にクライオスタット支持のための
穴をあけていない。

【００２９】これにより、超電導ソレノイドコイルのク
ライオスタットが嵌合等により同軸で強固に固定できる
ので、電子銃及び加速管部での磁界均一度をさらに確実
にできる。また、全てのソレノイドコイルが磁気シール
ドに対して固定されているために、超電導ソレノイドコ
イル及び水冷ソレノイドコイルをーつのマグネットとし
て取扱うことができる。

【００３０】請求項３記載の発明に係る電子ビーム冷却
装置は、電子ビーム射出機器の水冷ソレノイドコイルに
おいて、巻枠の内外径を同軸に形成して磁気シールドの
水冷ソレノイドコイル部磁性体の内径と同軸に樹脂含浸
等で固定すると共に、前記磁性体フランジの当たり面を
水冷ソレノイドコイルの巻枠内径軸に対して垂直に形成
することを特徴とする。

【００３１】水冷ソレノイドコイルを水冷ソレノイドコ
イル部磁性体の内径に同軸で固定すると共に、前記水冷
ソレノイドコイル部磁性体と一体で同軸の磁性体フラン
ジの当たり面を垂直に形成している。

【００３２】これにより、水冷ソレノイドコイルは超電
導ソレノイドコイルと同軸になると共に、クライオスタ
ットも同軸にすることができる。従って、超電導ソレノ
イドコイルによるソレノイド磁界軸と水冷ソレノイドコ
イルの磁界軸とを容易に同軸に近づけることができる。
このために、ソレノイド磁界の湾曲により電子ビームが
曲げられる量が減少して、電子ビームにおいて進行方向
と垂直な方向の運動量の発生が減少し、運動量の広がり
増加を抑制する。

【００３３】請求項４記載の発明に係る電子ビーム冷却
装置は、電子ビーム射出機器において、超電導ソレノイ
ドコイルのクライオスタット真空容器内筒に超電導ソレ
ノイドコイルの両端部分で片方に３箇所以上の測定穴を
あけて超電導ソレノイドコイルとクライオスタット真空
容器内筒との位置及び傾きの測定をして同軸調整後に閉
塞することを特徴とする。

【００３４】超電導クライオスタットの真空容器内筒に
あけた測定穴により、超電導ソレノイドコイルと超電導
クライオスタットの真空容器内筒の位置及び傾きを測定
して、必要に応じて超電導ソレノイドコイルと真空容器
内筒を同軸に調整した後に測定用穴を閉塞する。これに
より、超電導クライオスタットの真空容器内筒と超電導
ソレノイドコイルが同軸となるので、超電導ソレノイド
コイルによるソレノイド磁界の湾曲が抑制されて、電子
ビーム運動量の広がり増加を抑制することができる。

【００３５】請求項５記載の発明に係る電子ビーム冷却
装置は、電子ビーム射出機器の超電導ソレノイドコイル
において、電子銃カソードと加速管電極端間の中心に対
して超電導ソレノイドコイル中心を水冷ソレノイドコイ
ルと反対側にずらすと共に、外周あるいは内周にノッチ
を設けてこのノッチ中心を超電導ソレノイドコイル中心
に対して水冷ソレノイドコイル側にずらして配置するこ
とを特徴とする。

【００３６】超電導ソレノイドコイルの磁気シールドの
形状が水冷ソレノイドコイル側とその反対側で異なり、
超電導ソレノイドコイルの水冷ソレノイドコイル側では
磁気シールドによって磁気抵抗が小さくなるためソレノ
イド磁界が強くなる。これに対して超電導クライオスタ
ットの各種ポートを設置した水冷ソレノイドコイルと反
対側では、磁気シールドが少ないために磁気抵抗が大き
くなりソレノイド磁界が小さくなる。

【００３７】従って、電子銃のカソードと加速管電極端
間の中心に対して、超電導ソレノイドコイル中心が水冷
ソレノイドコイルと反対側にずらして配置すると共に、
超電導ソレノイドコイルにノッチを設けて、このノッチ
の中心を前記超電導ソレノイドコイル中心に対して水冷
ソレノイド側にずらして配置している。

【００３８】これにより、超電導ソレノイドコイルによ
る発生磁界は、超電導ソレノイドコイル中心からコイル
端部に向かって小さくなるので、均一磁界領域中心より
磁界の小さくなる水冷ソレノイドコイルと反対側に超電
導ソレノイドコイル中心をずらす。

【００３９】この結果、磁気シールドにより水冷ソレノ
イドコイルに向かって超電導ソレノイド磁界が大きくな
ることと、超電導ソレノイドコイル中心からコイル端部
に向かって磁界が小さくなることとが相殺されて、小さ
な超電導ソレノイドコイルによって広い均一磁界が得ら
れる。

【００４０】なお、得られた磁界もやはり均一磁界の中
央部で大きく、端部側に向かって小さくなるので、超電
導ソレノイドコイル中心から水冷ソレノイドコイル側に
ずれたノッチを超電導ソレノイドコイルに設置すること
により、均一磁界中央部の磁界を小さくして、結果的に
電子銃部から加速管電極端までのソレノイド磁界の均一
度が高くなる。

【００４１】請求項６記載の発明に係る電子ビーム冷却
装置は、電子ビーム射出機器の超電導ソレノイドコイル
において、水冷ソレノイドコイル側に主磁界巻線と逆方
向の磁界を発生する逆磁界巻線を設けたことを特徴とす
る。

【００４２】超電導ソレノイドコイルの水冷ソレノイド
コイル側に設けた逆磁界巻線により、加速管電極端から
水冷ソレノイドコイルに向かってソレノイド磁界を急激
に減少させることができる。加速管電極端部のように磁
界の高い領域では、磁界勾配が大きくても断熱パラメー
タが小さいので、この部分で磁界を急激に小さくするこ
とにより、磁界の小さいトロイドコイルに近い部分での
磁界変化を小さくし、断熱パラメータが小さいままで加
速管電極端とトロイドコイルまでの距離を短くすること
ができる。

【００４３】これにより、電子ビーム射出機器がコンパ
クトになり、前記逆磁界巻線により水冷ソレノイドコイ
ル側の磁気シールドによるソレノイド磁界が大きくなる
ことを打ち消す効果もある。

【００４４】請求項７記載の発明に係る電子ビーム冷却
装置は、電子ビーム射出機器の超電導ソレノイドコイル
において、主磁界巻線と逆磁界巻線の間に金属製リング
を設けると共に、前記逆磁界巻線の外周に金属体を設け
て水冷ソレノイドコイル側に配置した電磁力支持用フラ
ンジを介して水冷ソレノイドコイルと反対側のクライオ
スタット真空容器フランジに前記超電導ソレノイドコイ
ルの外周に設けた断熱支持体により支持したことを特徴
とする。

【００４５】超電導ソレノイドコイルに対して磁気シー
ルドが非対称な形状であり、水冷ソレノイドコイルが一
方のみに設置されるために軸方向に強大な電磁力が発生
する。また、円筒形状の磁気シールドの磁性体に対して
軸方向で中心をずらした超電導ソレノイドコイルを励磁
した場合に、前記磁性体に吸引される方向の電磁力が働
き、さらに、同軸上に中心位置をずらして配置した超電
導ソレノイドコイルを同一方向に励磁した場合に、超電
導ソレノイドコイルの中心が一致する方向に電磁力が働
く。

【００４６】この二つの電磁力は同一方向となることか
ら強大な電磁力が、水冷ソレノイドコイルに向かって発
生するが、この電磁力は逆磁界巻線の水冷ソレノイドコ
イル側に設けた電磁力支持用フランジと断熱支持体を介
して、クライオスタット真空容器フランジで支持され
る。なお、前記逆磁界巻線は主磁界巻線に比べて機械的
に弱いが、逆磁界巻線の周囲に配置された金属製リング
及び金属体により、強大な電磁力は直接逆磁界巻線に加
わらない。

【００４７】請求項８記載の発明に係る電子ビーム冷却
装置は、電子ビーム射出機器の水冷ソレノイドコイルに
おいて、超電導ソレノイドコイル側に高密度巻回部を形
成したことを特徴とする。水冷ソレノイドコイルの超電
導ソレノイドコイル側で内径を小さくして、この部分の
巻線を多くして高密度巻回部を形成しているので、磁気
シールド及び逆磁界巻線により超電導ソレノイドコイル
側で不足するソレノイド磁界を補うことができる。

【００４８】この時に、電子ビームは磁界の大きい領域
でビーム断面積が小さく、磁界が小さくなると断面積が
大きくなる。従って、水冷ソレノイドコイルの超電導ソ
レノイドコイル側では磁界が大きいのでコイル内径を小
さくしても電子ビームに接触することなく、電子ビーム
の外周空間を有効に利用できる。

【００４９】また、この部分は超電導ソレノイドコイル
による磁界と水冷ソレノイドコイルによる磁界が結合す
る部分で、微細な磁界の整形が必要であるが、水冷ソレ
ノイドコイルの内径を小さくすることにより、軸方向に
広がりの小さい磁界が生成できるので、微細な磁界の調
整が可能となる。

【００５０】請求項９記載の発明に係る電子ビーム冷却
装置は、電子ビーム射出機器の磁気シールドにおいて、
水冷ソレノイドコイル部磁性体の周方向厚さに比べて磁
性体フランジの軸方向厚さ及び超電導ソレノイドコイル
部磁性体の周方向厚さを厚くしたことを特徴とする。

【００５１】磁気シールドにおいて水冷ソレノイドコイ
ル部磁性体の円周方向厚さに比べて、超電導ソレノイド
コイル側に設けられた磁性体フランジの軸方向厚さ及び
超電導ソレノイドコイル部磁性体の円周方向厚さを厚く
している。これにより、磁界の大きい超電導ソレノイド
コイルから漏洩する磁界を磁気シールド内に納めて、イ
オンビーム軌道への磁界漏洩を防ぐと共に、磁気抵抗が
小さくなることから超電導ソレノイドにより発生する磁
界が大きくなり、より断熱膨張効率を高くして電子ビー
ムの運動量の広がりが小さくなる。

【００５２】請求項10記載の発明に係る電子ビーム冷却
装置は、電子ビーム射出機器の磁気シールドにおいて、
超電導ソレノイドコイル部磁性体の周方向厚さを超電導
ソレノイドコイル中心に近い部分で厚くしたことを特徴
とする。

【００５３】磁気シールドにおける超電導ソレノイドコ
イル部磁性体が、超電導ソレノイドコイルの中心近くの
周方向厚さを両端に比べて厚くしたので、磁界の大きい
超電導ソレノイドコイルから漏洩する磁界を磁気シール
ド内に納めて、イオンビーム軌道への磁界漏洩を防ぐと
共に、磁気抵抗が小さくなることから超電導ソレノイド
により発生する磁界が大きくなり、より断熱膨張効率を
高くして電子ビームの運動量の広がりが小さくなる。

【００５４】請求項11記載の発明に係る電子ビーム冷却
装置は、電子ビーム射出機器の磁気シールドにおいて、
超電導ソレノイドコイル部磁性体及び磁性体フランジに
透磁率及び飽和磁界の大きな磁性材料を用いたことを特
徴とする。

【００５５】磁気シールドにおける磁性体フランジ及び
超電導ソレノイドコイル部磁性体を、透磁率及び飽和磁
界の高い磁性材料を使用している。これにより、磁性体
を比較的薄い厚さとして磁界の大きい超電導ソレノイド
コイルから漏洩する磁界をより確実に磁気シールド内に
納めることができる。

【００５６】従って、イオンビーム軌道への磁界漏洩が
防止されると共に、磁気抵抗が小さく超電導ソレノイド
により発生する磁界が大きくなるので、より断熱膨張効
率を高くして電子ビームの運動量の広がりを小さくする
ことができる。

【００５７】請求項12記載の発明に係る電子ビーム冷却
装置は、電子ビーム射出機器の水冷ソレノイドコイルに
おいて、トロイドコイル側に水冷巻線と独立した水冷補
助巻線を設けたことを特徴とする。

【００５８】水冷ソレノイドコイルのトロイドコイル側
に水冷巻線と独立して電流を変えられる水冷補助巻線を
設けている。これにより、トロイドコイルとの接合部に
おけるソレノイド磁界を水冷巻線に影響を与えずに調整
できると共に、トロイドコイル及びイオンビームとの相
互作用のソレノイド磁界が変化した場合にも、磁界勾配
を緩やかにしたソレノイド磁界を発生させることができ
る。

【００５９】請求項13記載の発明に係る電子ビーム冷却
装置は、電子ビーム射出機器において超電導ソレノイド
コイルの冷熱発生源を冷凍機としたことを特徴とする。
超電導ソレノイドコイルを冷却する冷熱を冷凍機が発生
する極低温冷媒から得ているので、電子ビーム射出機器
の構造がコンパクトになり冷却効率が良い。

【００６０】請求項14記載の発明に係る電子ビーム冷却
装置は、電子ビーム射出機器の超電導ソレノイドコイル
において、主磁界巻線と逆磁界巻線の内径を同一に形成
して内側を軸方向に連続した良伝熱体で結合すると共
に、前記良伝熱体を介して冷熱を伝達することを特徴と
する。

【００６１】超電導ソレノイドコイルは、主磁界巻線と
逆磁界巻線の内径を同じにしたことで、内径側を軸方向
に連続した共通の良伝熱体で互いを結合して、この良伝
熱体に冷熱を伝える。これにより、冷却効果が高くなり
熱容量の少ない逆磁界巻線部が常電導転移した場合に
も、磁界が大きく温度マージンの小さい主磁界巻線の内
周側に、前記良伝熱体により即時に熱を伝達して、主磁
界巻線部も常電導に転移させることができる。

【００６２】またこれにより、超電導ソレノイドコイル
全体で蓄積エネルギーが吸収されるために、逆磁界巻線
に前記蓄積エネルギーをバイパスする等の保護手段を備
える必要がないので、超電導ソレノイドコイルがコンパ
クトになる。さらに、磁界の大きい内周側を冷熱により
良伝熱体を介して冷却することから、臨界電流を大きく
取ることができ、超電導ソレノイドコイルがコンパクト
になることから、電子ビーム冷却装置もコンパクトにで
きる。

【００６３】請求項15記載の発明に係る電子ビーム冷却
装置は、電子ビーム射出機器の磁気シールドにおいて、
超電導ソレノイドコイル部分で水冷ソレノイドコイルと
反対側にジャッキボルトを設けて超電導ソレノイドコイ
ルのクライオスタットと磁気シールドの傾きを調整可能
として、電子銃及び加速管が超電導ソレノイドコイル部
磁性体に対して同軸に支持することを特徴とする。

【００６４】磁気シールドの超電導ソレノイドコイル部
磁性体において、水冷ソレノイドコイルの反対側に設け
たジャッキボルトにより、超電導ソレノイドコイルを収
容したクライオスタットと磁気シールドの傾きを調整す
る。これにより、超電導ソレノイドコイルによるソレノ
イド磁界軸と電子ビ一ム加速方向を一致させることによ
り、電子ビームの進行方向に垂直な方向の運動量発生が
抑制されて、電子ビーム運動量の広がりが小さくなる。

【００６５】請求項16記載の発明に係る電子ビーム冷却
装置は、電子ビーム射出機器の超電導ソレノイドコイル
において、主磁界巻線と逆磁界巻線の間に金属製リング
を設けると共に、前記逆磁界巻線の外周に金属体を設け
て水冷ソレノイドコイル側に配置した電磁力支持用フラ
ンジを介して水冷ソレノイドコイル側のクライオスタッ
ト真空容器フランジに前記超電導ソレノイドコイルの軸
方向に設けた多重円筒形状の断熱支持体により支持した
ことを特徴とする。

【００６６】超電導ソレノイドコイルからの電磁力は、
電磁力支持フランジと多重円筒形状の断熱支持体を介し
て、磁気シールドと当接している水冷ソレノイドコイル
側のクライオスタット真空容器フランジにより支持され
る。また、逆磁界巻線は周囲の金属製リングと金属体に
より機械的に保護される。

【００６７】請求項17記載の発明に係る電子ビーム冷却
装置は、電子ビーム射出機器において、超電導ソレノイ
ドコイルの冷熱発生源を極低温冷媒としたことを特徴と
する。超電導ソレノイドコイルの冷熱を液体へリウムま
たは液体窒素等の極低温冷媒により得て超電導コイルを
冷却する。直接電子ビーム射出機器に冷凍機を設置しな
いので構成が簡素化する。

【００６８】請求項18記載の発明に係る電子ビーム冷却
装置は、電子ビーム射出機器の水冷ソレノイドコイルに
おいて、巻線の口出しを前記磁気シールドのトロイドコ
イル及び超電導ソレノイドコイルとの接合面に設けたこ
とを特徴とする。

【００６９】水冷ソレノイドコイルの口出しを磁気シー
ルドで厚さの厚い超電導ソレノイドコイル及びトロイド
コイルとの接合面に設けたので、口出し用の溝加工が容
易で磁気シールドにおける回転対称性に与える影響が少
ない。従って、ソレノイド磁界の不正分の発生が小さい
ので、ソレノイド磁界の乱れが小さく電子ビームの運動
量の広がりが抑制できる。

【００７０】

【発明の実施の形態】本発明の一実施の形態について図
面を参照して説明する。なお、上記した従来技術と同じ
構成部分については、同一符号を付して詳細な説明を省
略する。第１実施の形態は請求項１乃至請求項14に係
り、図１の縦断面図に示すように電子ビーム冷却装置に
おける電子ビーム射出機器17は、真空容器内の電子銃２
及び加速管３の周囲に、極低温冷熱発生源の冷凍機18と
電流供給ポート19及び真空排気ポート20を備えた超電導
クライオスタット21が配置されている。

【００７１】この超電導クライオスタット21の内部に
は、前記電子銃２及び加速管３の周囲に同軸で、例えば
高純度の銅やアルミニウム等の良伝熱材22を介して超電
導ソレノイドコイル23が設置されている（請求項13，1
4）。この超電導ソレノイドコイル23は、外周にノッチ2
4を形成した主磁界巻線25と、この主磁界巻線25と同軸
で金属製リング26を介して配置された急激に磁界を減少
させることができる逆磁界巻線27から構成されている
（請求項５，14）。

【００７２】前記逆磁界巻線27の外周に設けた金属体28
と、端部に設けた電磁力支持用フランジ29は、前記超電
導ソレノイドコイル23の外周に配置した断熱支持体30と
結合されて、前記超電導クライオスタット21の真空排気
ポート側真空容器フランジ21ａに支持されている（請求
項６，７）。

【００７３】また、前記超電導ソレノイドコイル23の外
周には、円筒形状の磁性体による磁気シールド31が設け
られていて、この磁気シールド31は、前記超電導ソレノ
イドコイル23部における超電導ソレノイドコイル部磁性
体32と、水冷ソレノイドコイル部磁性体33とから構成さ
れている。

【００７４】さらに、磁気シールド31においては、前記
超電導ソレノイドコイル部磁性体32と水冷ソレノイドコ
イル部磁性体33の境界において、水冷ソレノイドコイル
部磁性体33の内径の少なくとも一部を、前記超電導ソレ
ノイドコイル部磁性体32の内径より小さく形成する。

【００７５】なお、図１では水冷ソレノイドコイル部磁
性体33と一体に形成した磁性体フランジ34を含めて、内
径の全部を前記超電導ソレノイドコイル部磁性体32より
小さく形成した例を示している。また、前記超電導磁気
シールド32と水冷ソレノイドコイル部磁性体33とは、前
記磁性体フランジ34の接合面34ａにて嵌合等により同軸
で結合される（請求項２，３）。

【００７６】前記磁気シールド31における水冷ソレノイ
ドコイル部磁性体33の内部には、内径と外径が同軸に形
成された巻枠35に、前記超電導ソレノイドコイル23と同
軸とした水冷ソレノイドコイル36が設けられている。こ
れにより、前記超電導ソレノイドコイル23から、上記図
４に示す射出側トロイドコイル６に対する巻線が同軸で
連続した構成となっている。

【００７７】なお、前記水冷ソレノイドコイル36は、前
記超電導ソレノイドコイル23側の一部に他の部分より巻
回数が多い高密度巻回部37ａを形成した水冷巻線37と、
この水冷巻線37の外周で、射出側トロイドコイル６との
接合部10側に設けた、前記水冷巻線37と独立して別電源
により励磁することのできる水冷補助巻線38とで構成さ
れている（請求項８，12）。

【００７８】また、水冷ソレノイドコイル36は、水冷ソ
レノイドコイル部磁性体33の内側に巻枠35と共に、エポ
キシ等の樹脂含浸により同軸で固定すると共に、水冷ソ
レノイドコイル部磁性体33の一方に形成した磁性体フラ
ンジ34を介して、前記超電導ソレノイドコイル部磁性体
32同軸で強固に結合されるように、嵌合する磁性体フラ
ンジ34の接合面34ａを軸心と垂直に形成している（請求
項３）。

【００７９】なお、前記超電導ソレノイドコイル23を収
容した超電導クライオスタット21においては、水冷ソレ
ノイドコイル側真空容器フランジ21ｂが、前記水冷ソレ
ノイドコイル磁性体33に設けられた磁性体フランジ34と
嵌合等により同軸に固定されている（請求項２）。

【００８０】さらに、超電導クライオスタット21の真空
容器内筒21ｃで、前記超電導ソレノイドコイル23の両端
部において片側の３箇所以上に、超電導ソレノイドコイ
ル23と真空容器内筒21ｃの位置及び傾きの測定と、超電
導ソレノイドコイル23と真空容器内筒21ｃとの同軸調整
用の測定穴39を設けている。なお、この測定穴39は同軸
調整後に閉塞する（請求項４）。

【００８１】前記超電導ソレノイドコイル23について
は、図２の模式断面図に示すように、電子銃カソードと
加速管電極端間で均一磁界範囲40における均一磁界範囲
中心40ａに対して、超電導ソレノイドコイル23における
主磁界巻線25の主磁界巻線中心25ａを、水冷ソレノイド
コイル側41（矢印）と反対側にずらすと共に、ノッチ24
のノッチ中心24ａを主磁界巻線中心25ａに対して、水冷
ソレノイドコイル側41（矢印）にずらして配置している
（請求項５）。

【００８２】また前記磁気シールド31については、前記
水冷ソレノイドコイル部磁性体33の周方向厚さに比べ
て、超電導ソレノイドコイル部磁性体32の周方向厚さ及
び磁性体フランジ34の軸方向厚さを厚く形成する（請求
項９）。さらに、超電導ソレノイドコイル部磁性体32に
ついては、超電導ソレノイドコイル23の中心に近い部分
を厚く形成する（請求項10）。

【００８３】また、前記磁性体フランジ34と超電導ソレ
ノイドコイル部磁性体32において、例えば電磁軟鋼等の
透磁率及び飽和磁界の大きな磁性材料を用いている（請
求項11）。前記超電導クライオスタット21において、水
冷ソレノイドコイル36の反対側に、前記冷凍機18と電流
供給ポート19及び真空排気ポート20等を配置することに
より、前記磁気シールド31の円周部に磁気遮蔽の回転対
称性を損なうような貫通部や貫通穴等を形成しない（請
求項１）。

【００８４】次に、上記構成による作用について説明す
る。電子ビーム冷却装置の電子ビーム射出機器17におい
ては、電子銃２で生成された電子ビ一ム４が加速管３に
よって運動量を与えられるが、この加速管３部には周囲
から磁界の大きな超電導ソレノイドコイル23によって均
一なソレノイド磁界が加えられている。

【００８５】さらに電子ビーム４は、水冷ソレノイドコ
イル36の領域で断熱膨張され、運動量の広がりを減少さ
せて射出側トロイドコイルト６ヘ射出される。なお、イ
オンビーム軌道への不正磁界の発生を抑制するために
は、前記超電導ソレノイドコイル23と水冷ソレノイドコ
イル36の外周に連続した磁気シールド31が設けられてい
る。

【００８６】また、前記超電導ソレノイドコイル23は、
超電導クライオスタット21に設けられた冷凍機18によっ
て内周の良伝熱体22等を介して冷却されるが、前記磁気
シールド31は、水冷ソレノイドコイル36と反対側で開放
した形状で、超電導クライオスタット21の排気ポート20
や冷凍機18及び電流供給ポート19等は、この開放側に設
置されている。

【００８７】従って、円筒形状の磁気シールド31は、周
囲に磁界を乱す貫通穴等が形成されてないので回転対称
性を保ち、前記加速管３部におけるソレノイド磁界に最
も有害な垂直磁界の発生を引き起こすことがない。ま
た、前記磁気シールド31は、水冷ソレノイドコイル36側
と反対側で対称ではないことから、図２に示すように電
子銃２部と加速管３部の均一磁界範囲中心40ａに対し
て、超電導ソレノイドコイル23の主磁界巻線中心25ａを
前記水冷ソレノイドコイル側41の反対側にずらしてい
る。

【００８８】さらに、前記主磁界巻線25に設けたノッチ
中心24ａを主磁界巻線中心25ａに対して、水冷ソレノイ
ドコイル側41にずらして設置していることから、水冷ソ
レノイドコイル側41と反対側で磁気シールド31が開放さ
れていることによる磁界の減少が補なわれると共に、ノ
ッチ24により均一磁界範囲40における均一度が向上す
る。

【００８９】また、前記超電導ソレノイドコイル23にお
いては、主磁界巻線25の水冷ソレノイドコイル側41に
て、逆磁界巻線27と磁気シールド31の磁性フランジ34に
より、磁界の大きいところから急激に磁界を減少させる
ことができる。

【００９０】なお、水冷ソレノイドコイル36において
は、巻枠35の一部で内径を小さくして、この部分で巻線
数を多くした高密度巻回部37ａを形成し、これにより、
ソレノイド磁界の急激な減少を滑らかに変化させてい
る。さらに、水冷ソレノイドコイル36においては、上記
図４に示す射出側トロイドコイル６側に設けた水冷巻線
37と独立して、別の電源により励磁される水冷補助巻線
38により、前記射出側トロイドコイル６に対してソレノ
イド磁界の変化を少なくして接続することができる。

【００９１】超電導ソレノイドコイル23の水冷ソレノイ
ドコイル側41への強大な電磁力は、断熱支持体30により
超電導クライオスタット21に支えられ、超電導クライオ
スタット21は磁性体フランジ34を介して磁気シールド31
で支持される。なお、巻厚の薄い逆磁界巻線27について
は、主磁界巻線25の電磁力が金属製リング26と金属体28
を介して電磁力支持用フランジ29へ伝えられることによ
り電磁力から保護されている。

【００９２】以上のように電子ビーム射出機器17によれ
ば、コンパクトな形状で生成した電子ビーム４が運動量
の広がりを少ないものとすることができるので、イオン
ビーム冷却効率の良い電子ビーム冷却装置が得られる。

【００９３】さらに、詳細について次に説明する。電子
ビーム射出機器17は、上記図４に示す射出側トロイドコ
イル６と磁界の大きな超電導ソレノイドコイル23との間
に、水冷ソレノイドコイル36を設置して、前記射出側ト
ロイドコイル６に対して巻線が連続する構成としてい
る。このために射出側トロイドコイル６と水冷ソレノイ
ドコイル36との間でのソレノイド磁界の変化を抑えるこ
とができる。

【００９４】また、水冷ソレノイドコイル36を配置した
側の反対側は、イオンビーム軌道から離れる方向であ
り、ソレノイド磁界が少々漏洩しても電子ビーム冷却装
置における機能への影響が少ない。そこで、超電導ソレ
ノイドコイル23の冷熱と、電流の供給ポート19及び超電
導クライオスタット21の真空排気ポート29を配置し、磁
気シールド31をこれらの各ポートが入る部分で回転対称
に除去して、磁気シールド31の回転対称性を確保したこ
とから、電子銃２及び加速管３部における不正磁界の発
生が抑制される。

【００９５】なお、前記超電導ソレノイドコイル23に対
する冷熱は、冷凍機18による液体へリウム又は液体窒素
等の極低温冷媒により発生して、前記超電導クライオス
タット21により伝熱される。このように、極低温冷媒の
発生源である冷凍機18を超電導クライオスタット21に設
置することにより、超電導ソレノイドコイル23に対する
冷凍機18からの距離が、極めて短縮されるので冷熱の損
失を少なくできると共に、電子ビーム射出機器17として
コンパクトに形成することができる。

【００９６】さらに、前記磁気シールド31は、超電導ソ
レノイドコイル23部分の超電導ソレノイドコイル部磁性
体32に対して、水冷ソレノイドコイル36側で内径が小さ
くなる部分（ここでは、磁性体フランジ34と水冷ソレノ
イドコイル部磁性体33の全体の内径を小さくした場合を
示す）を設けている。これにより、超電導ソレノイドコ
イル23により水冷ソレノイドコイル37部分に発生する磁
界を小さくすることができるので、加速管２と射出側ト
ロイドコイル６との距離を短くすることができる。

【００９７】前記のように、この部分の超電導ソレノイ
ドコイル23による磁界が小さくなるために、電子銃２及
び加速管４部分でのソレノイド磁界均一度を高くしたま
まで、水冷ソレノイドコイル37により断熱パラメータχ
を小さくした磁界勾配を生成することができる。なお、
断熱パラメータχを小さくするためには、上記式（３）
で分かるように、比較的磁界の小さい水冷ソレノイドコ
イル37部分の磁界勾配を緩やかにする必要がある。

【００９８】また電子ビーム射出機器17は、超電導クラ
イオスタット21と超電導ソレノイドコイル部磁性体32
を、水冷ソレノイドコイル部磁性体33に対して磁性体フ
ランジ24において固定することにより、超電導ソレノイ
ドコイル部磁性体32にクライオスタット21を支持するた
めの穴等をあけることなく強固に固定している。

【００９９】これにより、電子銃２及び加速管３部での
磁界均一度をさらに確実にすることができる。さらに、
全てのソレノイドコイルが磁気シールド31に対して固定
されているために、超電導ソレノイドコイル23及び水冷
ソレノイドコイル36をーつのマグネットとして扱うこと
ができる利点もある。

【０１００】なお電子ビーム冷却装置17は、前記水冷ソ
レノイドコイル36の巻枠35の内径と外径を同軸に形成す
ると共に、水冷ソレノイドコイル部磁性体33及び、例え
ば一体として冶金的に結合した磁性体フランジ34の内径
を嵌合部としている。前記水冷ソレノイドコイル部磁性
体33及び磁性体フランジ34の嵌合部には、巻枠35に巻回
した水冷ソレノイドコイル37を例えばエポキシ等による
樹脂含浸により固定した後に、前記巻枠35の内径に対し
て同軸で、また磁性体フランジ34の接合面34ａを前記巻
枠軸に対して垂直に加工する。

【０１０１】これにより、水冷ソレノイドコイル36と超
電導クライオスタット21は同軸にすることができる。従
って、超電導ソレノイドコイル23によるソレノイド磁界
軸と、水冷ソレノイドコイル36のソレノイド磁界軸を同
軸に近づけられる。従って、電子ビーム冷却装置17で
は、ソレノイド磁界の湾曲により電子ビーム４が曲げら
れる量が減少し、電子ビーム４の進行方向に垂直な方向
の運動量の発生が減少して、イオンビームの運動量の広
がりが増加することを抑制する。

【０１０２】さらに電子ビーム冷却装置17では、超電導
クライオスタット21の真空容器内筒21ｃで、超電導ソレ
ノイドコイル23の両端部分に設けた片方３箇所以上の測
定穴39を用いて、超電導ソレノイドコイル23と超電導ク
ライオスタット21における真空容器内筒21ｃの位置及び
傾きを測定する。その後に、超電導ソレノイドコイル23
と真空容器内筒21ｃ筒を同軸に調整してから測定穴39を
塞いでから、前記磁性体フランジ34と水冷ソレノイドコ
イル側真空容器フランジ21ｂを嵌合する。

【０１０３】これにより、真空容器内筒21ｃは水冷ソレ
ノイドコイル37と同軸に固定することができるので、前
記真空容器内筒21ｃと超電導ソレノイドコイル23との同
軸調整と併せて、超電導ソレノイドコイル23と水冷ソレ
ノイドコイル36との同軸を確実にした組み立てが容易に
行える。従って、ソレノイド磁界の湾曲抑制が、さらに
確実に行えるので、電子ビーム４の運動量の広がり増加
を大きく抑制することができる。

【０１０４】電子ビーム冷却装置17において、超電導ソ
レノイドコイル部磁性体32は水冷ソレノイドコイル36側
と、その反対側で形状が異なることから、超電導ソレノ
イドコイル23の水冷ソレノイドコイル36側では、磁気シ
ールド31により磁気抵抗が小さくなるために超電導ソレ
ノイドコイル23によるソレノイド磁界が強くなる。

【０１０５】これに対して、超電導クライオスタット21
の各種ポートを設置した前記水冷ソレノイドコイル36と
反対側では、磁気シールドが少ないために磁気抵抗が大
きくなりソレノイド磁界が小さくなる。そこで、一般の
高均一度マグネットにおいては、磁界を均一にする領域
の中心に対してコイル中心を配置している。また、ノッ
チや複数のコイルによって構成する場合にも、コイル中
心に対して対称に構成している。

【０１０６】しかしながら本発明においては、図２に示
すように均一磁界範囲40である電子銃カソードと加速管
電極端間の中心に対して、均一磁界を生成する超電導ソ
レノイドコイル23における主磁界巻線25の主磁界巻線中
心25ａを、水冷ソレノイドコイル側41と反対側にずらし
て配置している。

【０１０７】また、主磁界巻線25に設けたノッチ24のノ
ッチ中心24ａを、前記主磁界巻線中心25ａに対して水冷
ソレノイドコイル側41にずらして配置しことにより、主
磁界巻線25による発生磁界は、主磁界巻線中心25ａから
コイル端部に向かって小さくなる。

【０１０８】このために、均一磁界範囲40の均一磁界範
囲中心40ａより、磁界の小さくなる水冷ソレノイドコイ
ル36と反対側に主磁界巻線中心25ａをずらすことによ
り、磁気シールド31により水冷ソレノイドコイル36に向
かってソレノイド磁界が大きくなる。

【０１０９】これにより、前記主磁界巻線中心25ａから
コイル端部に向かって磁界が小さくなることが相殺され
て、小さな超電導ソレノイドコイル23でも広い均一磁界
が得られる。この結果から得られた磁界も、やはり均一
磁界の中央部で大きく端部側に向かって小さくなる。

【０１１０】そこで、主磁界巻線中心25ａから水冷ソレ
ノイドコイル側41にずれたノッチ24を、超電導ソレノイ
ドコイル23の主磁界巻線25に設置することにより、均一
磁界中央部の磁界を小さくして、結果的に電子銃２部か
ら加速管電極端までのソレノイド磁界の均一度を高くす
ることができて、運動量の広がりの少ない電子ビームが
得られる。

【０１１１】また電子ビーム冷却装置17では、超電導ソ
レノイドコイル23において、水冷ソレノイドコイル36に
主磁界巻線25による主磁界と反対の磁界を発生する逆磁
界巻線27を設けていることから、加速管２の電極端から
水冷ソレノイドコイル36に向かってソレノイド磁界を急
激に減少させることができる。

【０１１２】上記式（３）より加速管電極端部のように
磁界の高い領域では、磁界勾配が大きくても断熱パラメ
ータχが小さく、この部分で磁界を急激に小さくするこ
とにより、磁界の小さい射出側トロイドコイル６に近い
部分での磁界変化を小さくすることができる。

【０１１３】これにより、前記断熱パラメータχを小さ
いまま加速管電極端と射出側トロイドコイル６までの距
離を短くできるので、電子ビーム冷却装置17をコンパク
トに構成することができる。また、前記逆磁界巻線27に
おいては、水冷ソレノイドコイル36側の水冷ソレノイド
コイル部磁性体33によるソレノイド磁界が大きくなるこ
とを打ち消す効果もある。

【０１１４】なお電子ビーム冷却装置17は、超電導ソレ
ノイドコイル23に対して磁気シールド31が非対称な形状
であり、水冷ソレノイドコイル36が一方のみに設置され
ていることから、超電導ソレノイドコイル23により軸方
向に発生する電磁力を支持する必要がある。

【０１１５】磁気シールドである円筒形状の磁性体に対
して、軸方向で中心をずらしたソレノイドコイルを励磁
した場合には、前記磁性体に吸引される方向の電磁力が
働く。また、同軸上に中心位置をずらして配置したコイ
ルを同一方向に励磁した場合には、ソレノイドコイル中
心が一致する方向に電磁力が働く。

【０１１６】従って、本発明の超電導ソレノイドコイル
23においては、前記二つの電磁力が同一方向となるため
に、強大な電磁力が水冷ソレノイドコイル36側に向かっ
て発生する。また、超電導ソレノイドコイル23における
逆磁界巻線27は、主磁界巻線25に比べて巻厚さが薄いこ
とから、主磁界巻線25から水冷ソレノイドコイル側にあ
る逆磁界巻線27に、主磁界巻線25の電磁力が全て加わっ
た場合には、逆磁界巻線27が大きく変形したり破壊する
可能性がある。

【０１１７】しかしながら、主磁界巻線25により発生す
る電磁力は、主磁界巻線25と逆磁界巻線27との間の金属
製リング26及び、逆磁界巻線27の外周に配置した金属体
28を介して、逆磁界巻線27の水冷ソレノイドコイル36側
の電磁力支持フランジ29に伝えられるので、逆磁界巻線
27には主磁界巻線25による電磁力は加わらない。また、
逆磁界巻線27においても磁界分布により、水冷ソレノイ
ドコイル36側に電磁力が発生するが、この電磁力も電磁
力支持フランジ29によって受け止められる。

【０１１８】さらに、前記電磁力支持フランジ29は、超
電導ソレノイドコイル23の周囲に配置した複数の断熱支
持体30により、水冷ソレノイドコイル36と反対側の真空
排気ポート側真空容器フランジ21ａに伝えると共に、ク
ライオスタット真空容器外筒を経由して磁気シールド31
との当たり面で支持される。

【０１１９】さらに電子ビーム冷却装置17は、水冷ソレ
ノイドコイル36において、超電導ソレノイドコイル23側
の内径を小さくし、この部分の巻線を多く巻回した高密
度巻回部37ａを形成しているので、磁気シールド31及び
超電導ソレノイドコイル23の逆磁界巻線27により、超電
導ソレノイドコイル25側で不足するソレノイド磁界を補
うことができる。

【０１２０】この時に電子ビーム４は、磁界の大きい領
域でビーム断面積が小さく、磁界が小さくなると断面積
が大きくなる。なお、水冷ソレノイドコイル36の超電導
ソレノイドコイル23側では磁界が大きいので、水冷ソレ
ノイドコイル36の内径を小さくしても電子ビーム４に接
触することがないので、電子ビーム４の外周空間が有効
に利用できる。

【０１２１】また、この部分は超電導ソレノイドコイル
23による磁界と、水冷ソレノイドコイル36による磁界が
結合する部分であり、微細な磁界の整形が必要である。
しかしながら、水冷ソレノイドコイル36の内径を小さく
することにより、軸方向に広がりの小さい磁界が生成で
きるので、前記微細な磁界調整が可能となる。

【０１２２】前記電子ビーム冷却装置17では、磁気シー
ルド31において水冷ソレノイドコイル部磁性体33の周方
向厚さに比べて、超電導コイルソレノイドコイル部磁性
体32の周方向厚さ及び磁性体フランジ34の軸方向厚さを
厚くしている。これにより、磁界の大きい超電導ソレノ
イドコイル23から漏洩する磁界を、磁性体フランジ34と
超電導コイルソレノイドコイル部磁性体32において納め
て、イオンビーム軌道へ前記磁界が漏洩することを抑制
する。

【０１２３】また、磁気抵抗が小さくなることから超電
導ソレノイドコイル23により発生する磁界を大きくし
て、より高い断熱膨張効率により電子ビーム４の運動量
の広がりが小さくできる。さらに、超電導ソレノイドコ
イル部磁性体32においては、主磁界巻線25の中心付近の
周方向厚さを両端部に比べて厚くしているので、前記水
冷ソレノイドコイル部磁性体33に比べて、超電導コイル
ソレノイドコイル部磁性体32及び磁性体フランジ34を厚
くした場合と同様の作用と効果を得ることができる。

【０１２４】また、磁気シールド31における超電導ソレ
ノイドコイル部磁性体32、及び磁性体フランジ34に、例
えば電磁軟鋼等の透磁率及び飽和磁界の高い磁性材料を
用いることにより、ソレノイドコイルによる磁界の漏洩
防止と、磁気抵抗が減少することから磁界を大きくする
機能が向上する。

【０１２５】なお、磁性機能を従来と同様とするなら
ば、磁気シールド31における超電導コイルソレノイドコ
イル部磁性体32の周方向厚さ、及び磁性体フランジ34の
軸方向厚さが、一般の磁性材料である例えば炭素鋼を使
用した場合に比べて薄くすることができる。

【０１２６】これにより、電子ビーム冷却装置17を小型
化と軽量化によりコンパクトにできると共に、前記水冷
ソレノイドコイル部磁性体33に比べて、超電導コイルソ
レノイドコイル部磁性体32及び磁性体フランジ34を厚く
した場合や、主磁界巻線25の中心付近の周方向厚さを両
端部に比べて厚くした場合と同様の作用と効果を得るこ
ともできる。なお、上記３つの構成は適宜組み合わせる
ことにより、それぞれを兼ね揃えた作用と効果を容易に
得ることができるものである。

【０１２７】また電子ビーム冷却装置17には、水冷ソレ
ノイドコイル36において射出側トロイドコイル６側に、
水冷巻線37と独立した水冷補助巻線38が設けてあり、こ
の水冷補助巻線38は前記水冷巻線37と別に電流を変える
ことができる。従って、射出側トロイドコイル６との接
合部10で水冷ソレノイド磁界を他の部分に影響を与えず
に調整できると共に、射出側トロイドコイル６及びイオ
ンビームとの相互作用部のソレノイド磁界が変化した場
合でも、磁界勾配を緩やかにして水冷ソレノイド磁界を
発生することができる。

【０１２８】さらに電子ビーム冷却装置17は、超電導ソ
レノイドコイル23においてノッチ24を主磁界巻線25の外
周に設置する（内周でも可）と共に、逆磁界巻線27の内
径を主磁界巻線25と同じに形成しているので、主磁界巻
線25と逆磁界巻線27の内径を軸方向に連続して良伝熱材
22で結合し、この良伝熱材22に冷凍機18から冷熱を伝え
ている。

【０１２９】従って、主磁界巻線25に比べて小型なこと
から熱容量の少ない逆磁界巻線27が常電導転移した場合
にも、磁界が大きく温度マージンの小さい主磁界巻線25
の内周側に、良伝熱材22を介して即時に熱が伝達される
ことから、主磁界巻線25も常電導転移させることができ
る。

【０１３０】これにより、磁界に蓄積されたエネルギー
は、超電導ソレノイドコイル23の全体で吸収されるため
に、前記熱容量の少ない逆磁界巻線27を対象とした、前
記蓄積エネルギーをバイバスする等の保護装置を特に設
ける必要がない。従って、超電導ソレノイドコイル23の
信頼性が向上すると共に、コンパクトに構成することが
できる。

【０１３１】また、磁界の大きい超電導ソレノイドコイ
ル23の内周側を冷却するために、臨界電流を大きく取る
ことができて、超電導ソレノイドコイル23をコンパクト
にすることができるので、電子ビーム冷却装置17として
もコンパクト化できる。

【０１３２】以上により電子ビーム冷却装置の電子ビー
ム冷却装置17においては、磁界の大きい超電導ソレノイ
ドコイル23の採用によりコンパクトで、水冷ソレノイド
コイル36を含めた磁気シールド31の回転対称性を維持し
ている。これにより、ソレノイド磁界軸と電子ビ一ム加
速方向を一致させると共に、電子ビーム４の進行方向に
垂直な方向の運動量が発生することを抑制して、電子ビ
ーム運動量の広がりが小さく、従って、イオンビームの
運動量の広がりを減少させることができる。

【０１３３】第２実施の形態は請求項４と請求項７及び
請求項13を除く請求項１乃至請求項18に係り、図３の縦
断面図に示すように、その主たる構成と作用及び効果は
上記第１実施の形態と同様である。従って、上記第１実
施の形態と同様部分は説明を省略し、特徴部分の請求項
15乃至請求項18について重点的に説明する。

【０１３４】電子ビーム冷却装置における電子ビーム射
出機器42は、電子銃２と加速管３の周囲で冷熱発生源で
ある極低温冷媒の例えば、液体ヘリウムあるいは液体窒
素の冷媒容器43と、電流供給ポート19を設けた超電導ク
ライオスタット44の内部に、電子銃２及び加速管３と同
軸の良伝熱材22を介して超電導ソレノイドコイル23を設
置している（請求項17）。

【０１３５】なお、この超電導ソレノイドコイル23は、
主磁界巻線25とこの主磁界巻線25と同軸で、急激に磁界
を減少させることができる逆磁界巻線27とから構成され
ている。

【０１３６】前記逆磁界巻線27の水冷ソレノイドコイル
36側に設けられた電磁力支持用フランジ29は、軸方向で
円周状に複数配置された多重円筒形の断熱支持体45と結
合して前記超電導クライオスタット44の水冷ソレノイド
コイル側真空容器フランジ44ｂに支持されている（請求
項16）。

【０１３７】なお、前記超電導ソレノイドコイル23の外
周には、円筒形状の磁性体による磁気シールド31が設け
られていて、この磁気シールド31は、前記超電導ソレノ
イドコイル23部における超電導ソレノイドコイル部磁性
体32と、水冷ソレノイドコイル36部における水冷ソレノ
イドコイル部磁性体33とから構成されている。また、前
記超電導ソレノイドコイル部磁性体32においては、前記
水冷ソレノイドコイル36と反対側に、前記超電導ソレノ
イドコイル23を収容した超電導クライオスタット44の傾
きを調整するジャッキボルト46を設けている（請求項1
5）。

【０１３８】さらに、前記水冷ソレノイドコイル36にお
ける口出し36ａを、超電導ソレノイドコイル23側は磁性
フランジ34の接合面34ａに、また、射出側トロイドコイ
ル６側は、射出側トロイドコイル６との接合部10に設け
た構成としている（請求項18）。

【０１３９】次に、上記構成による作用について説明す
る。電子ビーム冷却装置の電子ビーム射出機器42では、
超電導ソレノイドコイル23の冷熱発生源として、超電導
クライオスタット44に設置した冷媒容器43に液体ヘリウ
ムあるいは液体窒素等の極低温冷媒を貯溜して、超電導
ソレノイドコイル23の冷却を行う。

【０１４０】この極低温冷媒は、図示しないプラント内
で共通の大型冷凍機、あるいは冷媒貯溜槽から必要量を
冷媒容器43に随時供給することにより、上記第１実施の
形態と異なり、極低温冷媒の供給量が電子ビーム射出機
器17に設置した冷凍機18の発生容量に影響されないの
で、冷却機能として余裕が大きく得られることから信頼
性が向上する。さらに、冷凍機18が超電導クライオスタ
ット44に設置されていないので、電子ビーム射出機器42
が簡素化される。

【０１４１】また電子ビーム射出機器42は、磁気シール
ド31に設けられているジャッキボルト46により、超電導
ソレノイドコイル23が収容されている超電導クライオス
タット44の傾きを調整することができる。

【０１４２】従って、加速管３部における磁界の大きな
超電導ソレノイドコイル23によるソレノイド磁界を、加
速方向と平行に調整することが容易に可能なことから、
電子ビーム４の進行方向に垂直な方向の運動量発生を抑
制し、電子ビーム４の運動量の広がりを小さくすると共
に、イオンビームの運動量の広がりを減少させることが
できる。

【０１４３】さらに、電子ビーム射出機器42において
は、超電導ソレノイドコイル23から水冷ソレノイドコイ
ル36の方向に発生する強大な電磁力を、電磁力支持用フ
ランジ29から多重円筒形状の断熱支持体45を介して、超
電導クライオスタット44の水冷ソレノイドコイル側真空
容器フランジ44ｂで支持している。

【０１４４】前記多重円筒形状の断熱支持体45は、前記
電磁力支持用フランジ29と水冷ソレノイドコイル側真空
容器フランジ44ｂとの間に、軸方向で円周状に複数配置
されていることから、上記第１実施の形態に比べて電子
ビーム射出機器42の外径を小さく形成することができ
る。なお、前記水冷ソレノイドコイル側真空容器フラン
ジ44ｂは、磁気シールド31の磁気フランジ34と嵌合によ
り固定されるているので、超電導ソレノイドコイル23か
らの電磁力は磁気フランジ34を介して磁気シールド31に
て支持される。

【０１４５】電子ビーム射出機器42においては、水冷ソ
レノイドコイル36の口出し36ａを、超電導ソレノイドコ
イル23側は磁性フランジ34の接合面34ａで、射出側トロ
イドコイル６側は射出側トロイドコイル６との接合部10
から引出している。これにより、口出し36ａのために磁
気シールド31の円周方向に貫通される穴は、水冷ソレノ
イドコイル磁性材33の両端で、磁性材フランジ34ａ等の
円周方向に厚い部分の合せ面に浅い溝加工をするだけで
済む。

【０１４６】従って、この口出し36ａと浅い溝の近傍の
磁界は、前記口出し36ａ及び浅い溝を迂回しても磁気抵
抗は上昇しないので、磁気シールド31の回転対称性から
のずれは少なく、ソレノイド磁界の不正分の発生と、ソ
レノイド磁界の乱れを小さくすることができるので、電
子ビーム４の運動量の広がりを抑制できる。また、前記
口出し36ａの位置は、磁性体フランジ34の接合面34ａあ
るいは、射出側トロイドコイル６との接合部10のどちら
か一方で引き出すか、対称位置に設ける等、その回転対
称性を保持する範囲内で適宜行える。

【０１４７】なお、その他の部分については上記第１実
施の形態と同様の作用と効果が得られるが、上記第１実
施の形態と本第２実施の形態における各構成部分は、必
要に応じて適宜、相互に適用することは容易である。

【０１４８】

【発明の効果】以上本発明によれば、電子ビーム冷却装
置の電子ビーム射出機器において、磁界を大きく得られ
る超電導ソレノイドコイルを用いて断熱膨張効率を大き
くすると共に、トロイドコイルとの間に水冷ソレノイド
コイルを設けて断熱パラメータを小さくすることによ
り、加速管電極端とトロイドコイルとの間を短く構成す
ることができる。

【０１４９】従って、電子ビーム射出機器はコンパクト
な形状で、電子ビームの運動量の広がりが小さくなるこ
とから、イオンビーム冷却効率の良い電子ビーム冷却装
置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る第１実施の形態の電子ビーム冷却
装置における電子ビーム射出機器の縦断面図。

【図２】本発明に係る第１実施の形態の電子ビーム射出
機器で、ソレノイド磁界均一空間に対する超電導ソレノ
イドコイルとノッチ位置を示す模式断面図。

【図３】本発明に係る第２実施の形態の電子ビーム冷却
装置における電子ビーム射出機器の縦断面図。

【図４】従来の電子ビーム冷却装置の一部切り欠き正面
図。

【図５】従来のＭＲＩ用超電導磁石の縦断面図。

【符号の説明】

１，17，42…電子ビーム射出機器、２…電子銃、３…加
速管、４…電子ビーム、５…射出側ソレノイドコイル、
６…射出側トロイドコイル、７…回収側トロイドコイ
ル、８…減速管、９…コレクタ、10…射出側トロイドコ
イルとの接合部、11…ＭＲＩ用超電導磁石、12…超電導
コイル、13…磁気シールド、13ａ…磁気シールド脚、13
ｂ…クライオスタット脚用穴、13ｃ…供給ポート用穴、
14，21，44…超電導クライオスタット、14ａ…クライオ
スタット脚、15…冷媒と電流の供給ポート、16…間隔、
18…冷凍機、19…電流供給ポート、20…真空排気ポー
ト、21ａ…真空排気ポート側真空容器フランジ、21ｂ，
44ｂ…水冷ソレノイドコイル側真空容器フランジ、21ｃ
…真空容器内筒、22…良伝熱材、23…超電導ソレノイド
コイル、24…ノッチ、24ａ…ノッチ中心、25…主磁界巻
線、25ａ…主磁界巻線中心、26…金属製リング、27…逆
磁界巻線、28…金属体、29…電磁力支持用フランジ、30
…断熱支持体、31…磁気シールド、32…超電導ソレノイ
ドコイル部磁性体、33…水冷ソレノイドコイル部磁性
体、34…磁性体フランジ、34ａ…磁性体フランジの接合
面、35…巻枠、36…水冷ソレノイドコイル、36ａ…水冷
ソレノイドコイルの口出し、37…水冷巻線、37ａ…高密
度巻回部、38…水冷補助巻線、39…測定穴、40…均一磁
界範囲、40ａ…均一磁界範囲中心、41…水冷ソレノイド
コイル側（矢印）、43…冷媒容器、45…多円筒形状の断
熱支持体、46…ジャッキボルト。

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 イオン蓄積リング又はイオンサイクロト
   ロンリングに設置して均一速度の電子ビームを射出する
   電子ビーム射出機器と射出された電子ビームを回収する
   電子ビーム回収機器からなる電子ビーム冷却装置におい
   て、前記電子ビーム射出機器の電子銃及び加速管部に磁
   界を発生させるコイルが超電導ソレノイドコイルで、前
   記イオン蓄積リング等に入射するために前記電子ビーム
   を曲げるトロイドコイルとの間に磁界を発生させるコイ
   ルの水冷ソレノイドコイルを設けて、前記超電導ソレノ
   イドコイル及び水冷ソレノイドコイルの全体を連続した
   円筒形状の磁性体からなる磁気シールドで覆い、前記超
   電導ソレノイドコイル部磁性体と水冷ソレノイドコイル
   部磁性体の境界において前記水冷ソレノイドコイル部磁
   性体に超電導ソレノイドコイル部磁性体の内径に対して
   小径の磁性体部分を形成すると共に、水冷ソレノイドコ
   イルの反対側に超電導ソレノイドコイルに対する電流供
   給ポートと冷熱供給ポート及びクライオスタットの真空
   排気ポートを配置して前記磁気シールドにおける回転対
   称性を保持したことを特徴とする電子ビ一ム冷却装置。
2. 【請求項２】 前記電子ビーム射出機器の磁気シールド
   において、超電導ソレノイドコイル部磁性体を水冷ソレ
   ノイドコイル部磁性体と一体の磁性体フランジにおいて
   嵌合等により結合すると共に、前記水冷ソレノイドコイ
   ル部磁性体と水冷ソレノイドコイルは樹脂含浸等により
   固定し、また超電導ソレノイドコイルのクライオスタッ
   トを前記磁性体フランジに嵌合等により固定したことを
   特徴とする請求項１記載の電子ビーム冷却装置。
3. 【請求項３】 前記電子ビーム射出機器の水冷ソレノイ
   ドコイルにおいて、巻枠の内外径を同軸に形成して磁気
   シールドの水冷ソレノイドコイル部磁性体の内径と同軸
   に樹脂含浸等で固定すると共に、前記磁性体フランジの
   当たり面を水冷ソレノイドコイルの巻枠内径軸に対して
   垂直に形成することを特徴とする請求項２記載の電子ビ
   ーム冷却装置。
4. 【請求項４】 前記電子ビーム射出機器において、超電
   導ソレノイドコイルのクライオスタット真空容器内筒に
   超電導ソレノイドコイルの両端部分で片方に３箇所以上
   の測定穴をあけて超電導ソレノイドコイルとクライオス
   タット真空容器内筒との位置及び傾きの測定をして同軸
   調整後に閉塞することを特徴とする請求項１又は請求項
   ２記載の電子ビーム冷却装置。
5. 【請求項５】 前記電子ビーム射出機器の超電導ソレノ
   イドコイルにおいて、電子銃カソードと加速管電極端間
   の中心に対して超電導ソレノイドコイル中心を水冷ソレ
   ノイドコイルと反対側にずらすと共に、外周あるいは内
   周にノッチを設けてこのノッチ中心を超電導ソレノイド
   コイル中心に対して水冷ソレノイドコイル側にずらして
   配置す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。
6. 【請求項６】 前記電子ビーム射出機器の超電導ソレノ
   イドコイルにおいて、水冷ソレノイドコイル側に主磁界
   巻線と逆方向の磁界を発生する逆磁界巻線を設けたこと
   を特徴とする請求項１乃至請求項５記載の電子ビーム冷
   却装置。
7. 【請求項７】 前記電子ビーム射出機器の超電導ソレノ
   イドコイルにおいて、主磁界巻線と逆磁界巻線の間に金
   属製リングを設けると共に、前記逆磁界巻線の外周に金
   属体を設けて水冷ソレノイドコイル側に配置した電磁力
   支持用フランジを介して水冷ソレノイドコイルと反対側
   のクライオスタット真空容器フランジに前記超電導ソレ
   ノイドコイルの外周に設けた断熱支持体により支持した
   ことを特徴とする請求項６記載の電子ビーム冷却装置。
8. 【請求項８】 前記電子ビーム射出機器の水冷ソレノイ
   ドコイルにおいて、超電導ソレノイドコイル側に高密度
   巻回部を形成したことを特徴とする請求項１乃至請求項
   ３記載の電子ビーム冷却装置。
9. 【請求項９】 前記電子ビーム射出機器の磁気シールド
   において、水冷ソレノイドコイル部磁性体の周方向厚さ
   に比べて磁性体フランジの軸方向厚さ及び超電導ソレノ
   イドコイル部磁性体の周方向厚さを厚くしたことを特徴
   とする請求項１乃至請求項４及び請求項１５記載の電子
   ビーム冷却装置。
10. 【請求項１０】 前記電子ビーム射出機器の磁気シール
    ドにおいて、超電導ソレノイドコイル部磁性体の周方向
    厚さを超電導ソレノイドコイル中心に近い部分で厚くし
    たことを特徴とする請求項１乃至請求項４及び請求項１
    ５又は請求項１６記載の電子ビーム冷却装置。
11. 【請求項１１】 前記電子ビーム射出機器の磁気シール
    ドにおいて、超電導ソレノイドコイル部磁性体及び磁性
    体フランジに透磁率及び飽和磁界の大きな磁性材料を用
    いたことを特徴とする請求項９又は請求項１０記載の電
    子ビーム冷却装置。
12. 【請求項１２】 前記電子ビーム射出機器の水冷ソレノ
    イドコイルにおいて、トロイドコイル側に水冷巻線と独
    立した水冷補助巻線を設けたことを特徴とする請求項１
    乃至請求項４及び請求項７記載の電子ビーム冷却装置。
13. 【請求項１３】 前記電子ビーム射出機器において、超
    電導ソレノイドコイルの冷熱発生源を冷凍機としたこと
    を特徴とする請求項１記載の電子ビーム冷却装置。
14. 【請求項１４】 前記電子ビーム射出機器の超電導ソレ
    ノイドコイルにおいて、主磁界巻線と逆磁界巻線の内径
    を同一に形成して内側を軸方向に連続した良伝熱体で結
    合すると共に、前記良伝熱体を介して冷熱を伝達するこ
    とを特徴とする請求項６記載の電子ビーム冷却装置。
15. 【請求項１５】 前記電子ビーム射出機器の磁気シール
    ドにおいて、超電導ソレノイドコイル部分で水冷ソレノ
    イドコイルと反対側にジャッキボルトを設けて超電導ソ
    レノイドコイルのクライオスタットと磁気シールドの傾
    きを調整可能として、電子銃及び加速管が超電導ソレノ
    イドコイル部磁性体に対して同軸に支持することを特徴
    とする請求項１又は請求項２記載の電子ビーム冷却装
    置。
16. 【請求項１６】 前記電子ビーム射出機器の超電導ソレ
    ノイドコイルにおいて、主磁界巻線と逆磁界巻線の間に
    金属製リングを設けると共に、前記逆磁界巻線の外周に
    金属体を設けて水冷ソレノイドコイル側に配置した電磁
    力支持用フランジを介して水冷ソレノイドコイル側のク
    ライオスタット真空容器フランジに前記超電導ソレノイ
    ドコイルの軸方向に設けた多重円筒形状の断熱支持体に
    より支持したことを特徴とする電子ビーム冷却装置。
17. 【請求項１７】 前記電子ビーム射出機器において、超
    電導ソレノイドコイルの冷熱発生源を極低温冷媒とした
    ことを特徴とする請求項１記載の電子ビーム冷却装置。
18. 【請求項１８】 前記電子ビーム射出機器の水冷ソレノ
    イドコイルにおいて、巻線の口出しを前記磁気シールド
    のトロイドコイル及び超電導ソレノイドコイルとの接合
    面に設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項３記載
    の電子ビーム冷却装置。