JPH0745228A - カスプ磁場型イオン源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 この発明は、低コストで高性能な永久磁石が
使用できるとともに、永久磁石周りの構造も簡単なカス
プ磁場型イオン源装置を提供することを目的とする。 【構成】 真空容器４周りに配置されるカスプ磁場型イ
オン源装置の永久磁石７の少なくとも主要部と、この真
空容器４の壁面間に熱抵抗用空気層２１を形成する。こ
の熱抵抗用空気層２１により、真空容器４からの熱が遮
断され、永久磁石７の温度上昇が抑えられる。したがっ
て、永久磁石７を直接冷却水で冷やす必要がなく、永久
磁石７に耐食性が要求されないとともに、永久磁石７周
りの構造も簡単となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、イオン加速器に使用
するカスプ磁場型イオン源装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種のイオン源装置としては、
例えば、「The 6th Symposium on Accelerator Science
and Technology,1987」（IONICS PUBLISHING COMPANY
発行）の７０〜７１ページに記載されたカスプ磁場型イ
オン源装置が知られている。図６はこのカスプ磁場型イ
オン源装置の一部断面された斜視図であり、図７はこの
カスプ磁場型イオン源装置の真空容器の永久磁石周りの
横断面図である。

【０００３】図において、１は両端部にフランジ部１
ａ，１ｂが形成されている円筒状の金属製バレル、２は
バレル１の一方側のフランジ部１ａに取り付けられ、中
央にイオンビーム取り出し用の孔部２ａを有する金属製
のリペラ、３はバレル１の他方側のフランジ部１ｂに取
り付けられる金属製のエンドプレート、４はバレル１、
リペラ２およびエンドプレート３で構成され、内部が所
定の真空圧に保持されている真空容器、５は真空容器４
内に設置され、荷電変換されたイオンをリペラ２の孔部
２ａからイオンビームＢとして装置外に放出する荷電変
換用電極である。この場合、イオンビームＢの軸線と真
空容器４の中心線Ｌとは一致した状態となっている。

【０００４】６はバレル１の外周面側に、真空容器４の
中心線Ｌと平行な状態で、所定ピッチで取り付けられて
いる金属製のベッセル、７は極性を交互に変えた状態で
各ベッセル６内に格納され、真空容器４内にカスプ磁場
を発生させる永久磁石である。ここで、ベッセル６はバ
レル１の外周面側凹部に嵌め込まれて取り付けられ、内
部に永久磁石７収納用および冷却水流路６ｄ用の溝が形
成されているベッセル本体６ａと、ベッセル本体６ａの
溝を覆って永久磁石７をベッセル本体６ａ内に閉じ込め
る蓋６ｂと、ベッセル本体６ａと蓋６ｂ間からの冷却水
のリークを防止するシール部材６ｃとから構成されてい
る。また、このようなベッセル６内に格納された永久磁
石７が、図示されてはいないが、リペラ２やエンドプレ
ート３側にも同様な状態で取り付けられている。なお、
ベッセル６内には図示されない循環配管を介して冷却水
が循環される。

【０００５】８は真空容器４内に設置されるフィラメン
ト、９は真空容器４のエンドプレート３側から荷電変換
用電極５を支持する支持管、１０は真空容器４内にセシ
ウム蒸気を導入するためのセシウム導入管、１１は真空
容器４内に、生成すべきイオン核種からなるガスを導入
するためのガス導入管、１２はエンドプレート３に取り
付けられた電極取付ポート、１３は電極取付ポート１２
のフランジ部１２ａに取り付けられた絶縁フランジ、１
４は絶縁フランジ１３を挟んで電極取付ポート１２のフ
ランジ部１２ａに固定され、支持管９に電気的に接続さ
れている電極支持フランジである。なお、支持管９はこ
の電極支持フランジ１４から外方に突出した状態となっ
ている。

【０００６】１５は荷電変換用電極５と支持管９の周り
を囲む絶縁性のスパッタ保護カバー、１６は真空容器４
と電極支持フランジ１４間に電圧を印加する高圧電源、
１７は支持管９内に同心状に配置され、荷電変換用電極
５側に冷却水を導入する内管、１８は内管１７からの冷
却水をリターンさせる、支持管９に取り付けられた冷却
水戻り管である。

【０００７】つぎに、このカスプ磁場型イオン源装置の
動作について説明する。真空容器４の外面側に極性を交
互に変えて配置された永久磁石７は、真空容器４内にカ
スプ磁場を発生する。また、高圧電源１６によって電極
支持フランジ１４と真空容器４とに電圧が印加されるこ
とにより、支持管９を介して荷電変換用電極５側が真空
容器４側より低電位に保持される。この状態で、ガス導
入管１１からイオン発生用のガスを真空容器４内に導入
する。そして、フィラメント８を通電加熱した後、この
フィラメント８と真空容器４間に電圧を印加し、フィラ
メント８から熱電子を放出させる。この熱電子によって
真空容器４内のガスは励起されて正イオンのプラズマと
なる。

【０００８】このプラズマは永久磁石７が発生するカス
プ磁場によって閉じ込められているので、電位の低い荷
電変換用電極５に正イオンが集まり電極面に衝突する。
ここで、プラズマの閉じ込め力はカスプ磁場が強ければ
強いほど高いため、永久磁石７は高い磁場を発生する必
要がある。

【０００９】一方、セシウム導入管１０からは、セシウ
ム蒸気が真空容器４内に導入される。このセシウムが電
子のドナー物質となり、荷電変換用電極５に集まった正
イオンは荷電交換される。荷電交換によって生成された
荷電変換用電極５周りの負イオンは、電位の高い方へイ
オンビームＢとなって飛び出していき、リペラ２の孔部
２ａを通って、装置外に取り出される。この場合、真空
容器４内で生成された正イオンの一部は、カスプ磁場に
は閉じ込められず、永久磁石７側へ流れていき、真空容
器４の内面に衝突する。この現象はとくに磁束密度が小
さくなっている永久磁石７の近傍の真空容器４の壁面で
生じる。そして、衝突の際に放出される熱とフィラメン
ト８の通電加熱時に放射される熱が、真空容器４を構成
するバレル１、リペラ２およびエンドプレート３側に流
入する。

【００１０】そして、これらに流入した熱はバレル１の
外周面側に配置される永久磁石７側にも直ちに伝わり、
永久磁石７の温度を上昇させようとする。ところが、永
久磁石７は、１００℃以上の高温になると磁場の強さを
小さくしてしまい、装置の運転に支障を生じさせる。こ
のため、ベッセル本体６ａ内の冷却水流路６ｄに冷却水
が流され、この冷却水により直接、永久磁石７の冷却が
なされる。なお、運転中、荷電変換用電極５も加熱され
るが、この荷電変換用電極５は内管１７を通った冷却水
により冷却される。この冷却水は内管１７外方の支持管
９内を通って冷却水戻り管１８側に回収される。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のカスプ磁場型イオン源装置では、永久磁石７を閉じ
込めたベッセル６内の冷却水流路６ｄに冷却水を通す構
造となっているため、リーク防止用のシール部材６ｃが
必要となり、永久磁石７周りの構造が複雑になってしま
うという課題があった。また、永久磁石７を冷却水で直
接冷却する構造になっているため、耐食性のよい高コス
トな永久磁石７しか使用できないという問題があった。
このため、耐食性はよくないが、磁気性能の優れた低コ
ストな永久磁石７が使用できないという課題があった。

【００１２】この発明は、上記課題を解消するためにな
されたもので、低コストで高性能な永久磁石の使用がで
きるとともに、永久磁石周りの構造も簡単にすることが
できるカスプ磁場型イオン源装置を提供することを目的
とするものである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】この発明は、真空容器周
りにカスプ磁場形成用の磁石が配置されているカスプ磁
場型イオン源装置において、磁石の少なくとも主要部
と、真空容器の壁面との間に熱抵抗用空気層が形成され
ていることである。

【００１４】

【作用】装置の運転開始とともに、真空容器側に熱が伝
わり、この熱が真空容器周りに配置される磁石に伝わろ
うとする。ところが、磁石の少なくとも主要部と真空容
器の壁面との間には熱抵抗用空気層が形成されているた
め、真空容器側からの熱はこの熱抵抗用空気層にはばま
れて、磁石側にはほとんど伝わらない。したがって、単
に熱抵抗用空気層を設けただけで、永久磁石の温度上昇
を抑えることができるようになる。

【００１５】

【実施例】以下、この発明の実施例を図について説明す
る。 実施例１．図１はこの発明の実施例１に係るカスプ磁場
型イオン源装置の真空容器の永久磁石周りの縦断面図で
ある。図において、２０は内部に永久磁石７を格納し、
両端部がバレル１の一対のフランジ部１ａ，１ｂの外側
面側に支持されているベッセル、２１はバレル１の外面
とベッセル２０の外面との間に形成されている熱抵抗用
空気層である。この場合、この熱抵抗用空気層２１があ
るため、ベッセル２０はバレル１のフランジ部１ａ，１
ｂとの支持用接触部を除き、バレル１とは一切接触する
ことはない。なお、永久磁石７周りを除き、他の構成は
図６で示したカスプ磁場型イオン源装置と同一である。

【００１６】つぎにこのカスプ磁場型イオン源装置の動
作をベッセル２０や熱抵抗用空気層２１との関連で説明
する。真空容器４内に導入されたイオン発生用のガスが
フィラメント８からの熱電子に励起されて正イオンのプ
ラズマとなると、この正イオンの一部が真空容器４の内
壁に衝突する。そしてこの衝突の際に放出される熱とフ
ィラメント８の通電加熱時に放射される熱が真空容器４
を構成するバレル１、リペラ２およびエンドプレート３
側に流入し、これらの温度を上昇させる。

【００１７】一方、永久磁石７を保持するベッセル２０
とバレル１の外面との間には熱抵抗用空気層２１が形成
されているため、バレル１からの熱はこの熱抵抗用空気
層２１によって遮断され、ベッセル２０側にはほとんど
伝わらない。このため、ベッセル２０内の永久磁石７の
温度上昇も自ら抑えられる。したがって、この永久磁石
７が高温となって、この永久磁石７によって形成される
磁場が小さくなることはない。

【００１８】なお、この場合、ベッセル２０は両端支持
部において、バレル１に接触しているが、この接触部の
面積は全体として僅かであるため、この部分からベッセ
ル２０を経由して永久磁石７側に伝わる熱量は僅かであ
る。また、熱抵抗用空気層２１を介して、バレル１側か
らベッセル２０側に対流や輻射による入熱もあるが、伝
導熱に比べこの量も僅かである。

【００１９】さて、以上は、バレル１の外周面側に配置
される永久磁石７についての説明であるが、リペラ２や
エンドプレート３の外面側に配置される永久磁石７につ
いても同様である。すなわち、永久磁石７を格納した同
様なベッセル２０の両端部を、リペラ２やエンドプレー
ト３に取り付け、このベッセル２０とリペラ２やエンド
プレート３との間に熱抵抗用空気層２１を設けることに
より、同様の効果を得ることができる。

【００２０】以上のように、このカスプ磁場型イオン源
装置では、永久磁石７の主要部と真空容器４との間に、
熱抵抗用空気層２１を形成し、この熱抵抗用空気層２１
により、永久磁石７の温度上昇を抑えるようにしている
ため、永久磁石７を直接水冷する従来の装置に比べ、シ
ール部材等が不要となって永久磁石７周りの構造の簡単
化を図ることができる。また、永久磁石７を直接水で冷
却する必要がなく、永久磁石７を耐食性を有する材料か
ら構成する必要がないため、永久磁石７を低コストで高
性能な材料から構成できるようなる。

【００２１】実施例２．図２はこの発明の実施例２に係
るカスプ磁場型イオン源装置の真空容器の永久磁石周り
の横断面図である。図において、２２は内部に永久磁石
７を格納し、両端部がバレル１の一対のフランジ部１
ａ，１ｂに支持されているベッセル、２３はバレル１の
外面に形成された凹溝１ｃとベッセル２２外面との間に
形成されている熱抵抗用空気層、２４はバレル１の外周
面側に所定ピッチで設けられた冷却水流路である。この
冷却水流路２４には図示せぬ循環配管を介して冷却水が
循環される。なお、永久磁石７周りを除き、他の構成は
上記実施例１のカスプ磁場型イオン源装置と同一であ
る。

【００２２】このカスプ磁場型イオン源装置において
も、正イオンの一部が真空容器４の内壁に衝突し、この
際に放出される熱と、フィラメント８からの熱が、バレ
ル１、リペラ２およびエンドプレート３側に流入し、こ
れらの温度を上昇させようとする。一方、バレル１側に
流入する熱は冷却水流路２４内の冷却水中に吸収される
ため、バレル１の温度上昇は抑えられる。また、永久磁
石７を保持するベッセル２２とバレル１の外面との間に
は熱抵抗用空気層２３が形成されているため、バレル１
からの熱はこの熱抵抗用空気層２３によって遮断され
る。このため、バレル１側に流入した熱はベッセル２２
側にはほとんど伝わらず、ベッセル２２内の永久磁石７
が大きく温度上昇することはない。

【００２３】もちろん、リペラ２やエンドプレート３側
の永久磁石７についても、この永久磁石７を保持するベ
ッセル２２との間に熱抵抗用空気層２３を形成し、か
つ、リペラ２やエンドプレート３に冷却水流路２４を形
成してリペラ２やエンドプレート３の温度上昇や永久磁
石７の温度上昇を抑えるようにする。

【００２４】以上のように、このカスプ磁場型イオン源
装置においても、上記実施例１のそれと同様な効果を得
ることができる。この場合、真空容器４に冷却水流路２
４を設けている分、さらに永久磁石７の温度上昇を抑え
ることができる。なお、バレル１が冷却されているため
装置の運転停止直後においても、装置に手を触れること
が可能となり、メンテナンス性が向上する。

【００２５】実施例３．図３はこの発明の実施例３に係
るカスプ磁場型イオン源装置の真空容器の永久磁石周り
の横断面図である。図において、２５はバレル１と対向
する溝内に永久磁石７が接着剤を介して取り付けられ、
両端部がリペラ２のフランジ部１ａ，１ｂに取り付けら
れている支持金具、２６はバレル１の凹溝１ｃと永久磁
石７の外面との間に形成されている熱抵抗用空気層であ
る。なお、永久磁石７周りを除き、他の構成は上記実施
例１のカスプ磁場型イオン源装置と同一である。

【００２６】このカスプ磁場型イオン源装置において
も、永久磁石７とバレル１との間に熱抵抗用空気層２６
を有しているため、バレル１側の熱が永久磁石７側に伝
わりにくく、この永久磁石７の温度上昇が抑えられる。
また、この場合、支持金具２５は永久磁石７を接着によ
って保持しているのみであるため、永久磁石７周りの構
造も簡単なものとなる。もちろん、リペラ２やエンドプ
レート３側の永久磁石７についても、同様な支持金具２
５を使用して支持するようにし、この永久磁石７と、こ
のリペラ２やエンドプレート３との間に熱抵抗用空気層
２６を形成するようにする。

【００２７】以上のように、このカスプ磁場型イオン源
装置においても、上記実施例１のカスプ磁場型イオン源
装置と同様な効果を得ることができる。この場合、永久
磁石７を支持金具２５に取り付けている分、さらに永久
磁石７周りの構造の簡単化を図ることができる。

【００２８】実施例４．図４はこの発明の実施例４に係
るカスプ磁場型イオン源装置の真空容器の永久磁石周り
の横断面図である。図において、２７はバレル１の凹溝
１ｃを覆うようにバレル１に取り付けられ、バレル１と
対向して設けられた溝内に、バレル１の凹溝１ｃ内に配
置される永久磁石７を支持する支持金具である。この場
合、永久磁石７はその一面側が支持金具２７の溝内に嵌
め込まれた状態で、この支持金具２７に接着剤によって
取り付けられている。２８は支持金具２７の永久磁石７
の取付面とは反対側に設けられている冷却水流路であ
る。この冷却水流路２８には、図示せぬ循環配管を介し
て冷却水が循環される。２９はバレル１の凹溝１ｃと永
久磁石７の外面との間に形成されている熱抵抗用空気層
である。なお、永久磁石７周りを除き、他の構成は上記
実施例１のカスプ磁場型イオン源装置と同一である。

【００２９】このカスプ磁場型イオン源装置において
は、バレル１に流入した熱はバレル１と支持金具２７と
の接触面を伝わって、支持金具２７側に流入し、永久磁
石７側に伝わろうとする。しかし、この流入熱は支持金
具２７の冷却水流路２８中の冷却水中に吸収されるた
め、永久磁石７側にはほとんど伝わらない。また、バレ
ル１の凹溝１ｃ中の永久磁石７とバレル１との間には熱
抵抗用空気層２９が形成されているため、バレル１から
直接永久磁石７側へ伝わる熱もほとんどない。したがっ
て、バレル１側からの永久磁石７側への入熱はほとんど
なく、永久磁石７が大きく温度上昇することはない。

【００３０】もちろん、リペラ２やエンドプレート３側
の永久磁石７についても、冷却水流路２８を有した同様
な支持金具２７を使用して支持するようにし、この永久
磁石７とリペラ２やエンドプレート３との間に熱抵抗用
空気層２９を形成するようにする。

【００３１】以上のように、このカスプ磁場型イオン源
装置においても、上記実施例１のカスプ磁場型イオン源
装置と同様な効果を得ることができる。この場合、永久
磁石７を支持金具２７側に取り付けている分、永久磁石
７周りの構造の簡単化を図ることができる。

【００３２】実施例５．上記実施例４では、支持金具２
７をバレル１に直接取り付けるものとしているが、この
実施例５では、図５で示されるように、例えば、バレル
１と支持金具２７との間に、アルミニウムやインジウム
といった熱伝導度のよい柔軟性金属から構成される伝熱
シート３０を挟むようにするものとしている。

【００３３】この実施例５によれば、伝熱シート３０を
介して、支持金具２７とバレル１との密着性がよくなる
ため、バレル１側の熱は支持金具２７側へよく伝達され
ることとなる。このため永久磁石７周りのバレル１の温
度が低下し、バレル１側からこの永久磁石７側へ熱抵抗
用空気層２９を介して伝わる対流や輻射による熱が減少
し、ますます、永久磁石７の温度上昇は抑えられる。な
お、この場合、支持金具２７側への流入熱は増加する
が、これらの熱は冷却水流路２８中の冷却水中に吸収さ
れ、永久磁石７側にはほとんど伝わらない。

【００３４】もちろん、リペラ２やエンドプレート３側
についても、伝熱シート３０を介して、支持金具２７を
リペラ２やエンドプレート３に取り付けてもよい。

【００３５】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、この発
明によれば、真空容器周りにカスプ磁場形成用の磁石が
配置されているカスプ磁場型イオン源装置において、磁
石の少なくとも主要部と、真空容器の壁面との間に熱抵
抗用空気層が形成されているので、磁石を冷却水で直接
冷却する必要がなくなり、低コストで高性能な磁石が使
用できるとともに、磁石周りの構造も簡単にすることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例１に係るカスプ磁場型イオン
源装置の真空容器の永久磁石周りの縦断面図である。

【図２】この発明の実施例２に係るカスプ磁場型イオン
源装置の真空容器の永久磁石周りの横断面図である。

【図３】この発明の実施例３に係るカスプ磁場型イオン
源装置の真空容器の永久磁石周りの横断面図である。

【図４】この発明の実施例４に係るカスプ磁場型イオン
源装置の真空容器の永久磁石周りの横断面図である。

【図５】この発明の実施例５に係るカスプ磁場型イオン
源装置の真空容器の永久磁石周りの横断面図である。

【図６】従来のカスプ磁場型イオン源装置の一部断面さ
れた斜視図である。

【図７】図６のカスプ磁場型イオン源装置の真空容器の
永久磁石周りの横断面図である。

【符号の説明】

４ 真空容器 ７ 磁石（永久磁石） ２１ 熱抵抗用空気層 ２３ 熱抵抗用空気層 ２６ 熱抵抗用空気層 ２９ 熱抵抗用空気層

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 真空容器周りにカスプ磁場形成用の磁石
   が配置されているカスプ磁場型イオン源装置において、 前記磁石の少なくとも主要部と、前記真空容器の壁面と
   の間に熱抵抗用空気層が形成されていることを特徴とす
   るカスプ磁場型イオン源装置。