JP2000338300A

JP2000338300A - 荷電粒子ビームの集群装置と集群方法

Info

Publication number: JP2000338300A
Application number: JP11148573A
Authority: JP
Inventors: Akinobu Nakajo; 晃伸中條; Masafumi Hirose; 雅文廣瀬
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 1999-05-27
Filing date: 1999-05-27
Publication date: 2000-12-08
Anticipated expiration: 2019-05-27
Also published as: JP3403970B2

Abstract

(57)【要約】【課題】非相対論的エネルギを持つ荷電粒子ビーム
を、短パルス化することができる荷電粒子ビーム集群装
置を提供する。【解決手段】ビーム発生装置が、運動エネルギ１ｅＶ
〜１ＭｅＶの荷電粒子ビームを発生する。ビームダクト
の一端から荷電粒子ビームが入射し、軸方向に沿って進
行する。軸方向に垂直な仮想平面とビームダクトの側壁
との交線に沿ってギャップが形成されている。インダク
ションシステムが、このギャップに、時間に関して−２
次関数的に変化する電場を発生させる。この電場によ
り、荷電粒子ビームが集群される。冷却手段が、インダ
クションシステムを強制的に冷却する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、荷電粒子ビームの
集群方法、特に非相対論的エネルギを持つ荷電粒子ビー
ムの集群方法に関する。

【０００２】低速陽電子ビームを物質に入射させて陽電
子の寿命を測定することにより、半導体や金属中の格子
欠陥の非破壊検査や、物質最表面層の元素分析及び構造
解析等、従来の電子顕微鏡では不可能であった微細な分
析が可能となる。低速陽電子ビームは、トランジスタや
太陽電池などの半導体材料や薄膜材料、原子炉や核融合
材料、高分子材料、高温超伝導材料などの分析、検査及
び開発に幅広く応用することができる。

【０００３】陽電子の寿命を精密に測定するために、低
速陽電子ビームを安定に極短パルス化するビーム制御技
術が望まれている。

【０００４】

【従来の技術】図１０は、従来の低速陽電子ビームの極
短パルス化装置を示す。

【０００５】ビームダクト５０に図の左方から陽電子が
入射する。陽電子ビームをチョッパ５１でチョップし、
時間幅が２〜３０ｎｓ程度のパルス状ビームを形成す
る。このパルス状ビームをバンチャ５２で集群する前
に、サブハーモニックプリバンチャ５３でビームの時間
幅が２ｎｓ以下になるようにする。

【０００６】サブハーモニックプリバンチャ５３は、２
重の筒からなり、内側の筒に高周波を印加することによ
って、筒の両端の２つのギャップでビームを変調するも
のである。

【０００７】ＲＦキャビティからなるバンチャ５２は、
このビームに更に変調を加えて最終的に試料位置５４で
時間的なフォーカスを得る。バンチャ５２には、バンチ
ャ効率を高めるために正弦波のみならずその高調波が与
えられる。三角らは、基本波に第３高調波を混合し、時
間幅１５０ｐｓｅｃ程度の極短パルスを得ている（三角
ら、放射線ｖｏｌ．１８，Ｎｏ．２（１９９２））。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従来技術によると、時
間幅が１５０ｐｓｅｃ程度の荷電粒子ビームパルスを得
ることができるが、動作がより安定でコンパクトかつ取
扱容易なパルス装置が望まれている。

【０００９】本発明の目的は、非相対論的エネルギを持
つ荷電粒子ビームを、短パルス化することができる荷電
粒子ビーム集群装置を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の一観点による
と、運動エネルギ１ｅＶ〜１ＭｅＶの荷電粒子ビーム発
生装置と、一端から前記荷電粒子ビームが入射し、軸方
向に沿って進行するビームダクトであって、前記軸方向
に垂直な仮想平面と前記ビームダクトの側壁との交線に
沿って形成されたギャップを有する前記ビームダクト
と、前記ギャップを介して高周波電流を流す第１の電流
路、該第１の電流路に接続された少なくとも一つの第２
の電流路、及び該第２の電流路に鎖交する磁路を画定す
る少なくとも一つのコアとを含んで構成されたインダク
ションシステムと、前記インダクションシステムに、前
記荷電粒子ビームを集群するための電場を発生させる電
圧を印加する電圧印加手段であって、該電圧が時間に関
して−２次関数的に変化する前記電圧印加手段と、前記
インダクションシステムを強制的に冷却する冷却手段と
を有する荷電粒子ビーム集群装置が提供される。

【００１１】本発明の他の観点によると、運動エネルギ
１ｅＶ〜１ＭｅＶの荷電粒子ビームの進行方向にほぼ平
行であり、強さが時間に関して−２次関数的に変化する
電場をある期間発生するとともに、冷却装置により前記
電場を発生する装置を強制的に冷却しながら前記荷電粒
子ビームを集群する荷電粒子ビームの集群方法が提供さ
れる。

【００１２】荷電粒子ビームに、インダクションシステ
ムによる電場を作用させることにより、荷電粒子を集群
することができる。その場合、荷電粒子集群装置を強制
的に冷却することによって、発熱を吸収して熱の影響を
受けずに安定的に集群作用を行わせることが可能にな
る。インダクションシステムに与える電圧を、時間に関
して−２次関数的に変化させることにより、理想的には
荷電粒子ビームを時間に関してほぼ一点に集群すること
が可能になる。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１を参照して、本発明の実施例
による低速陽電子ビームを集群する集群装置について説
明する。なお、陽電子に限らずその他の荷電粒子ビーム
に適用することもできる。

【００１４】図１は、実施例による陽電子ビーム集群装
置の正面図を示す。支持台３０の上に円筒状のビームダ
クト１が取り付けられている。ビームダクト１は、両端
にフランジを有する複数の円筒状ダクトがフランジ部で
接続されて構成されている。

【００１５】ビームダクト１と中心軸を共有するように
その外側に１０個のヘルムホルツコイル２がほぼ等間隔
に配置されている。ヘルムホルツコイル２により、ビー
ムダクト１の内部にほぼ一様の軸方向のビーム輸送用磁
場が発生する。ビームダクト１の図の左端からビームダ
クト１内に入射した荷電粒子は、ビーム輸送用磁場によ
り軸方向に対して垂直な方向に力を受ける。この力によ
り荷電粒子はらせん運動しながら軸方向に輸送される。

【００１６】ビームダクト１の入射端からやや後方（下
流側）には、チョッパ３が取り付けられている。連続的
に入射する陽電子ビームはチョッパ３によりチョップさ
れ、所定の時間幅にパルス化される。チョッパ３は、複
数枚のグリッドによってパルス電場を発生するものでも
よいし、機械的にチョップするものでもよい。

【００１７】チョッパ３よりも距離Ｌ１だけ後方に、イ
ンダクションシステム１０が取り付けられている。イン
ダクションシステム１０については、後に図２を参照し
て詳説する。チョッパ３によってパルス化された陽電子
ビームは、インダクションシステム１０によって集群さ
れ、パルスの時間幅が圧縮される。

【００１８】インダクションシステム１０よりも距離Ｌ
２だけ後方に、試料を配置するための試料室４が取り付
けられている。試料室４内に配置された試料表面に、イ
ンダクションシステム１０で極短パルス化された陽電子
ビームが入射する。

【００１９】次に、図２を参照して、インダクションシ
ステム１０の構成及び動作原理について説明する。

【００２０】図２は、ビームダクト１の中心軸を含む平
面における断面図を示す。陽電子ビームの集群を行う位
置に対応したビームダクト１の側壁に、円周方向のギャ
ップ１６が形成されている。ギャップ１６は、絶縁物か
らなる円環状部材１４により塞がれ、ビームダクト１内
の気密性が保たれている。また、ギャップ１６に接続す
るように、円環状のインダクションシステム１０が取り
付けられている。

【００２１】インダクションシステム１０は、ビームダ
クト１と中心軸を共有する円環状空洞を画定する導電性
部材１２、この円環状空洞内に配置され、ビームダクト
１の外周を１周する閉磁路を画定する強磁性体からなる
コア１１、及び導電性部材１２に電圧を印加するための
同軸ケーブル１５から構成されている。円環状空洞は、
導電性部材１２の内周側の側壁に設けられたギャップ１
６により円環状部材１４に連続している。導電性部材１
２は、コア１１の内周面と一方の端面に接する内側部材
１２ａ、及びコア１１の外周面に接し、他方の端面との
間にギャップ１６に連続する空洞１３を画定する外側部
材１２ｂから構成されている。

【００２２】外側部材１２ｂの外周面に設けられた貫通
孔を通して同軸ケーブル１５の芯線１５ａが空洞１３内
に挿入され、内側部材１２ａの内周面側の端部に接続さ
れている。同軸ケーブル１５の外側導体１５ｂは、外側
部材１２ｂの貫通孔近傍に接続されている。

【００２３】次に、図６（Ａ）を参照してインダクショ
ンシステム１０の動作を説明する。

【００２４】図６（Ａ）は、インダクションシステム１
０の電気的接続に着目した概略図である。インダクショ
ンシステム１０には、ギャップ１６を介して高周波電流
を流す電流路ｉ１、及びコア１１と鎖交する電流路ｉ２
が画定されている。同軸ケーブル１５から高周波電圧を
印加する。コア１１は、強磁性体により形成されている
ため、電流路ｉ２のインダクタンスは高い。従って、印
加する電圧の周波数が十分高ければ、電流路ｉ２のイン
ピーダンスが高くなり電流はほとんど流れない。電流路
ｉ２は、ギャップ１６の両端を直流的に同電位にする。

【００２５】同軸ケーブル１５から印加された電圧によ
り、電流路ｉ１に電流が流れ、ギャップ１６の両端に電
位差が生じる。これにより、ビームダクト１内に軸方向
に垂直な等電位面が発生する。すなわち、軸方向に平行
な電場が発生する。この電位差により、ビームダクト１
内を移動する荷電粒子は軸方向の加速度を受け、減速あ
るいは加速される。パルス化された陽電子ビームの先頭
近傍の陽電子を減速し、後尾近傍の陽電子を加速するこ
とにより、陽電子ビームの時間幅を圧縮することができ
る。

【００２６】図２に示すインダクションシステムは、加
速エネルギ１０〜３０ＭｅＶ程度の大電流荷電粒子ビー
ムの加速器として知られているものであり、インダクシ
ョンシステムを非相対論的荷電粒子ビームの速度変調に
利用した例はない。

【００２７】図１０に示す従来の集群システムは、予備
集群を行うためのサブハーモニックプリバンチャと集群
を行うためのＲＦキャビティを必要とする。サブハーモ
ニックプリバンチャには、２重の円筒状導体の両端にそ
れぞれギャップが存在する。一方のギャップに予備集群
のための適当な信号を印加しても、ビームが他方のギャ
ップの影響を受けると十分な予備集群を行うことができ
ない。他方のギャップの影響を廃し十分な集群を行うた
めには、２重円筒状導体の長さに制限が加わる上、予期
しない浮遊の容量が発生する恐れがあり、電気回路上、
組立の困難がともなう。これに対し、インダクションシ
ステムはビームダクトの１か所に配置されたギャップに
より集群用の電場を発生するため、このような問題は発
生しない。

【００２８】また、インダクションシステムのギャップ
前後のビームダクトをアースレベルに落とすことができ
るため、外部からの雑音等に対して安定である。

【００２９】次に、図３、図４を参照してインダクショ
ンシステムに印加する信号波形について説明する。

【００３０】図３は、低速陽電子ビームが集群される様
子を表すグラフである。横軸は、時間ｔを表し、縦軸
は、図１に示すビームダクト１の軸方向の位置を、図２
のギャップ１６の位置を基準として表す。図１のチョッ
パ３を通過した陽電子ギャップ１６まで到達する。ギャ
ップ１６に到達するすべての陽電子は、理想的には同一
のエネルギＥ₀を有する。

【００３１】陽電子は、ギャップ１６に発生した電場に
より加減速を受け、試料表面４ａに達する。比較的早い
時刻−ｔ₀にギャップ１６に到達した陽電子は減速さ
れ、そのエネルギがＥ₀₀まで低下する。比較的遅い時刻
−ｔ₂にギャップ１６に到達した陽電子は加速され、そ
のエネルギがＥ₀₂まで上昇する。その中間の時刻−ｔ₁
にギャップ１６に到達した陽電子のエネルギは、エネル
ギＥ₀₀とＥ₀₂との中間のエネルギＥ₀₁になる。最終的
に、これらの陽電子は、時刻−ｔ₃の時点で試料表面４
ａに到達する。すなわち、ギャップ１６の位置では、時
刻−ｔ₀から−ｔ₂まで分布していた陽電子ビームが、試
料表面４ａの位置ではほぼ一点に集群される。

【００３２】ギャップ１６に印加される最適な電圧波形
Ｖ（ｔ）は、

【００３３】

【数１】Ｖ（ｔ）＝−ｍ（Ｌ２）²／（２ｅｔ²）＋Ｅ₀ と表される。ここで、ｍは陽電子の静止質量、ｅは電気
素量、ｔは陽電子が試料表面に到達する時刻を基準（ｔ
＝０）とした時間を表す。すなわち、最適な電圧Ｖ
（ｔ）は、時間ｔの−２次関数になる。

【００３４】図４に、最適な電圧Ｖ（ｔ）の一例を示
す。横軸は経過時間ｔを表し、縦軸は電圧Ｖ（ｔ）を表
す。なお、陽電子の初期エネルギＥ₀を６６８ｅＶ、ギ
ャップ１６から試料表面４ａまでの距離を１０２ｃｍと
している。

【００３５】なお、時間に関して−２次関数的に変化す
る最適波形を、他の波形で近似してもよい。例えば線型
に変化する波形及び正弦波、余弦波を重ね合わせた波形
を発生させてもよい。

【００３６】次に、図４に示された電圧波形を、インダ
クションシステムに印加して陽電子ビームを集群した実
験結果について説明する。

【００３７】実験に使用した集群装置は、図１及び図２
に示すものである。インダクションシステムのコアに
は、ファインメットコア（日立金属（株）製）を使用し
た。ファインメットコアは飽和磁束密度が１．３Ｔ以上
と高く、また磁気歪が低いという特徴を有している。

【００３８】インダクションシステムは、ヘルムホルツ
コイルによるビーム輸送用磁場内に配置されて使用され
るため、飽和磁束密度が高い材料が好ましい。飽和磁束
密度が０．５Ｔ以上の材料を使用することが好ましい。
より具体的には、飽和磁束密度が１Ｔ以上であることが
好ましい。また、印加した電圧に比例した電場を発生す
る必要があるため、磁気歪の少ない材料であることが好
ましい。例えば、フェライト系のコア、アモルファスコ
ア等を使用してもよい。

【００３９】図４に示す波形をインダクションシステム
に印加して陽電子ビームを集群した。印加した波形は、
−８０Ｖから＋８０Ｖまで時間８ｎｓをかけて変化する
有効部分と、＋８０Ｖから−８０Ｖまで時間１０ｎｓを
かけて戻るの無効部分からなるものである。すなわち、
波形の周期は１８ｎｓである。波形の無効部分が印可さ
れている期間に陽電子ビームがギャップ１６の位置に到
達しないように、チョッパ３で連続的な陽電子ビームを
チョップすることが好ましい。このようにチョップする
ことにより、バックグラウンドの陽電子ビームを少なく
するとともに、良好なパルス幅の陽電子ビームを得るこ
とが可能になる。

【００４０】初期の低速陽電子ビームのエネルギにばら
つきがない場合、図４に示すｔ^-2に比例して変化する波
形を用いることにより理想的には一点に集群することが
できる。しかしながら、実際に使用可能な低速陽電子ビ
ームのエネルギは、３ｅＶ程度のばらつきを持ってい
る。

【００４１】図３に破線で示すように、初期のエネルギ
（Ｅ₀＋ｄＥ）の陽電子がギャップ１６に到達した場合
を考える。このエネルギの相違分ｄＥのために、試料表
面４ａに到達する時刻は、

【００４２】

【数２】ｄｔ＝ｔ（１−（１＋２ｅｔ²ｄＥ／ｍ（Ｌ
２）²）^-1/2）と表される。ここで、ｔは陽電子がギャップ１６を通過
した時刻を表す。すなわち、初期のエネルギにｄＥだけ
のばらつきがあると、試料表面に到達する時刻にｄｔだ
けのばらつきが生ずる。

【００４３】例えば、初期エネルギを６６８ｅＶ、エネ
ルギのばらつきを３ｅＶ、インダクションシステムに印
加する電圧波形を図４に示す波形とした場合、図２のギ
ャップ１６から１ｍ離れた試料表面への到達時刻のばら
つきが約２００ｐｓになるという計算結果が得られた。

【００４４】チョッパでチョップされたパルス状の陽電
子ビームを一定距離ドリフトさせると、エネルギのばら
つきによりパルス幅が広がる。幅の広がったパルスの中
心部分の陽電子のみを対象に集群を行うことにより、実
質的に集群対象となる陽電子のエネルギのばらつきを少
なくすることができる。具体的には、図１の集群装置に
おいて、チョッパ３とインダクションシステム１０のギ
ャップとの距離Ｌ１を確保すればよい。

【００４５】距離Ｌ１を１００ｃｍにして、陽電子ビー
ムの集群を行った。陽電子ビームの初期エネルギは８ｅ
Ｖ、エネルギのばらつきは±０．５Ｖ、チョップ直後の
時間幅が３０ｎｓである。インダクションシステムに印
加した電圧は、鋸波と正の正弦波を重ね合わせたもので
ある。このとき、インダクションシステムのギャップか
ら２０６ｃｍ後方で半値幅２００ｐｓの集束されたビー
ムを得ることができた。

【００４６】上記実験では、距離Ｌ１が１００ｃｍの場
合を示したが、１００ｃｍに限らずその他の適切な距離
を確保するようにしてもよい。距離Ｌ１はエネルギの拡
がりによって適切に選ぶことが好ましい。現実的には、
１０〜２００ｃｍ程度が好ましいであろう。

【００４７】また、複数枚のグリッドによってパルス電
場を発生させるチョッパを用いる場合、チョッパに印加
する電圧の振幅を小さくすることによっても、チョップ
後の陽電子ビームのエネルギのばらつきを少なくするこ
とができる。例えば、チョッパに入射する陽電子ビーム
の中心エネルギに、エネルギのばらつき幅を足し合わせ
たエネルギに相当するオフセット電圧をチョッパに印加
し、電圧の振幅を０．５Ｖとすると、チョップ後の陽電
子ビームのエネルギのばらつきを０．５ｅＶ程度にする
ことができる。この方法では、高いエネルギを有する陽
電子が取り出される。

【００４８】図３及び図４では、−２次関数的に変化す
る電圧波形を印加する場合を説明したが、図４に示す波
形に近似した波形を印加してもよい。図５に、近似波形
の例を示す。なお、図５では、縦軸の正負を図４のそれ
と反転させて表している。

【００４９】図５（Ａ）は、鋸波で近似した場合を示
す。図５（Ａ）に示すように、１周期内で電圧は線型に
単調増加する。

【００５０】図５（Ｂ）は、正弦波の位相π〜２πの半
周期分の波形が図５（Ａ）の鋸波と同一周期で繰り返す
波形を、図５（Ａ）の鋸波に重ね合わせた場合を示す。
図中の破線ａ１は鋸波、破線ａ２は正弦波の位相π〜２
πの波形を示す。この２つの波形を重ね合わせると図中
の実線ｂ１が得られる。図５（Ｂ）に示すように、この
波形は図４に示す理想的な波形に、より近似している。

【００５１】図５（Ｃ）は、余弦波の位相０〜πの半周
期分の波形が図５（Ａ）の鋸波と同一周期で繰り返す波
形を、図５（Ｂ）の波形に重ね合わせた場合を示す。図
中の破線ｂ１は図５（Ｂ）の波形、破線ｂ２は余弦波の
位相０〜πの波形を示す。この２つの波形を重ね合わせ
ると図中の実線ｃが得られる。図５（Ｃ）に示すよう
に、この波形も図４に示す理想的な波形に近似してい
る。

【００５２】図５（Ａ）に示す波形をインダクションシ
ステムに印加して陽電子ビームを集群した。印加した鋸
波は、−０．２７５〜＋０．２７５Ｖの間で周期１００
ｎｓで変化する波形である。なお、鋸波の有効部分は８
０ｎｓであり、その前後に合計２０ｎｓの無効部分があ
る。陽電子ビームの初期エネルギは８ｅＶ、パルス幅は
４０ｎｓ、チョップ周波数は１０ＭＨｚである。このと
き、インダクションシステムのギャップから１９０ｃｍ
後方で時間幅１６５ｐｓの集群されたビームを得ること
ができた。

【００５３】図５（Ｂ）に示す電圧波形をインダクショ
ンシステムに印加して、初期エネルギ２０ｅＶ、パルス
幅８０ｎｓ、チョップ周波数１０ＭＨｚの陽電子ビーム
を集群した。鋸波は、−２．０５〜＋２．０５Ｖの間で
周期１００ｎｓ（有効部分８０ｎｓ）で変化する波形で
ある。正弦波は、位相π〜２πの波形が周期１００ｎｓ
で繰り返す波形であり、振幅は０．３Ｖである。また、
鋸波に対して位相を１ｎｓ遅らせて重ね合わせた。

【００５４】このとき、インダクションシステムのギャ
ップから９０ｃｍ後方で時間幅１３８ｐｓの集群された
ビームを得ることができた。

【００５５】なお、負の正弦波の位相を遅らせたのは、
鋸波の立ち下がり時間が０ではないこと、インダクショ
ンシステムのギャップ幅が０ではないこと等、理想的な
条件からのずれを補正するためである。なお、適切な位
相遅れ量は、装置により異なると思われるため、実験を
繰り返して最適条件を見つけることが好ましい。

【００５６】図５（Ｂ）に示す電圧波形を、条件を変え
て重ね合わせて集群を行った。陽電子ビームは、初期エ
ネルギ２００ｅＶ、パルス幅３０ｎｓ、チョップ周波数
１０ＭＨｚである。鋸波は、−２０〜＋２０Ｖの間で周
期１００ｎｓ（有効部分３０ｎｓ）で変化する波形であ
る。負の正弦波は、位相０〜πの波形が周期３０ｎｓで
繰り返す波形であり、振幅は５Ｖである。また、鋸波と
負の正弦波は同相で重ね合わせた。

【００５７】このとき、インダクションシステムのギャ
ップから２０７ｃｍ後方で時間幅４０ｐｓの集群された
ビームを得ることができた。

【００５８】次に、図５（Ｃ）に示す電圧波形をインダ
クションシステムに印加して集群を行った。陽電子ビー
ム、鋸波及び負の正弦波は、上記３番目の実験例と同条
件である。余弦波は、位相０〜πの波形が周期３０ｎｓ
で繰り返す波形であり、振幅は０．１Ｖである。このと
き、インダクションシステムのギャップから２０７ｃｍ
後方で時間幅２０ｐｓの集群されたビームを得ることが
できた。

【００５９】上記実験例の結果が示すように、インダク
ションシステムに鋸波形の電圧を印加してパルス状の陽
電子ビームを集群することができる。また、鋸波に正弦
波の位相π〜２πの波形、さらには余弦波の位相０〜π
の波形を重ね合わせることにより集群効率を高めること
ができる。

【００６０】上記実験例では、重畳する正弦波及び余弦
波の波形を半周期分の波形としたが、必ずしも半周期分
の波形である必要はない。正弦波の位相０〜πの波形の
代わりに、正弦波の上に凸の部分の波形を切り出しても
よい。同様に、位相π〜２πの波形の代わりに、下に凸
の部分の波形を切り出してもよい。また、余弦波の位相
０〜π、位相π〜２πの波形の代わりに、それぞれ余弦
波の傾きが負の部分の波形、余弦波の傾きが正の部分の
波形を切り出してもよい。このとき、実験を繰り返し、
適切な波形を選択することが好ましい。

【００６１】図２及び図６（Ａ）では、インダクション
システム１０の２つの電流路が並列に接続されている場
合について示したが、直列接続構成にしてもよい。ま
た、コアを複数配置してもよい。

【００６２】図６（Ｂ）は、インダクションシステム１
０の２つの電流路に直列に電流が流れる構成とした場合
を示す。図６（Ｂ）の構成では、同軸ケーブル１５の芯
線がコア１１を取り巻いている。芯線により形成された
電流路ｉ２に高周波電流がながれると、コア１１内の磁
場変化を打ち消すように導電性部材１２とギャップ１６
により形成された電流路ｉ１に電流が流れる。この電流
により、ギャップ１６の両端に電位差が生ずる。

【００６３】図６（Ｃ）は、コア１１ａ、１１ｂと同軸
ケーブル１５ａ、１５ｂを配置し、コア１１ａ、１１ｂ
にそれぞれ同軸ケーブル１５ａ、１５ｂの芯線を巻き付
けた場合を示す。コア１５ａの芯線により電流回路ｉ２
が形成され、電流回路ｉ２を流れた電流は同軸ケーブル
１５ｂの外部導体に流出する。

【００６４】同軸ケーブル１５ｂの芯線により形成され
た電流路ｉ３を流れた電流は、導電性部材１２とギャッ
プ１６により形成された電流路ｉ１に流れ、同軸ケーブ
ル１５ａの外部導体に流出する。

【００６５】電流路ｉ２、ｉ３のコア１１ａと１１ｂと
に挟まれた部分には、相互に逆向きの電流が流れるた
め、実質的に電流が流れないことと等価である。従っ
て、電流路ｉ２とｉ３に流れる電流と、電流路ｉ１に流
れる電流により、コア１１ａ、１１ｂ内の磁場変化が打
ち消される。

【００６６】図６（Ｄ）は、１つの同軸ケーブル１５の
芯線を並列に２つのコア１１ａ、１１ｂにそれぞれ巻き
付けた場合を示す。図６（Ｃ）と同様の電流路ｉ１、ｉ
２、ｉ３が形成され、電流路ｉ１を流れる電流によりギ
ャップ１６の両端に電位差が発生する。

【００６７】図６（Ｂ）の回路は、図６（Ａ）の回路に
比べて渦電流によるインダクタンスが大きくなるという
特徴を有するが、基本的な特性は同じである。

【００６８】図６（Ｃ）の回路は、２ケ所の入力端子か
ら別々の信号を入力できるので、ギャップ１６に極めて
多様な電場を発生させることができる。

【００６９】図６（Ｄ）の回路は、入力の電圧が充分大
きく取れない場合、例えば入力装置側のアンプの最大出
力電圧が不足している場合等に有効な回路である。

【００７０】図２で説明したインダクションシステム１
０の構造では、インダクションシステム１０に与えるパ
ルス電圧（例えば図５（Ａ）〜（Ｄ）に示す波形）によ
り供給される電力が大きくなるにつれ、コア１１の発熱
が増大する。その結果、コアの性能が低下して安定した
短パルス化が困難になるおそれがある。

【００７１】例えば、コアの温度がキューリー点に達す
ると、コアの強磁性状態が維持できなくなる。あるいは
キューリー点に達しないまでもそれに近い温度まで上昇
した場合には、熱による磁性性質の低下が起こる。その
為に、荷電粒子ビームの短パルス化のための集群作用の
所期の性能が発揮されなくなる場合が生じる。

【００７２】以下、コアの発熱の問題を解決するための
第1〜第３の実施例について説明する。

【００７３】図７（Ａ）は，第１の実施例による陽電子
ビーム集群装置のインダクションシステムの断面図を示
す。インダクションシステムの基本構成は、図２に示す
ものと同様である。図７（Ａ）に示すインダクションシ
ステムの各構成部分には、図２のインダクションシステ
ムの対応する構成部分と同一の参照符号が付されてい
る。

【００７４】図７（Ｂ）は、図７（Ａ）に示すインダク
ションシステムを、同軸ケーブル１５の取り付け部側か
ら見た側面図を示し、図７（Ｃ）は，その反対側から見
た側面図を示す。

【００７５】導電性部材１２は、熱伝導性の良い例えば
銅などの材料で形成される。その外側部材１２ｂの外周
に接して冷却装置２０が設けられている。冷却装置２０
は、外側部材１２ｂの外周を取り巻く水路２１を含む
。

【００７６】図７（Ｂ）及び図７（Ｃ）に示すように、
水路２１は、外側部材１２ｂの外周面を半周巡る水路２
１ａ、その反対側の外周面を半周巡る水路２１ｂ、及び
水路２１ａと２１ｂとに平走するように外側部材１２ｂ
の外周面をほぼ１周する水路２１ｃを含んで構成され
る。水路２１ａ及び２１ｂの相互に対向する一対の端部
には、それぞれ注水口２２及び排水口２３が設けられて
いる。水路２１ａの他方の端部は水路２１ｃの一端に接
続され、水路２１ｂの他方の端部は水路２１ｃの他端に
接続されている。

【００７７】注水口２２から水路２１ａ内に注入された
冷却水は、水路２１ａ、２１ｃ、及び２１ｂを通って排
水口２３から排出される。冷却水が水路２１内を流れる
ときに、コア１１からの発熱を吸収し、温度上昇を抑制
する。

【００７８】なお、冷却水を冷却するチラー等の装置を
外部に設けて注水口２２と排水口２３に接続してもよ
い。また、水路は図７のように２回巻きに限らず、装置
の大きさや発熱量に応じて適宜巻数を増減してもよい。
さらに、冷却装置２０に冷却効率を高めるための放熱フ
ィンを設けてもよい。

【００７９】次に、第２の実施例について説明する。

【００８０】図８（Ａ）は、第２の実施例による陽電子
ビーム集群装置のインダクションシステムの断面図を示
す。インダクションシステムの基本構成は、図２に示す
ものと同様である。図８（Ａ）に示すインダクションシ
ステムの各構成部分には、図２のインダクションシステ
ムの対応する構成部分と同一の参照符号が付されてい
る。図８（Ｂ）及び図８（Ｃ）は、それぞれ図８（Ａ）
のインダクションシステムを矢印Ｂ及びＣの方向からみ
た側面図を示す。

【００８１】第２の実施例では、インダクションシステ
ムと冷却装置とを一体に形成している。すなわち、導電
性部材１２が、コア１１を収容する内周側空洞と、その
外周を取り囲む外周側空洞２４を画定している。外周側
空洞２４には、冷却水の注水口２５と排水口２６とが設
けられ、両者の中間の位置に隔壁２４ａが設けられてい
る。外周側空洞２４を同軸ケーブル１５が貫通するた
め、その貫通部に、絶縁と気密を兼ねたシール部材２８
が設けられている。注水口２５から外周側空洞２４内に
注入された冷却水は、コア１１に沿って１周し、排水口
２６から排出される。

【００８２】図８に示す第２の実施例においても、外周
側空洞２４内に冷却水を流すことにより、コア１１から
の発熱を吸収し、温度上昇を抑制することができる。

【００８３】次に、第３の実施例について説明する。

【００８４】図９（Ａ）は、第３の実施例による陽電子
ビーム集群装置のインダクションシステムの断面図を示
す。インダクションシステムの基本構成は、図２に示す
ものと同様である。図９（Ａ）に示すインダクションシ
ステムの各構成部分には、図２のインダクションシステ
ムの対応する構成部分と同一の参照符号が付されてい
る。図９（Ｂ）及び図９（Ｃ）は、それぞれ図９（Ａ）
のインダクションシステムを矢印Ｂ及びＣの方向からみ
た側面図を示す。

【００８５】図９に示す第３の実施例では、インダクシ
ョンシステム１０の空洞１３内に冷却水を直接流す。冷
却水の注水口３１と排水口３２とが、空洞１３に連通
し、注水口３１と排水口３２との中間の位置に隔壁１３
ａが設けられている。外側部材１２ａを同軸ケーブル１
５が貫通する部分に、絶縁と気密を兼ねたシール部材３
８が設けられている。

【００８６】第３の実施例においては、コア１１が直接
冷却水に接触するため、高い冷却効率を得られる。

【００８７】以上の実施例においては冷却媒体として水
以外に、オイルや他の冷却液を使用することもできる。
これらの実施例においては、注水口から入った冷却水が
コアを冷却した後排水口から排出される。冷却水を流す
ことでコアが冷却され、運転中のコアの温度上昇が効果
的に抑制され、所望の陽電子ビームの集群作用が得られ
る。

【００８８】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれたに制限されるものではない。例えば、種
々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に
自明であろう。

【００８９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
パルス化された荷電粒子ビームの時間幅を、インダクシ
ョンシステムを用いて効率的に圧縮することができる。
さらに、インダクションシステムのコアの発熱が効果的
に冷却されて安定的に荷電粒子ビームの短パルス化が可
能となる。インダクションシステムに印加する電圧を、
時間に関して−２次関数的に変化させることにより、集
群の精度を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例による陽電子ビーム集群装置の正面図で
ある。

【図２】図１の陽電子ビーム集群装置のインダクション
システムの断面図である。

【図３】図１の陽電子ビーム集群装置のビームダクト内
を進行する陽電子の位置を時間の関数として示すグラフ
である。

【図４】インダクションシステムに印加する理想的な電
圧波形を示すグラフである。

【図５】インダクションシステムに印加する理想的な電
圧波形に近似した波形の例を示すグラフである。

【図６】図２のインダクションシステム及び他の構成例
によるインダクションシステムを電気的接続に着目して
示す断面図である。

【図７】本発明の第１の実施例による陽電子ビーム集群
装置のインダクションシステムの断面図である。

【図８】本発明の第２の実施例による陽電子ビーム集群
装置のインダクションシステムの断面図である。

【図９】本発明の第３の実施例による陽電子ビーム集群
装置のインダクションシステムの断面図である。

【図１０】従来例による陽電子ビーム集群装置の正面図
である。

【符号の説明】

１ビームダクト２ヘルムホルツコイル３チョッパ４試料室１０インダクションシステム１１コア１２導電性部材１３空間１３ａ隔壁１４絶縁性円環状部材１５同軸ケーブル１６ギャップ２０冷却装置２１ａ、２１ｂ、２１ｃ水路２２、２５、３１注水口２３、２６、３２排水口２４外周側空洞２４ａ隔壁２８、３８シール部材３０支持台

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】運動エネルギ１ｅＶ〜１ＭｅＶの荷電粒
子ビーム発生装置と、一端から前記荷電粒子ビームが入射し、軸方向に沿って
進行するビームダクトであって、前記軸方向に垂直な仮
想平面と前記ビームダクトの側壁との交線に沿って形成
されたギャップを有する前記ビームダクトと、前記ギャップを介して高周波電流を流す第１の電流路、
該第１の電流路に接続された少なくとも一つの第２の電
流路、及び該第２の電流路に鎖交する磁路を画定する少
なくとも一つのコアとを含んで構成されたインダクショ
ンシステムと、前記インダクションシステムに、前記荷電粒子ビームを
集群するための電場を発生させる電圧を印加する電圧印
加手段であって、該電圧が時間に関して−２次関数的に
変化する前記電圧印加手段と、前記インダクションシステムを強制的に冷却する冷却手
段とを有する荷電粒子ビーム集群装置。
【請求項２】前記荷電粒子ビームの行路内であって、
前記ギャップよりも上流側に配置され、荷電粒子ビーム
をチョップしてパルス状の荷電粒子ビームを形成するチ
ョッパを有する請求項１に記載の荷電粒子ビーム集群装
置。
【請求項３】前記チョッパと前記ギャップとの間の距
離が、１０〜２００ｃｍである請求項２に記載の荷電粒
子ビーム集群装置。
【請求項４】運動エネルギ１ｅＶ〜１ＭｅＶの荷電粒
子ビームの進行方向にほぼ平行であり、強さが時間に関
して−２次関数的に変化する電場をある期間発生すると
ともに、冷却装置により前記電場を発生する装置を強制
的に冷却しながら前記荷電粒子ビームを集群する荷電粒
子ビームの集群方法。
【請求項５】さらに、前記荷電粒子ビームに、前記電
場を発生する位置よりも１０〜２００ｃｍ上流において
荷電粒子ビームをチョップし、パルス状の荷電粒子ビー
ムを形成する工程を含む請求項４に記載の荷電粒子ビー
ムの集群方法。