JPS593720B2 - 荷電粒子偏向装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明はプラズマ閉込装置及び核工学装置に利用する
ことができる荷電粒子の偏向装置に関する。

この発明の目的は陽イオンビーム（以下、略して単に「
イオンビーム」という）、電子ビーム、あるいは陽イオ
ン（以下、略して単に「イオン」という）と電子の混合
ビ・−ムを受は入れ、偏向１２、再びビーム状にして送
り出すことができる偏向装置を得るにある。

かかる偏向装置はここに挙げた３種類のビームの内のい
ずれのビームが入射されても同一の偏向を行なうことが
でき同等区別するところがなく、ここでは、これら３種
類のビームを特に区別しなくてもよい場合にはこれらを
総称して荷電粒子ビームと呼ぶ。

この発明の偏向装置の動作様式には２つの異った様式が
ある。

第１図は第１の動作様式を示すもので、偏向装置１１の
位置１２に軌道１３より荷電粒子ビームが入射されると
、そのビームを構成する個々の荷電粒子は偏向装置１１
の内部でそれぞれの荷電量、運動量に対応した無数の軌
動を分散進行した後に再び位置１２に収斂して来て入射
時と同一の軌道１３へ向って送出される。

軌道１３に進行方向を示す矢印が逆方向に一対記入され
ているのは、入射ビームと送出ビームが同一の軌道を共
有する関係にあることを示している。

この第１の動作様式の応用を１つ示せば、開放端系のプ
ラズマ閉込装置の開放端から荷電粒子がビーム状をなし
て漏出している場合、例えばカスプ磁界の点カスプ部分
からの漏出（これによりカスプ損失が生じる）のような
場合、漏出ビームの軌道上にこの発明の偏向装置を設置
することにより、そのビームの進行方向を反転させ同一
の軌道上に帰し漏出して来た開放端を通して元のプラズ
マ領域へ復帰させ、結果的にその開放端からの粒子損失
を抑制することによりシステム全体としてのプラズマ閉
込性能を改善することができる。

また第２図は第２の動作様式を示すもので、この発明の
偏向装置２１の位置２２に軌道２３より荷電粒子ビーム
が入射されると、個々の荷電粒子は偏向装置の内部では
無数の軌道に分散進行した後に位置２４に収斂されて、
軌道２５に向ってビーム状で送出される。

ここに、入射軌道２３及び送出軌道２５は同一平面上に
あり、その位置及びそれらのなす角度αは偏向装置の設
計により任意に選ぶことができ、その１つの例としてα
二〇、即ち入射軌道と送出軌道が平行で異った位置を占
める場合も含まれる。

以下にこれら２つの動作様式の各々についてその動作原
理及び発明の実施態様を説明する。

最初に第１の動作様式である入射軌動と送出軌道が一致
する場合の偏向装置の構造及び動作原理について説明す
る。

第３図及び第４図に偏向装置を第１の動作様式で動作さ
せる場合の基本的構造を示すが、第４図は第３図の紙面
に垂直で中心線３０を通るＡ−Ａ断面、第３図は第４図
の紙面に垂直で中心線３０を通るＢ−Ｂ断面であネ。

磁極３１及び３２によって磁界３３が生起されており、
その磁束密度は磁界３３の全域にわたって第３図の紙面
に垂直にかつ均一に分布されている。

なお、磁界３３の外部には一切磁界は存在しないものと
し、第３図及び第４図では荷電粒子の運動の説明に直接
関係がない磁極に接続される継鉄や起磁力を発生させる
コイルなどの記入を省略している。

また、磁界３３は中心線３０上の頂点３４より中心線３
０に対し左右に各４５°をなす磁界縁辺３５及び３６を
有している。

いま、中心線３０に一致する直線軌道３８を荷電量ｑ１
質量ｍ、速度■のイオンが磁束密度Ｂであるこの磁界３
３に入射して来たとする。

しかして、このイオンは磁界３３中で曲率半径Ｒ＝ｍｖ
／ｑ］なる円軌道３９を進行し、磁界縁辺３５上の位置
４０を通過して直線軌道４１へと送出されるが、均１界
では軌道の対称性があるから軌道３８と磁界縁辺３５の
なす角度と、軌動４１と磁界縁辺３５のなす角度は等し
く４５°であり、従って軌道３８と軌道４１は直角に交
叉する。

また、磁界３３は中心線３０に対して左右対称に構成さ
れているから、このイオンはその後均一磁界中での軌道
の対称性に従い中心線３０に対して前述の軌道と対称の
軌道を通ることになる。

即ち、直線軌道４１を通ったイオンは磁界縁辺３６の位
置４２から磁界３３に入射され、半径Ｒの円軌道を経て
再び頂点３４を通過して軌道３８に向って送出される。

ところで、直線軌道３８より電子が入射された場合には
荷電符号の違いからイオンと反対方向に偏向されるが、
動作原理そのものはイオンの場合と全く同じである。

即ち、電子はその荷電量、運動量に見合った曲率半径Ｒ
の円軌道４４を経て磁界縁辺３６上の位置４５から磁界
３３を離れ、軌動３８と直角に交叉する直線軌道４６よ
り磁界縁辺３５上の位置４７から磁界３３中に再び入り
、曲率半径Ｒの円軌道４８を経て再び頂点３４を通過し
て軌道３８に向って送出される。

以上の説明から明らかなように、この発明の偏向装置に
おいては入射された荷電粒子がイオン、電子いずれの場
合にも中心線３０の左翼で２７０゜右翼で２７０°、合
計５４０°の偏向を受け、入射時と同じ位置３４から同
じ軌道３８へ向けて反対方向に送出される。

即ち、この偏向装置はイオンビームに対しても、電子ビ
ームに対しても、イオン及び電子の混合ビームに対して
も同様な偏向作用を有し、あたかも光線に対して垂直に
設置された鏡が光線を入射して来た方向に向って反射す
るように荷電粒子ビームを入射軌道と同一の軌道へ送出
する機能を有する。

以上の説明では動作原理の説明を容易にするために、磁
界３３における磁束密度分布は均一であるとした。

しかしながら、均一な磁界では中心線３０を通る軌道面
に対する集束性がないため、第３図の紙面の表裏方向へ
荷電粒子が散乱するとやがて磁極３１．３２などに衝突
して粒子損失を発生してしまう。

ここにおいて、サイクロトロンなどの円形加速器では同
様の問題が既に解決されており、その解決策をこの発明
の偏向装置にも応用することができる。

その技術的内容は磁界３３中での荷電粒子の円軌道の外
向き法線方向に向って若干磁束密度を減少するように磁
気配位を構成することであり、これによって中心線３０
を通る軌道面に向って荷電粒子を集束させる作用を発生
させることができる。

これは既知の技術であるので、その動作原理やこの発明
の偏向装置への適用態様の詳細についての説明は省略す
る。

以上でこの発明の偏向装置の基本的な構成とその動作原
理について説明したので、次にこの装置が持つ基本的な
問題点について若干述べる。

その１は、この種の偏向装置に共通な問題であるが、荷
電粒子の入射軌道は幾何学的に極めて正確に保持されな
ければならない。

その理由は中心線からの入射軌道の距離的、角度的偏位
はこの装置においては送出軌道に対して数倍以上に増幅
された偏位を与える場合があるからである。

その２は、処理する荷電粒子の密度が高くなるに従って
相互作用による軌道散乱がより多く発生することである
。

また、その散乱の度合はエネルギーの低い場合はど大き
い。

従って、前述された応用例として挙げられたプラズマ閉
込装置への適用の場合には特に注意しなければならない
。

即ち、熱平衡に近いプラズマの場合にはエネルギーの低
い方に荷電粒子の確率分布の山があるから、この装置の
機能を有効に引き出すには低エネルギー粒子を何らかの
方法、例えば高周波電界による閉じ込めなどによりトラ
ップし、ここでトラップできなかった少数の高エネルギ
ー粒子だけをこの偏向装置に導き入れることが望ましい
。

しかして、プラズマ閉込装置の場合、開放端からの漏洩
粒子によるエネルギー損失の大部分がこのような相対存
在確率の低い高エネルギー粒子によるものであるから、
この偏向装置は開放端の端末損失の抑制方法として有効
である。

次に、以上に説明した基本的な構造を基とした変形例を
示す。

第５図はそのような変形例を示すものであり、この第５
図において、偏向磁界は３つの部分５１，５２及び５３
に分割されており、磁界５１の磁束密度は磁界５２及び
５３のそれに対して１．５倍に設定してあシ、このため
磁界５２及び５３における荷電粒子の軌道５７の曲率半
径は磁界５１における荷電粒子の軌道５６の曲率半径の
１．５倍となっている。

また、磁界５２及び５３の間の直線軌道５８の長さけ、
第３図の構成をとって磁界５１に相当する磁界３３の磁
束密度を一致させた場合の直線軌道４１の長さの半分に
相当し、それ故この区間での軌道の集束性が若干向上す
る。

なお、ここでは磁界５２及び５３に対する磁界５１の磁
束密度の比率を１．５倍に選んだが、この比率はほぼ１
．９から０．５位の範囲で任意に選ぶことができる。

また、第５図では磁界５１と磁界５２及び５３とが直線
状の空隙を置いて対向して設置されているが、これは入
射点５５を頂点とする二等辺三角形であってもよい。

さらに、磁界の分割数も５以上とすることも可能であり
、磁界を分割せずに磁束分布を適当に選ぶことにより第
５図の変形例と同様の機能を有する磁界を得ることも可
能であり、磁束分布によっては第３図の磁界縁辺３５及
び３６を直線ではなく曲線にすることも可能である。

要するに中心線に沿って入射された荷電粒子が中心線の
左翼及び右翼の磁界によって各々２７０°、合せて５４
０°偏向されて後に再び中心線に沿って送出される偏向
装置であれば良い。

以上がこの発明の偏向装置を第１の動作様式で構成、動
作させた場合についての説明であるが、次に第２の動作
様式、即ち荷電粒子ビームの入射軌道及び送出軌道が同
一平面上の異った位置を占め、かつ角度αを々している
場合に適用すべく構成、動作させる場合について説明す
る。

始めにα＝０°、即ち入射軌道及び送出軌道が異った位
置で平行な場合について説明する。

この場合の偏向装置の基本的構造を第６図に示すが、こ
れは第３図及び第４図に示した第１の動作様式の装置の
構造と本質的に同一であり、荷電粒子ビームの入射位置
が違うだけであることが明らかである。

また、第６図においては中心線６０から離れそれに平行
な軌動６４より磁界６１の縁辺６５に向って入射される
。

磁束の方向を第６図のようにとる場合、イオンは磁界６
１中では時計方向に偏向される曲線軌道６６を、自由空
間中では中心線６０と直角な直線軌道６７を、再び磁界
６１中では曲線軌道６８をそれぞれ進行し、磁界６１の
縁辺６３の位置７２から入射軌道６４に平行な軌道１３
に向けて送出される。

なお、電子の場合には、磁界６１中で反時計方向に偏向
される曲線軌動６９を、自由空間中は中心線６０に直角
な直線軌道７０を、再び磁界６１中では曲線軌道７１を
それぞれ進み、磁界６１の縁辺６３の位置γ２から入射
軌道６４に平行な軌道Ｔ３に向けて送出される。

ここにおいて、磁界６１の全域に亘って磁束密度が一様
である場合は曲線軌道６６゜６８．６９及び７１はそれ
ぞれ半径Ｒ＝ｍｖ／ｑＢの円軌道となり、中心線６０と
磁界縁辺６２及び６３のなす角度をそれぞれ４５°とす
れば、以上の動作原理は一様磁界中における荷電粒子軌
道の対称性から容易に理解できる。

軌道平面内の集束性向上のためなどにより磁束密度が一
様でない分布を有する場合には、磁界縁辺６２．６３の
なす角度及び形状はこれとは若干異ってくる場合がある
。

これ以外にも機能の基本には変りがないが、構造的には
変化形が考えられる。

また、磁束の方向を反転してイオンと電子を入れ換えて
も動作原理そのものには変りない。

以上要するに、中心線から離れてそれに平行な軌道より
入射されたイオンあるいは電子にその磁界の左翼で２７
０°、右翼で２７０°、合計５４０゜の偏向を与え、他
方電子あるいはイオンにその磁界の左翼で９０″、右翼
で９０″、合計１８０゜の偏向を与え、中心線に対して
入射位置と対称な送出位置から中心線と平行に荷電粒子
を送出するようにしたものである。

最後にこの発明の偏向装置を第２の動作様式、即ち荷電
粒子ビームの入射軌道と送出軌道が同一平面上の異った
位置を占め、かつ角度ａをなしている一般の場合に適用
すべく構成、動作させる場合について説明する。

第７図がその基本的構造を示すものであるが、上述の説
明からもはや重複的な説明をしなくてもその動作原理は
明らかである。

入射軌道８４と送出軌道９３のなす角度をα°とすると
、磁界８１の全域に亘って磁束密度が一様な場合は磁界
縁辺８２と８３のなす角度は（９０＋ｃｔ／２ ）’
、また磁界縁辺８２と入射軌道８４、直線軌道８７．９
０がなす挟角はそれぞれ（４５−α／４）°である。

以上、この発明の偏向装置について説明したが、これに
は同一の基本構造に対して２つの動作様式があり、それ
らを第１の動作様式及び第２の動作様式と呼称してそれ
ぞれについて構造及び動作原理を説明した。

要するにこの発明によって荷電粒子ビームを入射された
と同一軌道上へ送出する偏向磁石装置、あるいはイオン
と電子の混合ビームを処理できる偏向装置など、従来は
困難であった種類の荷電粒子ビームの取扱いが可能とな
った。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図はこの発明の詳細な説明するための概
念図、第３図はこの発明による偏向装置を第１の動作様
式で動作させるときの基本的構造を示すためその磁界及
び荷電粒子の軌道を磁界に垂直な平面で示す図、第４図
は第３図の偏向装置を磁界に平行な平面で示す断面図、
第５図は第３図の偏向装置の変形例を示す図、第６図は
この発明による偏向装置を第２の動作様式で動作させる
ときの荷電粒子の入射方向及び送出方向が同じ場合の基
本的構造を示すためその磁界及び荷電粒子の軌動を磁界
に垂直な平面で示す図、第７図は入射方向及び送出方向
が異なる場合の第６図に相当する図である。 １１．２１・・・・・・偏向装置、１３、２２、２５
。 ５Ｔ・・・・・・軌道、３１，３２・・・・・・磁極、
３５，３６゜６２．６３，８２，８３・・・・・・磁界
縁辺、３Ｂ。 ４１．６７．７０・・・・・・直線軌道、３９，４８・
・・・・・円軌道、６６．６Ｂ、６９，７１・・・・・
・曲線軌道、３３．５１〜５３，６１，８１・・曲磁界
、６４゜８４・・・・・・入射軌道、７３，９３・・・
・・・送出軌道。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 外部から平行磁界に入射されたビーム状荷電粒子群
   を前過程及び後過程に分けて偏向し、その前過程では前
   記ビーム状荷電粒子群を前記磁界中で２７０°偏向させ
   る間に荷電量、運動量に応じた軌道群に分離させた後に
   前記磁界のない空間を直進せしめ、前記後過程で前記ビ
   ーム状荷電粒子群を再び前記磁界中に受は入れて２７０
   °偏向させる間に前過程で分離されていた軌道群を再び
   一本の軌道に収斂させてその前後の過程で合計５４０゜
   の偏向を行ない、入射された軌道に沿ってビーム状に再
   構成した荷電粒子群を送出するようにしたことを特徴と
   する荷電粒子偏向装置。 ２ 外部から平行磁界に入射されたビーム状荷電粒子群
   を前過程及び後過程に分けて偏向して送出する荷電粒子
   偏向装置であって、入射軌道及び送出軌道が平行かつ離
   れており、前記荷電粒子群が陽イオン及び電子の混合体
   であって、陽イオンおよび電子の一方は、前記前過程で
   は前記磁界中で２７０°偏向させる間に荷電量、運動量
   に応じた軌道群に分離させた後に前記磁界のない空間を
   直進せしめ、前記後過程で再び前記磁界中に受は入れて
   ２７０＠偏向させる間に前過程で分離されていた軌道群
   を再び一本の軌道に収斂させてその前後の過程で合計５
   ４０°の偏向を行ない、前記陽イオンおよび電子の他方
   は、前記前過程では前記陽イオンおよび電子の一方の偏
   向方向とは、逆方向に９０°偏向させる間にその荷電量
   、運動量に応じた軌動群に分離させた後に磁界のない空
   間を直進せしめ、前記後過程では再び前記磁界中に受は
   入れて９０°偏向させる間に前記後過程で分離されてい
   た軌道群を再び一本の軌道に収斂させてその前後の過程
   で合計１８０°の偏向を行ない、結果として２種の電荷
   符号の一方の荷電粒子群に対しては合計５４０°、他方
   の荷電粒子群に対しては合計１８０°の偏向を行ない、
   偏向の途中過程では異なる軌道群をとっていた２種の電
   荷符号の荷電粒子群を最終的に一本の軌道に収斂させビ
   ーム状に再構成して送出するようにしたことを特徴とす
   る荷電粒子偏向装置。