JPH0242400A - ビーム集束装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はビーム集束装置に係り、特に荷電粒子の集束に
好適なビーム集束装置に関する。

〔従来の技術〕

従来のビーム集束装置は、実験物理学講座２８、加速器
、熊谷寛大編、共立出版社（昭和５０年）、Ｐ２１４に
記載のように、ビームダクト周囲に４個の磁石（４重極
磁石）を配置し、磁石より生じる磁界でビームダクト内
を流れる荷電粒子を集束させる構造となっていた。この
従来のビーム集束装置を第１２図に示す、各磁石は電線
をソレノイド状に巻いた構造の電磁石１とし、ビームタ
クト２の周囲に各電磁石１を９０度づつずらして配置し
、対向する電磁石の極は同極に、隣りあう電磁石の極が
異極になるように電磁石に電流を流す。

ビームダクト２内で磁界は第１２図に破線で示すように
、隣りあう電磁石１間で発生する。ビームダクト２内に
荷電粒子を流す場合の一例として、ビームダクト２内を
第１２図で図面手前から図面向こう側へ紙面を突きぬけ
る方向へ電子が流れる場合を考える。電流の向きは電子
の向きと逆向きで第１２図で図面向こう側から手前側と
考えることができ、フレミングの左手の法則により電子
にはＸ軸に向かいＹ軸と平行な方向に力Ｆ・が発生し、
ビームダクト内を流れる電子はＸ軸上に集められる。こ
のように、４重極磁石で荷電粒子をある軸方向に薄い板
状に集めることができる。この４重極磁石２組を直列に
配置する。ただしその２組の４重極磁石は互いに９０度
回転した状態で接続し、荷電粒子を一方の４重極磁石で
Ｘ軸上に集め、もう一方の４重極磁石で・Ｙ軸上に集め
ることで、最終的に荷電粒子をビームダクト中央に集束
させていた。また、さらには４重極磁石を３組以上直列
に配置し、各４重極磁石を互いに９０度回転した状態で
接続し、荷電粒子のビーム径をより小さくしていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、ビームダクト１の周囲にソレノイド状
のコイル１を８個以上配置する必要があり、コイル１を
配置するためのスペースが必要となるという問題があっ
た。また各コイルの特性の違いや、設置位置のずれがあ
った場合は、ビームダクト内部に発生する磁界の形状を
常に一定にすることが回能となり、ビームダクト内部の
荷電粒子を安定してビームダクト中央に集束できなくな
るので、コイルの特性の違いや、設置位置のずれを補正
するため各コイルに流す電流値を制御しなければならず
、装置の構造が複雑化し、装置が大型化するという問題
があった。また４重極磁石を数組直列に配置してもビー
ムの集束に限界があるという問題があった。

本発明の目的は、簡単な構造の装置で、極めて径の小さ
いビームを得られるビーム集束装置を提供することにあ
る。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため、本発明のビーム集束装置は、
荷電粒子が流れるビームダクトの外側又は内側の中心軸
に対する対象位置に、それぞれ中央から両側に向かって
厚みが変化する断面形状をした良導電体を設置し、この
良導電体に電源を接続したことを特徴としている。

又、本発明のビーム集束装置は、荷電粒子が流れるビー
ムダクトを良導電体で構成し、その良導電体の断面形状
を、中心軸に対する対象位置の各側において中央から両
側に向かって厚みが変化する形状にすると共に、該良導
電体に電源を接続したしたことを特徴としている。

前記良導電体の断面形状は、例えば、少なくとも外形が
円、円の一部、楕円、楕円の一部、多角形、又は多角形
の一部となる形状にすることができる。

又、前記良導電体として超電導材料を使用することがで
きる。

好ましくは、前記ビームダクトを複数個直列にかつ角度
をずらして接続する。

〔作用〕

このように構成された本発明のビーム集束装置において
は、良導電体の長さ方向に電流を流すとアンペールの右
ネジの法則により電流のまわりに電流の流れる方向に対
して右まわりの磁界が発生する。良導電体を流れる電流
の電流密度を良導電体の場所によらず一定とすると、良
導電体の肉厚が厚い部分の電流量が多くなり、ビームダ
クト内に良導電体の肉厚の厚い部分を流れる電流にほぼ
直交する方向の磁界が発生する。ビームダクト内部を流
れる陰電子の向きを、ビームダクトを流れる電流の向き
と同じにすると、フレミングの左手の法則によりビーム
ダクト内部を流れる陰電子には、肉厚の厚い部分から遠
ざかる方向に力が発生する。したがってビームダクト内
部を流れる陰電子は、ビームダクトの中心軸を通る面上
に集められる。このビームダクトを２個、直列にかつ互
いに９０度回転させて接続することにより、ビームダク
ト内部を流れる荷電粒子をビームダクト中心に集めるこ
とができる。

良導電体として超電導材料を使用することにより、少な
い電力で極めて強い磁界を得ることができ、極めて径の
小さいビームを得ることができる。

〔実施例〕

以下、本発明の第１の実施例を第１図〜第３図により説
明する。

第１図及び第２図において、ビーム集束装置は電気抵抗
の小さい材料即ち良導電体で構成されたビームダクト１
０を有し、ビームダクト１０の断面形状は、第３図に示
すように外形が楕円、内形が真円形状をしている。これ
によりビームダクト１０には、中心軸に対する対象位置
の各側において中央から上下に向かって厚みが変化する
断面形状が与えられる。

ビームダクト１０の一方の端部には電子線加速器１１が
接続され、加速器１１よりビームダクト１０の内部へ電
子ビーム１２が放射される。またビームダクト１０に電
子ビーム１２が入射する端部、及びビームダクト１０か
ら電子ビーム１２が出る他方の端部にはそれぞれ電線１
３を接続し、電線１３を電源１４に接続する。

このように構成された本実施例においては、ビームダク
ト１０にｔｌｌｔ３を通して電源１４よりビームダクト
１０の内部へ入射された電子ビーム１２の陰電子１５の
流れと同一方向へ直流電流１６を流すと、アンペールの
右ネジの法則により電流１６のまわりに電流の流れる方
向に対して右まわりの磁界が発生する。ビームダクト１
０を流れる電流の電流密度をビームダクトの場所によら
ず一定とすると、第３図に示すようにビームタクト１０
の楕円の膨らんだ所即ちの肉厚の厚い部分の電流量が多
くなり、第３図でビームダクト１０を流れる電流１６の
向きを図面手前側から向こう側とすると、電流の回りに
右ネジの法則により発生する磁界を合成すると、ビーム
ダクト１０内に良導電体の肉厚の厚い部分を流れる電流
１６にほぼ直交する方向の破線で示す磁界が発生する。

ビームダクト１０内部は、陰電子１５の流れる向きと逆
向きに電流が流れるので、フレミングの左手の法則によ
り陰電子１５に働く力は、肉厚の厚い部分から遠ざかる
方向即ちビームダクト１０の中心を通るＹ軸に向かう方
向になる。したがってビームダクト１０の内部を流れる
陰電子１５は、ビームダクト１０の中央部に板状に集束
される。

なお、良導電体で構成されるビームダクト１０の形状は
、中心軸に対する対象位置の各側において中央から上下
に向かって厚みが変化する形状であれば良いので、第４
図（Ａ）〜（Ｄ）に示すように、ビームダクト１０の外
側又は内側が長方形あるいはひし形等の他の形状とする
ことができる。

本発明の他の実施例を第５図を参照して説明する０本実
施例においては、ビームダクト２０は円筒形のパイプと
し、そのビームダクト２０の外側に、中心軸に対して対
象位置に、外形が楕円の一部の形状をした良導電体２１
を設置する。

良導電体２１の両端に第１の実施例と同様に電線を接続
し、電源より直流電流１６を流すと、ビームダクト２０
の内部に第１の実施例同様に磁界が発生し、ビームダク
ト２０の内部を流れる陰電子１５は、ビームダクト２ｏ
の中央部に板状に集束される。

なお本実施例においても、ビームダクト２ｏの外側に設
置する良導電体２１の形状は、中央から上下に向かって
厚みが変化する形状であればよく、従って第６図（Ａ）
〜（Ｃ）に示すように、円の一部あるいは多角形等、他
の形状であってもよい。

本発明の第３の実施例を第７図により説明する。

本実施例においては、ビームダクト３０を円筒形のパイ
プとし、そのビームタクト３０の内側に、中心軸に対し
て対称位置に楕円の一部の形状の良導電体３１を設置す
る。

良導電体３１の両端に第１の実施例と同様に電線を接続
し、電源より直流電流１６を流すと、ビームダクト３０
及び良導電体３１の内部に第１の実施例同様に磁界が発
生し、ビームダクト３０の内部を流れる＃Ｒ電子１５は
、ビームダクト３０の中央部に板状に集束される。

本実施例においても、ビームダクト３０の内側に設置す
る良導電体３１の形状は、中央から上下に向かって厚み
が変化する形状であればよく、第８図（Ａ）〜（Ｃ）に
示すように、円の一部あるいは多角形等、池の形状とす
ることができる。

本発明の第４の実施例を第９図を参照して説明する９本
実施例においては、ビームダクト４０は、第１の実施例
で示したように外形が楕円、内径を真円とする。そして
ビームダクト４０を超伝導材で製作する。ビームダクト
４０の両端同士を超伝導線４１で接続し、超伝導線４１
には電源４２を接続する。ビームダクト４０および超伝
導線４１はパイプ４３内に入れ、パイプ４３は液体ヘリ
ウム又は液体窒素等の冷却材タンク４４に接続され、パ
イプ４３の内部に冷却材を送り出し、ビームダクト４０
および超伝導線４１を超伝導状態にする。

超伝導線４１中には超伝導スイッチ４５が電源４２と並
列に接続され、はじめ超伝導スイッチ４５は切れた状態
になっている。そこへ電源４２より超伝導線４３および
ビームダクト４０に電流を流し、超伝導スイッチ４５を
人にすると、ビームダクト４０と超伝導線４１はループ
を形成し、ループ中を永久に電流が流れ続ける。ビーム
ダクト４０を流れる電流により、ビームダクト４０の内
部には、前述した第３図に破線で示すように磁界が発生
し、ビームダクト４０の内部に陰電子を流すと中央部に
極めて薄い板状に集束される。

超伝導材で製作するビームダクト４０は、第２及び第３
の実施例で説明したように、円筒形状のパイプの外側ま
たは内側に中心軸に対して対称位置に超伝導材を設置し
た構造とすることができる。

またその形状も、第４図、第６図及び第８図に示したよ
うに、楕円以外の形状とすることができる。

本発明の第５の実施例を第１０図により説明する６本実
施例は、上記第４の実施例における超伝導材で制作した
ビームダク１−４０の冷却に使用する冷却材を、ビーム
ダクト４０内の真空度を高めるために使用するコールド
トラップ４６の冷却材と共用したものである。

本発明の第６の実施例を第１１図を参照して説明する０
本実施例においては、第１〜第５の実施例で示したビー
ムダクト（代表して符号５０で示す）を複数個直列に接
続し、各ビームダクト５０は互いに回転した状態にする
。第１０図では２個のビームダクト５０を９０度回転さ
せて直列に接続させている。ビームダクト５０が１個の
みでは荷電粒子を板状にしか集束できないが、複数個を
直列に接続することで円形に集束させることができる。

本実施例によれば、ビームダクト５０の内部の荷電粒子
をビームダクト中央部に集束させ、非常に小さな径のビ
ームを得ることができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、ビームダクトを良導電体で構成する又
はビームダクト内側又は外側に良導電体を設置するだけ
の簡単な構造で、ビームダクト内部に発生する磁界の形
状を常に一定とすることができ、ビームダクト内部の荷
電粒子を安定してビームダクト中央に集束することがで
きる。

ビームダクトを複数個、直列にかつ互いに回転させて接
続した場合には、荷電粒子をビームダクト中心に集める
ことができる、小さな径のビームを得ることができる。

良導電体として超電導材料を使用した場合にいは、少な
い電力で極めて径の小さいビームを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例によるビーム集束装置の
要部構成を示す概略図であり、第２図はそのビーム集束
装置の全体構成を示す正面図であり、第３図は同ビーム
集束装置の作用を説明するためのビームダクトの断面図
であり、第４図（Ａ）（Ｂ）、（Ｃ）及び（Ｄ）はそれ
ぞれ同ビーム集束装置のビームダクトの形状に関する変
形例を示す断面図であり、第５図は本発明の第２の実施
例によるビーム集束装置のビームダクト構造を示す断面
図であり、第６図（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）はそれぞれ
同ビームダクト構造の形状に関する変形例を示す断面図
であり、第７図は本発明の第３の実施例によるビーム集
束装置のビームダクト構遣を示す断面図であり、第８図
（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）はそれぞれ同ビームタクト構
造の形状に関する変形例を示す断面図であり、第９図は
本発明の第４の実施例によるビーム集束装置の要部構成
を示す概略図であり、第１０図は本発明の第５の実施例
によるビーム集束装置の要部構造を示す概略図であり、
第１１図は本発明の第６の実施例によるビーム集束装置
の要部構造を示す該略図であり、第１２図は従来のビー
ム集束装置の概略正面図である。 符号の説明 １０．２０，３０，４０，５０．．６０・・・ビームダ
クト　　　　　　　　　２１．３１・・・良導電体４６
・・・コールドトラップ 出願人　　株式会社　日立製作所 代理人　　弁理士　春　日　　譲 第３図 第 （Ａ） （Ｂ） （Ｃ） （Ｄ） （Ａ） 第 図 第 図 ＣＢ） 第 図 第１０図 （Ｃ） （Ａ） 第 図 第 図 Ｆ＋０ 第１２ 図 （Ｃ）

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）荷電粒子が流れるビームダクトの外側又は内側の
   中心軸に対する対象位置に、それぞれ中央から両側に向
   かって厚みが変化する断面形状をした良導電体を設置し
   、この良導電体に電源を接続したことを特徴とする荷電
   粒子のビーム集束装置。
2. （２）荷電粒子が流れるビームダクトを良導電体で構成
   し、その良導電体の断面形状を、中心軸に対する対象位
   置の各側において中央から両側に向かって厚みが変化す
   る形状にすると共に、該良導電体に電源を接続したした
   ことを特徴とする荷電粒子のビーム集束装置。
3. （３）前記良導電体の断面形状を、少なくとも外形が円
   、円の一部、楕円、楕円の一部、多角形、又は多角形の
   一部となる形状にしたことを特徴とする請求項１又は２
   記載の荷電粒子のビーム集束装置。
4. （４）前記良導電体として超電導材料を使用したことを
   特徴とする請求項１又は２記載の荷電粒子のビーム集束
   装置。
5. （５）前記ビームダクトを複数個直列にかつ角度をずら
   して接続したことを特徴とする請求項１又は２記載の荷
   電粒子のビーム集束装置。