(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン装置で利用される磁石であって、
内部に空洞を有する金属製のコアと、
前記金属製のコアの周囲に配置されている複数の導電性のワイヤの巻き回し部と、
前記空洞内に挿入される環状コア部と
を備え、
前記空洞と前記環状コア部との間に環状流体冷却材流路が形成されている
磁石。
【請求項２】
前記環状コア部の前記環状流体冷却材流路が形成される部分における、前記挿入の方向に対して鉛直な方向の外径は、前記空洞の前記環状流体冷却材流路が形成される部分における、前記挿入の方向に対して鉛直な方向の直径より小さい請求項１に記載の磁石。
【請求項３】
前記環状コア部は、
第１の外部流体冷却材開口と、
前記環状流体冷却材流路が形成される部分に配置されている第１の内部流体冷却材開口と、
前記第１の外部流体冷却材開口と前記第１の内部流体冷却材開口とを接続する第１の内部流体冷却材流路と、
第２の外部流体冷却材開口と、
前記環状流体冷却材流路が形成される部分に配置されている第２の内部流体冷却材開口と、
前記第２の外部流体冷却材開口と前記第２の内部流体冷却材開口とを接続する第２の内部流体冷却材流路と
を有する請求項２に記載の磁石。
【請求項４】
前記環状コア部は、円周凹部と、前記円周凹部に配置されるＯリングとを有し、前記Ｏリングは、前記環状コア部を前記金属製のコアに対して、流体的に封止するために設けられる請求項３に記載の磁石。
【請求項５】
イオン注入装置で利用される磁石であって、
貫通する開口を有するイオンビームカプラと、
前記イオンビームカプラに隣接して配置される第１の磁石と、
前記イオンビームカプラおよび前記第１の磁石に隣接して配置される第２の磁石と
を備え、
前記第１の磁石および前記第２の磁石はそれぞれ、
内部に空洞を持つ金属製のコアと、
前記金属製のコアの周囲に配置されている複数の導電性のワイヤの巻き回し部と、
前記空洞内に挿入される環状コア部と
を有し、
前記環状コア部は、前記金属製のコアと前記環状コア部との間に環状流体冷却材流路を形成する
磁石。
【請求項６】
前記環状コア部の前記環状流体冷却材流路が形成される部分における、前記挿入の方向に対して鉛直な方向の外径は、前記空洞の前記環状流体冷却材流路が形成される部分における、前記挿入の方向に対して鉛直な方向の直径より小さい請求項５に記載の磁石。
【請求項７】
前記環状コア部は、
外部流体冷却材開口と、
前記環状流体冷却材流路が形成される部分に配置されている内部流体冷却材開口と、
前記外部流体冷却材開口と前記内部流体冷却材開口とを接続する内部流体冷却材流路と
を含む請求項６に記載の磁石。
【請求項８】
前記外部流体冷却材開口は第１の外部流体冷却材開口であり、前記内部流体冷却材開口は第１の内部流体冷却材開口であり、
前記環状コア部は、第２の外部流体冷却材開口と、
前記環状流体冷却材流路が形成される部分に配置されている第２の内部流体冷却材開口と、
前記第２の外部流体冷却材開口と前記第２の内部流体冷却材開口とを接続する第２の内部流体冷却材流路と
を含む請求項７に記載の磁石。
【請求項９】
前記環状コア部は、Ｏリングを挿入するための少なくとも１つの円周凹部を含む請求項８に記載の磁石。
【請求項１０】
前記円周凹部内に配置されているＯリングをさらに備える請求項９に記載の磁石。
【請求項１１】
前記環状コア部を前記金属製のコアに固定する端部キャップをさらに備える請求項１０に記載の磁石。
【請求項１２】
イオン装置であって、
イオンビームを放出するイオン源と、
前記イオンビームの進行方向において前記イオン源の下流に位置している磁石であって、前記イオンビームを成形し、内部に環状流体冷却材流路が画定されている磁石と、
流体冷却材を収容し、前記環状流体冷却材流路に接続されている流体冷却材容器と、
前記流体冷却材容器と前記環状流体冷却材流路との間に接続されている流体冷却材ポンプであって、前記イオン装置の動作時に、前記磁石を冷却するべく、前記環状流体冷却材流路を通して前記流体冷却材を圧送する流体冷却材ポンプと
を備え、
前記磁石は、
内部に空洞を持つ金属製のコアと、
前記金属製のコアの周囲に配置されている複数の導電性のワイヤの巻き回し部と、
前記空洞内に挿入される環状コア部と
を含み、
前記環状コア部は、前記空洞と前記環状コア部との間に環状流体冷却材流路を形成する
イオン装置。
【請求項１３】
前記磁石は、
イオンビームカプラに隣接して配置されている第１の磁石と、
前記イオンビームカプラおよび前記第１の磁石に隣接して配置されている第２の磁石と
を有し、
前記第１の磁石および前記第２の磁石はそれぞれ、
前記金属製のコアと、
前記複数の導電性のワイヤの巻き回し部と、
前記環状コア部と
を含む、請求項１２に記載のイオン装置。
【請求項１４】
前記磁石は四重極磁石である請求項１３に記載のイオン装置。
【請求項１５】
前記環状コア部の前記環状流体冷却材流路が形成される部分における、前記挿入の方向に対して鉛直な方向の外径は、前記空洞の前記環状流体冷却材流路が形成される部分における、前記挿入の方向に対して鉛直な方向の直径より小さい請求項１３または１４に記載のイオン装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
＜関連出願への相互参照＞
本願は、係属中の米国仮特許出願第６１／８３５，０８９号（出願日：２０１３年６月１４日）および特許出願第１３／９６６，６１１号（出願日：２０１３年８月１４日）に基づく優先権を主張する。両出願の内容はすべて、参照により本願に組み込まれる。
【０００２】
本開示の実施形態は、概して基板処理分野に関し、より具体的には半導体素子を製造するための基板処理に関連して用いられる磁石の冷却に関する。
【背景技術】
【０００３】
半導体素子の製造においてイオンが用いられることが多い。例えば、基板にさまざまな不純物をドーピングするために基板にイオンを注入するとしてよい。イオンを基板上に堆積させて、基板上にフィーチャを構築するとしてよい。また、製造工程において材料をエッチングで取り除くためにイオンを用いるとしてもよい。イオン源チャンバからイオンが放出されるのが一般的である。イオンをフィルタリングし、さらにイオンから所望の特性を持つイオンビームを成形して当該イオンビームを基板に当てるために、磁石がよく用いられる。これらの磁石の中には、金属製のコアの周囲に導電性のワイヤを巻きつけて形成するものがある。そして、導電性のワイヤに電流を流して、磁界を形成する。所望の特性を持つ磁界を形成するために必要な電力レベルで動作するべく、動作中の磁石には大抵、冷却が必要となる。このため、金属製のコアには、動作時に流体冷却材が流れるように冷却材流路が形成される。一部の現在の構成における欠点の１つとして、冷却材流路をコアの中心線で利用する点が挙げられる。このため、巻き回し部分で発生する熱は、流体冷却材に到達するためにはコアの厚み分を伝導させる必要がある。必要なサイズの冷却材流路を形成するために大量の材料を除去することは、想到するであろうが、金属製のコアの材料の量が減ることになり、磁石が形成する磁界の強度および効果が低下するという望ましくない結果になる。このため、基板処理で用いられる磁石用の冷却構成を改善する必要がある。
【発明の概要】
【０００４】
この＜発明の概要＞セクションは、選び抜いた概念を簡潔に紹介するために記載している。これらの概念については、以下の＜発明を実施するための形態＞セクションにおいてさらに説明する。この＜発明の概要＞セクションは、請求している主題の重要な特徴または不可欠な特徴を特定することを意図しているものではなく、請求している主題の範囲を決める際の助けとなることを意図したものでもない。
【０００５】
一般的に、本開示のさまざまな実施形態は、内部に空洞を持つ金属製のコアと、金属製のコアの周囲に配置される１または複数の導電性のワイヤの巻き回し部と、空洞に挿入されるように構成されている環状コア部とを備える磁石を提供する。空洞と環状コア部との間には環状流体冷却材流路が形成されている。さらに、環状コア部は第１の直径を有してよく、中央部は第２の直径を有し、第２の直径は第１の直径よりも小さい。
【０００６】
別の例として、一部の実施形態は、イオン注入装置で利用する磁石を開示している。当該磁石は、貫通するように開口が設けられているイオンビームカプラと、イオンビームカプラに隣接して配置されている第１の磁石と、イオンビームカプラおよび第１の磁石に隣接して配置されている第２の磁石とを備える。第１および第２の磁石はそれぞれ、内部に空洞を持つ金属製のコアと、金属製のコアの周囲に配置された１または複数の導電性のワイヤの巻き回し部と、空洞に挿入されるように構成されている環状コア部とを含むとしてよい。環状流体冷却材流路は、空洞と環状コア部との間に形成されているとしてよい。さらに、それぞれの環状コア部は第１の直径を有してよく、中央部が第２の直径を有し、第２の直径は第１の直径よりも小さい。
【０００７】
別の実施形態例は、イオンビームを放出するよう構成されているイオン源と、イオンビームの進行方向においてイオン源より下流に位置している磁石とを備える装置を開示している。当該磁石は、イオンビームを成形するように構成されている。磁石には、環状流体冷却材流路が画定されているとしてよい。環状流体冷却材流路に、流体冷却材を貯蔵する流体冷却材容器が接続されているとしてよい。流体冷却材容器に流体冷却材ポンプが接続されているとしてよく、流体冷却材ポンプは、環状流体冷却材流路を通して流体冷却材を圧送するように構成されているとしてよい。磁石は、イオンビームカプラに隣接して配置されている第１の磁石と、イオンビームカプラおよび第１の磁石に隣接して配置されている第２の磁石とを含むとしてよい。第１および第２の磁石はそれぞれ、内部に空洞を持つ金属製のコアと、金属製のコアの周囲に配置された１または複数の導電性のワイヤの巻き回し部と、空洞に挿入されるように構成されている環状コア部とを含むとしてよい。環状流体冷却材流路は、空洞と環状コア部との間に形成されているとしてよい。さらに、それぞれの環状コア部は第１の直径を有してよく、中央部が第２の直径を有し、第２の直径は第１の直径よりも小さい。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
一例として、開示したデバイスのさまざまな実施形態を、添付図面を参照しつつ以下で説明する。添付図面は以下の通りである。
【０００９】
【図１】イオン注入装置の一例を示すブロック図である。
【００１０】
【図２Ａ】四重極磁石の一例を示すブロック図である。
【図２Ｂ】四重極磁石の一例を示すブロック図である。
【００１１】
【図３】図２Ａおよび図２Ｂの四重極磁石を通る流体冷却材流路の一例を示すブロック図である。
【００１２】
【図４】図２Ａおよび図２Ｂの四重極磁石を通る流体冷却材流路の別の一例を示すブロック図である。
【００１３】
【図５Ａ】本開示の実施形態に応じた磁石を通る環状流体冷却材流路を示すブロック図である。
【図５Ｂ】本開示の実施形態に応じた磁石を通る環状流体冷却材流路を示すブロック図である。
【図５Ｃ】本開示の実施形態に応じた磁石を通る環状流体冷却材流路を示すブロック図である。
【図５Ｄ】本開示の実施形態に応じた磁石を通る環状流体冷却材流路を示すブロック図である。
【図５Ｅ】本開示の実施形態に応じた磁石を通る環状流体冷却材流路を示すブロック図である。
【図５Ｆ】本開示の実施形態に応じた磁石を通る環状流体冷却材流路を示すブロック図である。
【図５Ｇ】本開示の実施形態に応じた磁石を通る環状流体冷却材流路を示すブロック図である。
【図５Ｈ】本開示の実施形態に応じた磁石を通る環状流体冷却材流路を示すブロック図である。
【図５Ｉ】本開示の実施形態に応じた磁石を通る環状流体冷却材流路を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
開示する磁石および磁石冷却方法は、一般的なイオン注入装置および四重極磁石に関連付けて説明する。しかし、考えられ得るように、本開示のさまざまな実施形態はイオン装置の他の磁石にも適用され得る。例えば、本開示のさまざまな実施形態は、イオン堆積装置、例えば、プラズマイオン堆積装置において用いられるとしてよい。別の例として、本開示のさまざまな実施形態はイオンエッチング装置で利用されるとしてよい。さらに、上述したように、本開示のさまざまな実施形態は、磁石の金属製のコアを通る環状流体冷却材流路を提供する。環状流体冷却材流路の例は、特に図５Ａから図５Ｈを参照しつつ、より詳細に後述する。このような環状流体冷却材流路を持つ磁石の構成の例およびシステム全体については、最初に図１ならびに図２Ａおよび図２Ｂを参照しつつ説明する。また、例として挙げる磁石を通る流体冷却材流路の例は、図３および図４を参照しつつ説明する。
【００１５】
図１は、帯状のビームを生成する、本開示の少なくとも一部の実施形態に応じて構成されたイオン注入装置１００の一例を示すブロック図である。他のイオン注入装置は、スキャンされるスポットビームを生成するとしてもよい。このような点状ビームは、軌道が広範囲に広がり、ワークピースに当たる前に略平行になるように偏向させる。一般的に、イオン注入装置１００の構成要素の一部またはすべては、処理チャンバ１０２の内部に収容されているとしてよい。図示しているように、イオン注入装置１００は、特定の種のイオンを生成するように構成されているイオン源１０４を備える。イオン源１０４は、処理チャンバ１０２に導入された供給ガスをイオン化して、荷電したイオンおよび電子（プラズマ）を形成する加熱されたフィラメント等の加熱部を有するとしてよい。加熱部は、例えば、バーナス型イオン源のフィラメント、傍熱陰極（ＩＨＣ）アセンブリまたはその他の熱電子源であってよい。特定のドーパント特性を持つイオンビームを得るべく、複数の異なる種類の供給ガスをイオン源チャンバに供給するとしてよい。例えば、Ｈ２、ＢＦ３およびＡｓＨ３を比較的高いチャンバ温度において導入すると、注入エネルギーが高い単原子に分解される。注入エネルギーが高いということは多くの場合、２０ｋｅＶを超える値を意味する。低エネルギーでイオン注入を行う場合、デカボラン、カルボラン等のより質量の大きい荷電分子が、より低いチャンバ温度においてソースチャンバに導入されるとしてよい。これによって、より低い注入エネルギーを持つイオン化分子の分子構造が維持される。低注入エネルギーは通常、２０ｋｅＶ未満の値を指す。
【００１６】
生成されたイオンは一連の電極１０６を通ってイオン源１０４から引き出され、イオンビーム１０８に成形される。イオンビーム１０８は第１の磁石１１０を通過する。一部の例によると、第１の磁石１１０は、四重極磁石１１２の通過量を最大化することを目的として、所望の質量電荷比を持つイオンのみを通すべく特定の磁界を持つように構成されている質量分析磁石であってよい。四重極磁石１１２は、導電性のワイヤが巻き回された金属製のコアを備えるとしてよく、特定の寸法のイオンビーム１０８を成形するように構成されている。
【００１７】
イオンビーム１０８は、四重極磁石１１２を出ると、質量分析スリットを通過して、減速ステージ１１４に当たるとしてよい。減速ステージ１１４は、特定の特性を持つイオンビームを通過させる開口が画定されている複数の電極１１６を有するとしてよい。電極１１６に複数の異なる組み合わせで電圧電位を印加することによって、減速ステージ１１４はイオンビーム１０８のイオンエネルギーを操作する。
【００１８】
補正磁石１１８は、減速ステージ１１４の下流に配置されているとしてよい。補正磁石１１８は、印加された磁界の強度および方向に応じてイオンビームレットを偏向するように構成されているとしてよい。こうして、プラテン１２２（つまり、支持構造）上に配置されている基板１２０に向けて帯状のビームを提供する。想到され得るように、補正磁石１１８は、減速ステージ１１４を出た後に、イオンビーム１０８を「成形」して、基板１２０上に堆積させるうえで正しい形状を持つようにする。また、補正磁石１１８は、イオンビーム１０８から、ビームラインを通過している間に中和されたイオンをフィルタリングして取り除くように構成されているとしてもよい。
【００１９】
動作時において、イオン注入装置の磁石およびその他の構成要素は冷却が必要になるとしてよい。例えば、イオン源１０４、第１の磁石１１０、四重極磁石１１２、補正磁石１１８またはプラテン１２２は冷却が必要であるとしてよい。具体例を挙げると、四重極磁石１１２は、５０アンペアを超える電流を引き込むように構成されている場合があるとしてよい。このため、四重極磁石１１２の導電性のワイヤを流れる電流量によっては、発熱量が過剰になる場合があるとしてよい。これに対し、発生した熱を四重極磁石１１２から除去するべく、四重極磁石１１２に流体冷却材を流すとしてよい。
【００２０】
このため、イオン注入装置１００は、流体冷却材１２６を保持するよう構成されている冷却材容器１２４と、対応する冷却材流路１２８とを備えるとしてよい。イオン注入装置１００にはさらに、冷却材流路１２８に流体冷却材１２６を循環させるための冷却材ポンプ１３０が含まれるとしてよい。冷却材ポンプ１３０は、遠心力ポンプ、容量型ポンプ、または、冷却材流路１２８に流体冷却材１２６を循環させるための所望の流量および冷却材圧を実現する上で適切な任意のその他の種類のポンプであってよい。図示しているように、冷却材流路１２８は、イオン注入装置１００のさまざまな構成要素を通る。したがって、動作時には、流体冷却材１２６は、それらの構成要素を冷却することを目的として、冷却材ポンプ１３０によって当該構成要素を通過するように圧送されるとしてよい。幾つかの例を挙げると、流体冷却材１２６は、水、グリコールを含む水、ガルデン（登録商標）、フロリナート（登録商標）、または、所望の熱吸収特性および誘電特性を持つ別の流体であってよい。
【００２１】
冷却材流路１２８がイオン注入装置１００のさまざまな構成要素（例えば、四重極磁石１１２）を通るので、冷却材流路はこれらのさまざまな構成要素に設けられるとしてよい。環状流体冷却材流路（より詳細に後述する）は、これらの構成要素のうち少なくとも１つに設けられるとしてよい。したがって、動作時にこれらの構成要素を冷却材が通過すると、これらの構成要素から熱は冷却材に移動し、冷却材流路１２８を進むにしたがってこれらの構成要素から除去されるとしてよい。幾つかの例を挙げると、流体冷却材１２６を冷却するための熱交換器および／または冷却装置（不図示）がさらに設けられるとしてもよい。例えば、冷却材容器１２４は、容器と熱交換器を組み合わせたものであってもよい。図示した構成は単に一例に過ぎず、特定の冷却材流路１２８、冷却材容器１２４の構成、および、冷却材ポンプ１３０の構成は図示したものを特定用途に応じて所望されるように変形し得ると考えられたい。さらに、複数の冷却材流路、冷却材ポンプおよび／または冷却材容器を、所望に応じて追加で設け得ると考えられたい。例えば、図示したシステムは閉ループ再循環冷却システムを示しているが、「ワンススルー」方式のシステムも利用し得る。
【００２２】
図２Ａは、本開示のさまざまな実施形態に応じて構成された四重極磁石２００の一例を示す図である。幾つかの例では、四重極磁石２００は図１に図示した四重極磁石１１２に対応するとしてよい。図示しているように、四重極磁石２００は、開口２３２を持つイオンビームカプラ２３０の周囲に配置されている第１の磁石２１０および第２の磁石２２０を有する。一般的に、動作時には、イオンビーム１０８が開口２３２および第１の磁石２１０が形成した磁界を通過し、第２の磁石２２０がイオンビーム１０８を成形して特定の特性（例えば、所望の高さおよび／または幅）を持つイオンビーム１０８を生成する。
【００２３】
第１および第２の磁石２１０，２２０では、金属製のコア２１１、２２１に導電性のワイヤが巻き回されており、導電性のワイヤの巻き回し部２１２、２２２が形成されている。導電性のワイヤの巻き回し部２１２、２２２の数は、例示を目的として図示されているに過ぎず、限定を意図しないと考えられたい。さらに、四重極磁石２００は、導電性のワイヤの巻き回し部２１２，２２２に印加される電圧の極性に応じて、四極子機能または双極子機能を持つように構成されるとしてよい。また、金属製のコア２１１、２２１の構造および導電性のワイヤの巻き回し部２１２、２２２の位置は、所望の形状および強度を持つ磁界を形成するように調整され得るとしてよい。
【００２４】
第１および第２の磁石２１０、２２０は、筐体２４０の内部に配置される。筐体２４０は、イオンビームカプラ２３０に対して所望の位置に第１および第２の磁石２１０、２２０を保持するように、そして、四重極磁石２００がイオン注入装置１００内に搭載されるように構成され得る。
【００２５】
第１および第２の磁石２１０、２２０はさらに、流体冷却材結合部２１３、２２３、２１４、２２４を含むとしてよい。一般的に、流体冷却材結合部２１３、２２３、２１４、２２４は、流体冷却材１２６が金属製のコア２１１、２２１を通り易くするように構成されている。上述したように、四重極磁石２００の動作時において、電流が導電性のワイヤの巻き回し部２１２、２２２を流れると、導電性のワイヤの巻き回し部２１２、２２２では熱が発生する。（例えば、金属製のコア２１１、２２１に流体冷却材を通過させることによる）熱放散を行わずに放置しておくと、四重極磁石２００は、動作が停止したり、融解したり、またはその他の故障が発生したりする場合がある。流体冷却材結合部２１３、２２３、２１４、２２４は、流体冷却材１２６が金属製のコア２１１、２２１のそれぞれの冷却材流路２１５、２２５に沿って流れるように方向付けるものとして図示されている。より詳細に後述するが、上記の図に図示されている冷却材流路２１５、２２５は、代表的なものであり、図５Ａから図５Ｉに基づいてより詳細に説明するが、金属製のコア２１１、２２１の内部の環状流体冷却材流路に対応するとしてよい。
【００２６】
図２Ｂは、図２Ａに図示した四重極磁石２００を示す上面図である。図示しているように、第１および第２の磁石２１０、２２０は、イオンビームカプラ２３０の周囲に配置されている。筐体２４０は、第１および第２の磁石２１０、２２０の周りに配置されているものとして図示されている。さらに、流体冷却材結合部２１３、２２３も図示されており、それぞれ第１の磁石２１０および第２の磁石２２０に対応付けられている。
【００２７】
一部の例において、金属製のコア２１１、２２１は、低炭素鋼等の合金鋼で形成されるとしてもよいし、または、磁石のコアとして適切な特性を持つ他の金属で形成されるとしてもよい。導電性のワイヤの巻き回し部２１２、２２２は、銅等の導電性のワイヤで形成するとしてよい。さらに、一部の実施形態では、金属製のコア２１１、２２１および導電性のワイヤの巻き回し部２１２、２２２は、エポキシまたは他の適切な誘電材料内に収容されるとしてよい。
【００２８】
一部の例において、冷却材流路２１５、２２５は並列に構成されるとしてよい。例えば、図３は並列に配置されている冷却材流路２１５、２２５を持つ四重極磁石２００を示す図である。図示しているように、四重極磁石２００は、流体冷却材結合部２１３，２２３に接続されているＴ字型流入口３０２と、流体冷却材結合部２１４、２２４を接続するＴ字型流出口３０４とを持つ。流体冷却材１２６は、Ｔ字型流入口３０２を通って流入するとしてよい。Ｔ字型流入口３０２において、流体冷却材１２６は同時に、冷却材流路２１５、２２５の両方に沿って流れるように方向付けられる。流体冷却材１２６は、金属製のコア２１１、２２１を通って流れ、Ｔ字型流出口３０４から流出する。このような構成により、第１および第２の磁石２１０、２２０には確実に略同じ温度で流体冷却材１２６が当てられることにより、第１および第２の磁石２１０、２２０が略等しく冷却されると考えられたい。
【００２９】
一部の例によると、冷却材流路２１５、２２５は直列に構成されているとしてもよい。例えば、図４は四重極磁石２００を示す図である。図示しているように、四重極磁石２００は、流体冷却材結合部２１４、２２４を接続する戻りパイプ４０２を持つ。したがって、動作時には、流体冷却材１２６は、直列に、冷却材流路２１５、２２５に沿って金属製のコア２１１、２２１を通って流れるとしてよい。つまり、流体冷却材１２６は、流体冷却材結合部２１３を通って第１の磁石２１０の金属製のコア２１１に流入し、冷却材流路２１５に沿って金属製のコア２１１を流れ、流体冷却材結合部２１４を通って金属製のコア２１１から流出するとしてよい。この後、流体冷却材は戻りパイプ４０２を通って流体冷却材結合部２２４まで流れ、流体冷却材結合部２２４において第２の磁石２２０の金属製のコア２２１に流入し、冷却材流路２２５に沿って金属製のコア２２１を通って流れ、流体冷却材結合部２２３を通って金属製のコア２２１から流出するとしてよい。この構成は、図３を参照しつつ説明した並列流路構成と比較すると、実施する上ではわずかに複雑性が軽減されるとしてよい。図４の構成では、流体冷却材１２６は第２の金属製のコア２２１を通過する際の温度が、第１の金属製のコア２１１を通過する際と比較して（第１の金属製のコア２１１から熱が除去されたため）、わずかに高い可能性があると考えられたい。このため、第２の金属製のコア２２１の冷却総量は、第１の金属製のコア２１１の冷却総量よりもわずかに少ないとしてよい。言うまでもなく、これは、第２の金属製のコア２２１における流路を、第１の金属製のコア２１１の流路と比較して、より大型化するか構造を変更することによって補償が可能である。
【００３０】
図５Ａは、本開示のさまざまな実施形態に応じて配置された磁石５００を示す分解図である。図示しているように、磁石５００は、上記の図面を参照しつつ説明した四重極磁石２００の第１の磁石２１０および／または第２の磁石２２０に対応するとしてよい。磁石５００は、金属製のコア５０２を含み、金属製のコア５０２の周囲に導電性のワイヤが巻き回されており導電性のワイヤの巻き回し部５０４が形成されている。金属製のコア５０２には、材料を除去して、金属製のコア５０２の最上部から金属製のコア５０２の底部まで延在する空洞５０６が形成されている。磁石５００はさらに、空洞５０６内に嵌合するように構成されている環状コア部５０８を含む。さらに、上部Ｏリング５１０および下部Ｏリング５１２、ならびに、端部キャップ５１４が図示されている（この図で見えるのは１つの端部キャップのみである）。図示されているように、上部Ｏリング５１０および下部Ｏリング５１２は、環状コア部５０８に形成されている円周溝のうち対応するものに嵌合するとしてよい。環状コア部５０８は、空洞５０６に挿入されて端部キャップ５１４で固定されるとしてよい（図５Ｈを参照のこと）。
【００３１】
図５Ｂは、金属製のコア５０２のみを示す上面図であり、空洞５０６を示す。空洞５０６の空洞直径５０７は、環状コア部５０８を挿入できるようなサイズとしてよい。想到するであろうが、図５Ｂに示す金属製のコア５０２の上面図はさらに、金属製のコア５０２の底面図（不図示）にも対応するとしてよい。図５Ｃは、金属製のコア５０２を示す断面図である。金属製のコア５０２の断面図は、空洞５０６の長さに沿って切断された様子を図示している。これらの図面から分かるように、空洞５０６は金属製のコア５０２の全長にわたって延在している。
【００３２】
図５Ｄは、環状コア部５０８を示す上面図である。想到するであろうが、図５Ｄに示す環状コア部５０８の上面図は、環状コア部５０８の底面図（不図示）にも対応するとしてよい。図から分かるように、外部流体冷却材開口５１６は、流体冷却材を環状コア部５０８に流入させるべく、環状コア部５０８の上端の中央に配置されている。図５Ｈに見られるように、同様の開口が環状コア部５０８の下端に設けられている（流体冷却材の流出口として用いられる）。図５Ｅは、環状コア部５０８を示す側面図である。環状コア部５０８は、環状コア部５０８の上端に第１の直径５２０が対応付けられているものとして図示されている。図示されているように、環状コア部５０８はさらに、上部および下部の円周Ｏリング受け入れ凹部５２２、５２４、ならびに、内部流体冷却材開口５２６を含む。内部流体冷却材開口５２６は、環状コア部５０８の最上部および底部に位置している外部流体冷却材開口５１６に結合されており、金属製のコア５０２と環状コア部５０８との間に形成されている環状部との間で流体冷却材１２６を移動させるために用いられ得る。これについてはより詳細に後述する。環状コア部５０８が有する中央部５２８は、第１の直径５２０よりも小さい第２の直径５３０を有するとしてよい。第１の直径５２０は、金属製のコア５０２の空洞直径５０７よりもわずかに小さいとしてよい（図５Ｂ、図５Ｅおよび図５Ｉを参照のこと）。これによって、環状コア部５０８は金属製のコア５０２の空洞５０６と係合させるべく摺動させることが可能である。想到するであろうが、環状コア部５０８の中央部５２８と、金属製のコア５０２の空洞５０６との間で直径が相違することによって、動作時に金属製のコアを効果的に冷却するために用いられ得る環状流体冷却材流路５３８（図５Ｈが最も分かり易い）が形成される。
【００３３】
図５Ｆは、環状コア部５０８を示す断面図である。図５Ｆに示す切断図は、環状コア部５０８の長さに沿って、そして、内部流体冷却材開口５２６と平行に切断された場合の様子を示す。図から分かるように、環状コア部５０８は、外部流体冷却材開口５１６と内部流体冷却材開口５２６との間に形成されている内部流体冷却材流路５３２を持つ。図５Ｇは、環状コア部５０８を示す別の断面図である。図５Ｇに示す断面図は、図５Ｆに示した図に対して９０度回転させた様子を示す。
【００３４】
図５Ｈは、空洞５０６内に環状コア部５０８が配置された金属製のコア５０２を示す断面図である。図から分かるように、環状コア部５０８は、端部キャップ５１４で金属製のコア５０２に固定されており、上部および下部の円周Ｏリング受け入れ凹部５２２、５２４内に配置されている上部Ｏリング５１０および下部Ｏリング５１２によって金属製のコア５０２に対して流体的に封止されている。外部流体冷却材開口５１６および内部流体冷却材開口５２６も図示されている。一部の例では、外部流体冷却材開口５１６は、前述した流体冷却材結合部２１３、２２３、２１４または２２４のうち１つを受け入れるように構成されているとしてよい（例えば、ねじ山が切られていたり、テーパー状に加工されていたりする等の構成が考えられる）。このような構成によって、環状コア部５０８は、流体冷却材ライン（例えば、図１に示す流体冷却材流路１２８）に対して、流体が流れるように接続されるとしてよい。図５Ｉは、環状コア部５０８が内部に配置されて端部キャップ５１４のうち１つで固定され、外部流体冷却材開口５１６のうち１つが露出している金属製のコア５０２を示す上面図である。
【００３５】
環状流体冷却材流路５３６を通る流体冷却材流路５３８（点線矢印で示す）の例を示す。一部の例では、流体冷却材流路５３８は概して、図２Ａおよび図３から図４に示した冷却材流路２１５または２２５のいずれかに対応するとしてよい。動作時には、流体冷却材１２６は、外部流体冷却材開口５１６（図示した実施形態では磁石の最上部に設けられている）のうち１つに圧送されるとしてよい。流体冷却材１２６はこの後、対応する内部流体冷却材流路５３２を通過して、対応する内部流体冷却材開口５２６から流出し、環状流体冷却材流路５３６に流入するとしてよい。図から分かるように、環状流体冷却材流路５３６は、導電性のワイヤの巻き回し部（分かり易いように、この図では省略している）を含む金属製のコア５０２の領域に隣接して配置されているので、磁石５００から流体冷却材１２６への熱伝達の大半は、流体冷却材が環状流体冷却材流路５３６を通る間に行われる。温度が上昇した流体冷却材１２６はこの後、環状コア部５０８の下部にある内部流体冷却材開口５２６へと流入し、対応する内部流体冷却材流路５３２を通過して、外部流体冷却材開口５１６（図示した実施形態では磁石の底部にある）から流出するとしてよい。流体冷却材は最上部から底部へと流れる必要はなく、磁石の底部から最上部へと流れるようにも構成され得ることに想到するであろう。
【００３６】
一部の実施形態では、流体冷却材１２６が乱されて環状流体冷却材流路５３６内で乱流状態にされると磁石５００が効果的に冷却される。想到するであろうが、この流体冷却材流路５３６によって、流体冷却材１２６を熱源（つまり、導電性のワイヤの巻き回し部）に近づけることが可能となるが、所望の磁界性能を維持するために必要なコアの鋼が失われることはない。これは、金属製のコアの中心線を通る単一の円柱形状の流路を持つ標準的な冷却構成にはない利点である。標準的な冷却構成では、熱伝達面の総面積に上限があり、流体冷却材が熱源（つまり、導電性のワイヤの巻き回し部）からかなり離れた場所に位置することになり、コアの熱伝導による冷却性能の限界となる。
【００３７】
一部の例によると、第１の直径５２０および第２の直径５３０は、流体冷却材１２６が環状流体冷却材流路５３６を通過する際の流量が毎分０．２５ガロン（毎分０．９４６３５３リットル）と毎分３ガロン（毎分１１．３５６２３６リットル）との間になるように選択されるとしてよい。一部の例によると、第１の直径５２０および第２の直径５３０は、摂氏１５度と摂氏３０度との間の温度の流体冷却材１２６が流体冷却材流路５３６に流入し、金属製のコア５０２および環状コア部５０８から熱を吸収し、その後、上昇した温度、つまり、摂氏２６度と摂氏４２度との間の温度で流体冷却材流路５３６から流出するように選択されるとしてよい。
【００３８】
想到するであろうが、環状流体冷却材流路５３６は形状が円形であってもよい。より具体的には、環状流体冷却材流路５３６は、図５Ｂを参照しつつ説明したように、環状コア部５０８の中央部分５２８と、金属製のコア５０２の空洞５０６との間に形成される空間に対応するとしてよい。
【００３９】
環状コア部５０８の寸法、具体的には第１の直径５２０および第２の直径５３０は、環状流体冷却材流路５３６を流れる流体冷却材の流量および熱伝達パラメータの値が、金属製のコア５０２からの熱放散を所望の水準で行えるような値になるように選択され得ると考えられたい。一例として、第１の直径５２０は１．２５インチ（３１．７５ミリメートル）であってよく、第２の直径５３０は１．２０インチ（３０．４８ミリメートル）であってよい。このような構成によれば、環状流体冷却材流路５３６は、径方向の幅（つまり、環状コア部５０８の外面と、金属製のコア５０２の内面との間の距離）が約０．０２５インチ（０．６３５ミリメートル）になる。別の例を挙げると、第１の直径５２０は１．２５インチ（３１．７５ミリメートル）であってよく、第２の直径５３０は１．００インチ（２５．４ミリメートル）であってよい。このような構成によれば、環状流体冷却材流路５３６は、径方向の幅（つまり、環状コア部５０８の外面と、金属製のコア５０２の内面との間の距離）が約０．１２５インチ（３．１７５ミリメートル）になる。一部の例によると、第１の直径５２０と第２の直径５３０との比率は、環状流体冷却材流路５３６を流れる冷却材の量と、中央部分５２８から除去する材料の量を出来る限り少なく抑えることとのバランスを考慮して決定するとしてよい。例えば、第１の直径５２０が１．２５インチ（３１．７５ミリメートル）で第２の直径５３０が１．２０インチ（３０．４８ミリメートル）となる上記のケースは、環状コア部５０８から除去する材料が少なくなるので、もう一方のケースよりも好ましいとしてよい。
【００４０】
一部の例では、金属製のコア５０２および環状コア部５０８は、同じ材料で形成されるとしてよい（例えば、低炭素鋼等）。したがって、磁石５００の動作時に磁界を形成するために利用可能な材料（例えば、金属製のコア５０２および環状コア部５０８の材料の組み合わせ）は、中実の金属製のコア５０２（つまり、空洞５０６が設けられていない金属製のコア）と略同様になるとしてよい。このため、磁石５００を効果的に冷却する機能は維持しつつも、磁石５００が形成する磁界の特性は先行技術の素子に比べて改善され得る。一部の例によると、本願で開示した磁石５００の冷却性能が大幅に改善したことにより、導電性のワイヤの巻き回し部５０４を流れる電流の量は先行技術の素子と比較して増加するとしてよい。
【００４１】
本開示は、本明細書で説明した具体的な実施形態によって範囲を限定するものではない。上記の説明および添付図面を参照すれば、当業者には、本明細書で説明したもの以外にも、本開示の他のさまざまな実施形態および本開示の変形例が存在することが明らかであろう。このような他の実施形態および変形例は本開示の範囲に含まれるものとしている。さらに、本開示は特定の目的を実現するべく特定の環境で実施され特定の実施例に基づいて本明細書で説明しているが、当業者であれば、本開示の有用性は説明した内容に限定されず、本開示は任意の目的を実現するべく任意の環境において実施しても利益が得られるものと認めるであろう。したがって、以下に記載する請求項の解釈は、本明細書に記載した本開示の範囲および意図を最大限に広く理解した上で、なされるべきである。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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【図５Ｆ】
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【図５Ｇ】
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【図５Ｈ】
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【図５Ｉ】
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