(57)【要約】【課題】コレクタにおける二次電子の発生が少なく、イオンビームに対して悪影響を与えることの少ない電子ビーム冷却装置および良質のイオンビームを生成することのできるイオンリングを提供する。【解決手段】所定のエネルギーを有する電子ビーム６を生成する電子ビーム入射部１と、この電子ビーム入射部１に接続され電子ビーム６をイオンビーム７に合流させる上流側トロイド部４と、この上流側トロイド部４に接続され電子ビーム６を前記イオンビーム７とともに走行させイオンビーム７を冷却するセントラル部２と、このセントラル部２に接続されイオンビーム７から電子ビーム６を分離させる下流側トロイド部５と、この下流側トロイド部５に接続され電子ビーム６を回収するコレクタ部３とを備え、コレクタ部３は、電子ビーム６を減速する減速管１１と、この減速管１１の下流側に設けられたコレクタアノード１２と、このコレクタアノード１２の下流側に設けられコレクタアノード１２よりも高い電位に課電されて電子ビーム６を吸収するコレクタ１３とを備えた構成とする。【選択図】図１
2005251663.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定のエネルギーを有する電子ビームを生成する電子ビーム入射部と、この電子ビーム入射部に接続され前記電子ビームをイオンビームに合流させる上流側トロイド部と、この上流側トロイド部に接続され前記電子ビームを前記イオンビームとともに走行させ前記イオンビームを冷却するセントラル部と、このセントラル部に接続され前記イオンビームから前記電子ビームを分離させる下流側トロイド部と、この下流側トロイド部に接続され前記電子ビームを回収するコレクタ部とを備え、前記コレクタ部は、前記電子ビームを減速させる減速管と、この減速管の下流側に設けられたコレクタアノードと、このコレクタアノードの下流側に設けられコレクタアノードよりも高い電位に課電されて前記電子ビームを吸収するコレクタとを備えていることを特徴とする電子ビーム冷却装置。
【請求項２】
前記減速管により電子ビームのエネルギーを前記コレクタアノードの位置でEcollector anodeに下げ、かつ前記コレクタアノードの電位Ｖcoll. anodeに対して前記コレクタの電位Vcoll. を高くすることにより、前記コレクタに到達する電子ビームのエネルギーをEcollector anode ＋e（Vcoll.−Ｖcoll. anode）（但しｅは電子電荷の大きさ）とし、前記電子ビームのエネルギーまでの範囲で発生する二次電子の内でエネルギーがe（Vcoll.−Ｖcoll. anode）以下のものが前記コレクタと前記コレクタアノードの間に形成されるポテンシャル障壁に阻害されて前記コレクタに戻り吸収される効果を利用することにより、前記イオンビームの冷却を阻害する二次電子が前記セントラル部に逆流する割合を低減したことを特徴とする請求項１記載の電子ビーム冷却装置。
【請求項３】
所定のエネルギーを有する電子ビームを生成する電子ビーム入射部と、この電子ビーム入射部に接続され前記電子ビームをイオンビームに合流させる上流側トロイド部と、この上流側トロイド部に接続され前記電子ビームを前記イオンビームとともに走行させ前記イオンビームを冷却するセントラル部と、このセントラル部に接続され前記イオンビームから前記電子ビームを分離させる下流側トロイド部と、この下流側トロイド部に接続され前記電子ビームを回収するコレクタ部とを備え、前記コレクタ部は、前記電子ビームを減速させる減速管と、この減速管の下流側に設けられたコレクタアノードと、このコレクタアノードの下流側に設けられ前記電子ビームを吸収するコレクタとを備えた電子ビーム冷却装置において、前記コレクタをソレノイドコイルの端部外延に配置するとともに、前記コレクタの内径を前記電子ビームの直径の２倍以上１０倍以下としたことを特徴とする電子ビーム冷却装置。
【請求項４】
所定のエネルギーを有する電子ビームを生成する電子ビーム入射部と、この電子ビーム入射部に接続され前記電子ビームをイオンビームに合流させる上流側トロイド部と、この上流側トロイド部に接続され前記電子ビームを前記イオンビームとともに走行させ前記イオンビームを冷却するセントラル部と、このセントラル部に接続され前記イオンビームから前記電子ビームを分離させる下流側トロイド部と、この下流側トロイド部に接続され前記電子ビームを回収するコレクタ部とを備え、前記コレクタ部は、前記電子ビームを減速させる減速管と、この減速管の下流側に設けられたコレクタアノードと、このコレクタアノードの下流側に設けられ前記電子ビームを吸収するコレクタとを備えた電子ビーム冷却装置において、前記電子ビーム入射部と前記コレクタ部の間に直流高圧を印加する直流高圧電源、または前記コレクタに電圧を印可するコレクタ電源および前記コレクタアノードに電圧を印加するコレクタアノード電源が、前記電子ビーム入射部に備えられた電子銃に電圧を印加する電子銃アノード電源と同期して間欠的に出力電圧を低下または０にすることを特徴とする電子ビーム冷却装置。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の電子ビーム冷却装置を備え、エミッタンス及び運動量広がりの小さいイオンビームを生成することを特徴とするイオンリング。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子ビームによってイオンビームを冷却する電子ビーム冷却装置および前記電子ビーム冷却装置を備えたイオン蓄積リング、イオンシンクロトロン等のイオンリングに関する。
【背景技術】
【０００２】
イオンリングに備えられる従来の電子ビーム冷却装置は図６に示すように構成されている。すなわち、電子ビーム入射部１、セントラル部２、コレクタ部３及びトロイド部４，５の鉛直面内には電子ビーム６の中心軌道が形成されている。そして、電子ビーム入射部１及びコレクタ部３は周回するイオンリング２２のイオンビーム７の軌道の上方側に配置されている。
【０００３】
電子ビーム６は電子ビーム入射部１に設置されている電子銃８で発生し、加速管９を通過することにより加速または減速されてエネルギーを所定の値に調整され、上流側トロイド部４により偏向され、セントラル部２に入射される。セントラル部２でイオンビーム７と電子ビーム６は等速度で走行する。イオンビーム７と電子ビーム６が等速度で走行することにより、イオンビーム７の縦方向速度成分及び横方向速度成分が冷却され、イオンビーム７の特性が改善される。セントラル部２を通過した電子ビーム６は下流側トロイド部５でイオンビーム７と分離され、コレクタ部３に吸収される。
【０００４】
コレクタ部３は、下流側トロイド部５により偏向した電子ビーム６を通過させるための真空容器１０ｂ、減速管１１、コレクタアノード１２、コレクタ１３により構成されている。コレクタ１３はコレクタ部３に内蔵されているソレノイドコイルの内部または出口部に配置され、コレクタ１３に対しては一様な磁場が印加されている。電子ビーム６は減速管１１により減速された状態で、電子銃８のカソードより高い電位に設定されたコレクタ１３に吸収される。コレクタ１３に吸収された電子ビームのエネルギーはコレクタ１３の冷却により、熱的エネルギーとして除去される。このとき、コレクタ１３の電位は電子銃８のカソードより高い電位に設定されているので、電子ビーム６は減速管１１により同程度の電位まで減速されている。
【特許文献１】特開平１１−１８６０００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のように従来の電子ビーム冷却装置においては、コレクタ部３に入射した電子ビーム６は、コレクタ１３に吸収される。電子ビーム６はコレクタ１３の内表面に原則的に吸収されるが、電子ビーム６がコレクタ１３の内表面に衝突した際に発生する二次電子は、その多くが電子ビーム６の進行方向とは逆方向の運動成分を持つため、下流側トロイド部５を経てセントラル部２まで進行し、周回するイオンビーム７と衝突し、電子ビーム６による冷却効果を低下させる。また、セントラル部２でイオンビーム７と電子ビーム６が衝突することにより、イオンビーム７の一部を飛散させてしまう。
【０００６】
二次電子の発生は電子ビーム６のエネルギーが高くなるほど低くなる。例えば下流側トロイド部５の下流側で且つコレクタ１３の上流側に加速管を配置し、電子ビーム６のエネルギーを高くしてコレクタ１３に電子ビーム６を導くと、二次電子の発生を少なくできる。しかしながらこの場合には電子ビーム６のエネルギーが増大しており、当然コレクタ１３が受けるエネルギー量が増大する。すなわちコレクタ１３の受熱量が大きくなり、コレクタ１３の温度が上昇する。コレクタ１３の温度上昇により、コレクタ１３の表面からのアウトガス量が増大する。このアウトガス量の増大により、イオンリングの真空ダクト内の圧力上昇が生じ、周回するイオンビーム７の寿命が低下する。
【０００７】
コレクタ１３の温度上昇を防ぐためには、コレクタ１３の冷却水量を増加させ、冷却効率を高めるという対策がある。しかしコレクタ１３はコレクタ部３のソレノイドコイルの内部に設置されているため、寸法的な制約を受ける。この寸法制約により冷却能力の増大には限度があり、冷却条件を満足するものを提供することができない。そこでコレクタ１３の冷却、アウトガス量の低減の観点からは、電子ビーム６のエネルギーを下げて、コレクタ１３に電子ビーム６を入射することになる。しかし、電子ビーム６のエネルギーの低下により、二次電子の発生程度は高くなる。
【０００８】
そこで、本発明は、コレクタにおける二次電子の発生が少なく、イオンビームに対して悪影響を与えることの少ない電子ビーム冷却装置および良質のイオンビームを生成することのできるイオンリングを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１ないし４の発明は電子ビーム冷却装置であり、請求項１の発明は、所定のエネルギーを有する電子ビームを生成する電子ビーム入射部と、この電子ビーム入射部に接続され前記電子ビームをイオンビームに合流させる上流側トロイド部と、この上流側トロイド部に接続され前記電子ビームを前記イオンビームとともに走行させ前記イオンビームを冷却するセントラル部と、このセントラル部に接続され前記イオンビームから前記電子ビームを分離させる下流側トロイド部と、この下流側トロイド部に接続され前記電子ビームを回収するコレクタ部とを備え、前記コレクタ部は、前記電子ビームを減速させる減速管と、この減速管の下流側に設けられたコレクタアノードと、このコレクタアノードの下流側に設けられコレクタアノードよりも高い電位に課電されて前記電子ビームを吸収するコレクタとを備えた構成とする。
【００１０】
請求項２の発明は、前記減速管により電子ビームのエネルギーを前記コレクタアノードの位置でEcollector anodeに下げ、かつ前記コレクタアノードの電位Ｖcoll. anodeに対して前記コレクタの電位Vcoll. を高くすることにより、前記コレクタに到達する電子ビームのエネルギーをEcollector anode ＋e（Vcoll.−Ｖcoll. anode）（但しｅは電子電荷の大きさ）とし、前記電子ビームのエネルギーまでの範囲で発生する二次電子の内でエネルギーがe（Vcoll.−Ｖcoll. anode）以下のものが前記コレクタと前記コレクタアノードの間に形成されるポテンシャル障壁に阻害されて前記コレクタに戻り吸収される効果を利用することにより、前記イオンビームの冷却を阻害する二次電子が前記セントラル部に逆流する割合を低減した構成とする。
【００１１】
請求項３の発明は、所定のエネルギーを有する電子ビームを生成する電子ビーム入射部と、この電子ビーム入射部に接続され前記電子ビームをイオンビームに合流させる上流側トロイド部と、この上流側トロイド部に接続され前記電子ビームを前記イオンビームとともに走行させ前記イオンビームを冷却するセントラル部と、このセントラル部に接続され前記イオンビームから前記電子ビームを分離させる下流側トロイド部と、この下流側トロイド部に接続され前記電子ビームを回収するコレクタ部とを備え、前記コレクタ部は、前記電子ビームを減速させる減速管と、この減速管の下流側に設けられたコレクタアノードと、このコレクタアノードの下流側に設けられ前記電子ビームを吸収するコレクタとを備えた電子ビーム冷却装置において、前記コレクタをソレノイドコイルの端部外延に配置するとともに、前記コレクタの内径を前記電子ビームの直径の２倍以上１０倍以下とした構成とする。
【００１２】
請求項４の発明は、所定のエネルギーを有する電子ビームを生成する電子ビーム入射部と、この電子ビーム入射部に接続され前記電子ビームをイオンビームに合流させる上流側トロイド部と、この上流側トロイド部に接続され前記電子ビームを前記イオンビームとともに走行させ前記イオンビームを冷却するセントラル部と、このセントラル部に接続され前記イオンビームから前記電子ビームを分離させる下流側トロイド部と、この下流側トロイド部に接続され前記電子ビームを回収するコレクタ部とを備え、前記コレクタ部は、前記電子ビームを減速させる減速管と、この減速管の下流側に設けられたコレクタアノードと、このコレクタアノードの下流側に設けられ前記電子ビームを吸収するコレクタとを備えた電子ビーム冷却装置において、前記電子ビーム入射部と前記コレクタ部の間に直流高圧を印加する直流高圧電源、または前記コレクタに電圧を印可するコレクタ電源および前記コレクタアノードに電圧を印加するコレクタアノード電源が、前記電子ビーム入射部に備えられた電子銃に電圧を印加する電子銃アノード電源と同期して間欠的に出力電圧を低下または０にする構成とする。
【００１３】
請求項５の発明はイオンリングであり、請求項１または請求項４のいずれかに記載の電子ビーム冷却装置を備え、エミッタンス及び運動量広がりの小さいイオンビームを生成する構成とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、コレクタにおける二次電子の発生が少なく、イオンビームに対して悪影響を与えることの少ない電子ビーム冷却装置および良質のイオンビームを生成することのできるイオンリングを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態の電子ビーム冷却装置を図１に示す。電子ビーム入射部１において真空容器１０ａ内の電子銃８から発生した電子ビーム６は、加速管９により加速され、上流側トロイド部４を通過してセントラル部２でイオンリング２２を周回するイオンビーム７と等速度で平行に走行し、イオンビーム７を冷却する。その後、下流側トロイド部５を通過してコレクタ部３に導かれる。
【００１６】
コレクタ部３において、減速管１１により運動エネルギーを低減して、コレクタアノード１２を通過するのに支障がない程度まで電子ビーム６のエネルギーを下げる。このエネルギーはコレクタアノード１２の入り口径、電子ビーム径及び電子ビーム電流値で決まるしきい値があるが、およそ数百ｅＶから数ｋｅＶである。つぎに、コレクタアノード１２とコレクタ１３の間におよそ数百Ｖから数ｋＶの電位差を与えて、電子ビーム６をコレクタアノード１２からコレクタ１３に向かって加速し、コレクタ１３の内表面に吸収させる。
【００１７】
本実施の形態の電子ビーム冷却装置においては、コレクタ１３とコレクタアノード１２のあいだに電位差が与えられているので、電子ビーム６がコレクタ１３に衝突して発生する二次電子１４は少数であり、コレクタアノード１２の部分を通過し下流側トロイド部５に入りセントラル部２まで到達する二次電子はまれである。また、電子ビーム６は減速管１１によりエネルギーを低減されてコレクタ１３に吸収されるため、コレクタ１３の発熱量は小さく、温度上昇も問題にならない。
【００１８】
コレクタ１３から発生する二次電子１４の運動エネルギーは０から電子ビーム６のエネルギーまでの間にわたって分布する。コレクタ１３に入射する時の電子ビーム６のエネルギーＥe coll.は、電子銃８のカソード電位Ｖcath.とコレクタ１３の電位Ｖcoll.の差に等しい。即ち、eを電子の電荷量としてＥe coll.＝e（Ｖcoll.−Ｖcath.）である。
【００１９】
一方、二次電子１４のうち、コレクタアノード１２を通過するのは、コレクタアノード１２の電位をＶcoll.anodeとするとき、そのエネルギーＥsec.eが（Ｖcoll.−Ｖcoll.anode）より大なるものである。そこで二次電子１４のエネルギーが０からＥe coll.まで均等に分布しているとすれば、コレクタアノード１２を通過する二次電子１４の割合はＰ＝（Ｖcoll.anode−Ｖcath.）／（Ｖcoll.−Ｖcath.）となる。
【００２０】
電子ビーム６を許容出来る分だけ減速管１１で減速した方が電位差（Ｖcoll.anode−Ｖcath.）が小さくなり、二次電子１４がコレクタアノード１２を通過する割合も小さくなる。実際は二次電子１４のエネルギー分布は低い方に偏っているので、一般に通過割合はこのＰより小さくなる。これにより二次電子１４が下流側トロイド部５に流入することを防止でき、周回するイオンビーム７に対する擾乱を防止できる。これにより更にイオンビーム７に対する冷却能力を高めることができる。
【００２１】
図３は、コレクタと電子銃カソードの電位差（Ｖcoll.−Ｖcath.）と二次電子１４の発生量の関係を示すものである。図示のように、二次電子１４の発生量は電子ビーム６がコレクタ１３に入射する時の運動エネルギーにより決まり、運動エネルギーが大きければ発生量は少なくなる。コレクタ１３に入射する電子ビーム６のエネルギーを上げると、コレクタ１３で発生する二次電子１４の発生量が少なくなるので、コレクタアノード１２を通過する二次電子１４も少なくなる。そこでコレクタアノード１２の電位Ｖcoll.anodeを許容できるだけ電子銃８のカソード電位Ｖcath.に近づけ、コレクタ１３の電位Ｖcoll.を電子銃８のカソード電位Ｖcath.に対して高くすれば、割合Ｐ＝（Ｖcoll.anode−Ｖcath.）／（Ｖcoll.−Ｖcath.）が小さくなることから二次電子１４の通過する割合が小さくなることに加え、二次電子１４の発生量も減ることになり、セントラル部２まで戻る二次電子１４の量は激減する。
【００２２】
電位差（Ｖcoll.−Ｖcath.）を高めると二次電子１４の発生抑制は更に改善するが、高電圧電源のパワーが増大するため得策ではない。設置する電源のコスト、性能の両方から、電位差が数ｋＶの場合がコストパフォーマンスに優れたものになる。これにより二次電子１４がセントラル部２に流入することを防止でき、周回するイオンビーム７に対する擾乱を防止することができる。これにより更にイオンビーム７に対する冷却能力を高めることができる。
【００２３】
このように本実施の形態の電子ビーム冷却装置は、所定のエネルギーを有する電子ビーム６を生成する電子ビーム入射部１と、この電子ビーム入射部１に接続され電子ビーム６をイオンビーム７に合流させる上流側トロイド部４と、この上流側トロイド部４に接続され電子ビーム６を前記イオンビーム７とともに走行させイオンビーム７を冷却するセントラル部２と、このセントラル部２に接続されイオンビーム７から電子ビーム６を分離させる下流側トロイド部５と、この下流側トロイド部５に接続され電子ビーム６を回収するコレクタ部３とを備え、コレクタ部３は、電子ビーム６を減速させる減速管１１と、この減速管１１の下流側に設けられたコレクタアノード１２と、このコレクタアノード１２の下流側に設けられコレクタアノード１２よりも高い電位に課電されて電子ビーム６を吸収するコレクタ１３とを備えている構成である。
【００２４】
本実施の形態の電子ビーム冷却装置においては、コレクタ１３とコレクタアノード１２間に電位差が与えられているため、電子ビーム６はコレクタアノード１２からコレクタ１３に向かって加速する。加速した電子ビーム６はコレクタ１３に吸収され、熱エネルギーが発生する。コレクタ１３には電位差により若干加速された電子ビーム６が衝突することになるが、電子ビーム６のエネルギーを減速管１１によって所定の値まで減速させているので、コレクタ１３が負担する熱エネルギー量は問題のないレベルである。またコレクタ１３から発生する二次電子１４の持つエネルギーはゼロから電子ビーム６のエネルギーの間になるが、コレクタアノード１２を通過する二次電子１４はコレクタ１３とコレクタアノード１２との間の電位差以上のエネルギーをもつもののみしか通過しない。このため二次電子１４がコレクタアノード１２を通過する割合は低い。
【００２５】
これにより二次電子１４がセントラル部２に逆流することを抑え、二次電子１４が周回するイオンビーム７に対して擾乱を与えることが防止できる。周回するイオンビーム７はセントラル部２で冷却された状態を保持することになり、冷却性能の低下を防止し、イオンビーム７の冷却能力の向上を計ることが出来る。
【００２６】
本実施の形態の電子ビーム冷却装置はさらに好ましくは、減速管１１により電子ビーム６のエネルギーをコレクタアノード１２の位置でEcollector anodeに下げ、かつコレクタアノード１２の電位Ｖcoll. anodeに対してコレクタ１３の電位Vcoll.を高くすることにより、コレクタ１３に到達する電子ビーム６のエネルギーをEcollector anode ＋e（Vcoll.−Ｖcoll. anode）（但しｅは電子電荷の大きさ）とし、電子ビーム６のエネルギーまでの範囲で発生する二次電子１４の内でエネルギーがe（Vcoll.−Ｖcoll. anode）以下のものがコレクタ１３とコレクタアノード１２の間に形成されるポテンシャル障壁に阻害されてコレクタ１３に戻り吸収される効果を利用することにより、イオンビーム７の冷却を阻害する二次電子１４がセントラル部２に逆流する割合を低減した構成である。
【００２７】
減速管１１に接続されたコレクタアノード１２の電子銃８のカソードに対する電位差を１ｋＶ程度以下とし、コレクタアノード１２とコレクタ１３の電位差を１〜５ｋＶに設定するのがよい。
【００２８】
二次電子１４のエネルギー範囲はゼロからコレクタ１３の電子銃８のカソードに対する電位差分であり、コレクタアノード１２を通過する二次電子１４はコレクタアノード１２と電子銃カソードの電位差に相当するエネルギーを持つものであるから、上記設定により大部分の二次電子１４はコレクタアノード１２を通過することが出来ず、かつコレクタアノード１２とコレクタ１３の電位差を放電の恐れがない程度に抑えることが出来る。電位差を生じさせるための電源も一般的なものであり、コストパフォーマンスの優れた電子ビーム冷却装置を提供することができる。
【００２９】
（第２の実施の形態）
図２（ａ）は本発明の第２の実施の形態の電子ビーム冷却装置のコレクタ部３を拡大して示す断面図である。他の部分は図１と同じであり図面を省略し、同一部分については図１に示した符号をふして説明する。電子ビーム入射部１において真空容器１０ａ内の電子銃８から発生した電子ビーム６は、加速管９により加速され、上流側トロイド部４を通過してセントラル部２でイオンビーム７と等速度で平行に走行し、イオンビーム７を冷却する。その後、下流側トロイド部５を通過してコレクタ部３に導かれる。コレクタ部３において、減速管１１により運動エネルギーを低減してコレクタアノード１２を通過し、コレクタ１３に向かって再加速され、コレクタ１３の内表面に吸収される。
【００３０】
下流側トロイド部５の下流側とコレクタアノード１２の間に減速管１１を配置し、セントラル部２で周回するイオンビーム７が冷却するまでは、電子ビーム６の運動エネルギ−は所定の値で通過させ、コレクタ１３に電子ビーム６を入射する前にコレクタアノード１２を通過するのに支障がない程度まで、電子ビーム６のエネルギーをさげる。コレクタ１３の内径は電子ビーム６のビームサイズに対して２倍以上１０倍以下、好ましくは数倍程度の大きさとする。
【００３１】
コレクタ１３はコレクタ部３のソレノイドコイル２１の端部外延に設置する。これによりコレクタ部３のソレノイドコイル２１から発生する磁束密度が、図２（ｂ）に示すように、コレクタアノード１２側で高く、コレクタ１３の部分では低くなる。これによって電子ビーム６のビームサイズはコレクタアノード１２からコレクタ１３へ向かって増大する。
【００３２】
電子ビーム６に対してコレクタ１３の内径が数倍程度大きいと、電子ビーム６がコレクタ１３の底部に衝突する時にビームサイズも数倍に広がり、吸収される時の熱エネルギー密度が低くなる。このように受熱面積を拡大させることにより、コレクタ１３自体の冷却が容易となり、コレクタ１３の温度上昇を低減できる。これによりコレクタ１３の温度上昇による真空への悪影響を防ぐことができる。
【００３３】
また本実施の形態においては、図２（ｂ）に示したように、磁束密度が電子ビーム軸方向に沿って変化する磁場を形成するので、コレクタ１３に電子ビーム６が衝突し二次電子１４が発生しても、下流側トロイド部５の方向に対して二次電子１４は減速される。コレクタアノード１２に到達するまでに多くの二次電子１４の速度がゼロとなり、コレクタ１３とコレクタアノード１２の電位差によりコレクタ１３の方に逆戻りし、コレクタ１３に吸収される。これにより二次電子１４のうち、コレクタアノード１２から下流側トロイド部５を経てセントラル部２まで逆戻りする二次電子を少なくすることができ、周回するイオンビーム７に対する擾乱を防止できる。これにより更にイオンビーム７の冷却能力を高めることができる。
【００３４】
このように本実施の形態の電子ビーム冷却装置は、所定のエネルギーを有する電子ビーム６を生成する電子ビーム入射部１と、この電子ビーム入射部１に接続され電子ビーム６をイオンビーム７に合流させる上流側トロイド部４と、この上流側トロイド部４に接続され電子ビーム６を前記イオンビーム７とともに走行させイオンビーム７を冷却するセントラル部２と、このセントラル部２に接続されイオンビーム７から電子ビーム６を分離させる下流側トロイド部５と、この下流側トロイド部５に接続され電子ビーム６を回収するコレクタ部３とを備え、コレクタ部３は、電子ビーム６を減速する減速管１１と、この減速管１１の下流側に設けられたコレクタアノード１２と、このコレクタアノード１２の下流側に設けられコレクタアノード１２よりも高い電位に課電されて電子ビーム６を吸収するコレクタ１３とを備えた電子ビーム冷却装置において、コレクタ１３をソレノイドコイル２１の端部外延に配置することによりコレクタ１３において磁束を発散させる。またコレクタ１３の内径を電子ビーム６のサイズに対して２倍以上１０倍以下とすることにより、磁力線に巻きつき誘導される電子ビーム６を磁束密度が十分低いコレクタ１３の内面まで導き、二次電子１４の発生点での磁束密度とコレクタ入口での磁束密度の比を大きくしている。
【００３５】
このような構成によって、二次電子１４がコレクタ１３の入口方向に戻るにつれて磁束密度が高くなるに従い、磁力線に直交する運動のエネルギーが増加しかつ磁力線方向の運動エネルギーが減少する。二次電子１４の多くがコレクタ１３の入口に到達する前に進行方向の運動エネルギーを失い、逆戻りしてコレクタ１３に吸収される。そのためにセントラル部２まで逆流して冷却を阻害する二次電子１４が圧倒的に少なくなる。
【００３６】
（第３の実施の形態）
図４および図５は本発明の第３の実施の形態の電子ビーム冷却装置に備えられる高圧電源の構成およびその運転パターンを示したものである。従来の高圧電源の運転パターンも合わせて示している。
【００３７】
通常高圧電源はイオンリングの運転パターンに連動する。連動の仕方としては、図１に示すイオンビーム７の加速を開始する前に電子銃アノード電源１６の出力電圧を下げて電子ビーム６を停止する方法、および、イオンビーム７の加速に応じて直流高圧電源２０の出力電圧を上げて電子ビーム６を加速する方法がある。その他の高圧電源は、常時定格運転状態を保持している。
【００３８】
コレクタ１３の内表面から放出された二次電子１４の一部はコレクタアノード１２にむけて進行する。コレクタアノード１２とコレクタ１３との間に電位差を設けてもコレクタアノード１２を通過する二次電子１４や、コレクタアノード１２にむけて進行するにつれてビーム軸方向の磁束密度が大きくなることによって速度が低下しても停止するに至らずコレクタアノード１２の出口部分で捕獲できない二次電子１４が存在する。これらの二次電子１４は、ビームの進行方向が電子ビーム６と逆になるため減速管１１により加速され、下流側トロイド部５、セントラル部２、上流側トロイド部４を通過して、電子ビーム入射部１に進行する。更に加速管９、電子銃８により減速されて一旦停止した後、上流方向に再加速され、電子ビーム６が発生してイオンビーム７を冷却する場合と同様な経路をたどる。二次電子１４はこの過程において、イオンビーム７や真空容器内の残留ガス分子と相互作用し、二次電子１４のエネルギーは低下する。エネルギーの低下した二次電子１４はコレクタアノード１２と電子銃８の間に補足され、イオンビーム７の冷却の妨げとなる。このような二次電子１４は時間経過とともに増加し、周回するイオンビーム７の冷却効果が低減する。さらには空間電荷効果が大きくなり、真空容器内で飛散することになる。
【００３９】
この現象を低減させるため、イオンビームの加速を行う前或いは加速の途中に、一度ないしは時々、電子ビーム入射部１の電子銃８のアノードとカソード間に電圧を印加する電子銃アノード電源１６をオフする時に同時に直流高圧電源２０もオフする（図５（ｂ１））。あるいは電子銃アノード電源１６をオフする時に同時にコレクタ電源１７及びコレクタアノード電源１９も同時にオフする（図５（ｂ２））。電源がオフされている間に、補足された二次電子１４は電子銃８のカソードまたはコレクタ１３内表面に吸収されて消滅する。これによりセントラル部２に滞留する二次電子１４を消去し、イオンビーム７に対する擾乱を少なくし、セントラル部２での周回するイオンビーム７に対する冷却能力を高めることができる。
【００４０】
このように本実施の形態の電子ビーム冷却装置は、電子ビーム入射部１の電子銃８のカソードとコレクタ部３のコレクタアノード１２間の電位差を間欠的に少なくまたはゼロになるように運転する。この電位差を減少させることにより、電子銃８とコレクタアノード１２の間に補足されているエネルギーの低下した二次電子１４がコレクタアノード１２を通過してコレクタ１３に吸収され消滅する。従って、セントラル部２に滞留している二次電子１４によるイオンビーム７に対する擾乱を無くすことができる。これにより周回するイオンビーム７に対する冷却能力を高めることができる。
【００４１】
（第４の実施の形態）
イオンリングへの電子ビーム冷却装置の設置は、周回しているイオンビーム７を冷却することによってイオンビーム７のエミッタンスを小さくすること、及び運動量の広がりを減少させて均一な性質のイオンビーム７を生成することを目的としている。
【００４２】
電子銃８で生成された電子ビーム６は、電子ビーム入射部１とセントラル部２のソレノイドコイルの磁束密度の比を等しくする場合、或いは電子ビーム入射部１とセントラル部２のソレノイドコイルの磁束密度の比を大きくして断熱膨張法により低温化される場合に対して、周回するイオンビーム７と合流させることにより、イオンビーム７の運動量の減少に加え、位相空間内でのビームの広がりを示すエミッタンスを縮小することができる。
【００４３】
電子ビーム６はコレクタ１３により吸収されるが、コレクタ１３内表面で二次電子１４が発生する。コレクタ１３とコレクタアノード１２の電位を適正に選択し、コレクタ部３のソレノイドコイル２１によりコレクタアノード１２、およびコレクタ１３における磁束密度分布を適正に形成することにより、二次電子１４がセントラル部２に流入することを抑制することが出来る。これにより周回するイオンビーム７に対する擾乱が少なくなる。即ちイオンビーム７に対する冷却性能を改善することが出来、イオンビーム７の運動量の減少、位相空間内でのエミッタンスの縮小を実現することが出来る。
【００４４】
前記第１ないし第３の実施の形態の電子ビーム冷却装置をイオンリング２２に設置し、周回するイオンビーム７に対して電子ビーム６を合流させることにより、イオンビーム７の運動量の減少に加え、位相空間内でのビームの広がりを表すエミッタンスを少なくすることができる。すなわちイオンリング２２の入射エネルギーまたは最大エネルギーにおけるイオンビーム７のエミッタンスを小さくできる。イオンビーム７のエミッタンスを改善することにより、出射ビーム特性が改善される。従ってビーム利用に対して有効な手段となる。一次ビームまたは二次ビームを用いた診断・治療をはじめとする高精度重粒子線治療や物理実験に貢献できる。
【００４５】
本実施の形態によれば、イオンビーム７のビーム広がりまたは運動量広がりを小さくくすることにより、入射したイオンビーム７の特性を改善し、さまざまな応用に用いることができる。例えばイオンビーム７が冷却されることによりイオンビーム７のサイズが小さくなる効果を利用してイオンビーム７の追加入射を行い、蓄積イオン粒子数を飛躍的に増大させることが出来る。蓄積イオン粒子数を増大させて、入射エネルギーのまま、或いは加速して他の電子、光子等との反応の頻度を増大させ、効率の良い測定を行うことが出来る。蓄積イオン粒子数を飛躍的に増大させて、そのまま出射することも出来る。
【００４６】
また例えば、イオンリングの途中に標的を置き、標的に対するイオンビーム７のスポットを小さくして、発生する二次ビームの性質を精度良く測定することが可能となる。イオンビーム７の運動量広がりも小さくなっているので二次ビーム測定の精度も良くなる。またこの時、標的との衝突により増大したイオンビーム７のエミッタンス、運動量広がりを電子ビーム６の冷却効果により再び減少させることが出来る。
【００４７】
入射時のイオンビーム７の特性を改善した状態において、そのままイオンビームを出射すれば、エミッタンス、運動量広がりの小さいビームを供給出来る。これを標的に当てて生じる原子核、原子反応を精度良く測定することが出来る。また追加入射を行った後に出射されたイオンビームはパルス当たり粒子数が飛躍的に増大するので、何らかの標的との衝突により生じる単位時間当たりの反応が多くなり、S／Ｎの良い測定することが出来る。
【００４８】
これらの効果を用いて二次ビームを用いた診断・治療や一次ビームを用いた診断・治療や物理実験に貢献させることが出来る。また入射時のイオンビーム７の特性を改善した状態で、所定の射出エネルギーまで加速し、出射した場合にも、イオンビーム７は特性改善されており、前述と同様に、二次ビームを用いた診断・治療や一次ビームを用いた診断・治療や物理実験に貢献することが出来る。
【００４９】
イオンリングに設けられる電子ビーム冷却装置は、周回しているイオンビーム７のエミッタンス及び運動量の広がりを減少させる。電子銃８で生成された電子ビーム６は断熱膨張によりさらに低温化され、周回しているイオンビーム７と合流し、イオンビーム７の運動量の減少に加えて、位相空間内でのイオンビーム７の広がりをあらわすエミッタンスを縮小することが可能となる。このような状態において、コレクタ部３で電子ビーム６のエネルギーの吸収、二次電子１４の発生と吸収を調整することにより、質の高い電子ビーム６を周回するイオンビーム７に対して供給することが可能になる。
【００５０】
これにより、イオンビーム７の広がりを小さくして、入射したイオンビーム７の特性改善を大幅に計ることができ、二次ビームを用いた診断・治療や一次ビームを用いた診断・治療や物理実験に貢献させることが出来る。
【００５１】
またビームの最大エネルギーでのイオンビーム７の特性を改善することにより、出射したイオンビーム７は二次ビームを用いた診断・治療や一次ビームを用いた診断・治療や物理実験に貢献させることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の第１の実施の形態の電子ビーム冷却装置を示す断面図。
【図２】本発明の第２の実施の形態の電子ビーム冷却装置の要部を示し、（ａ）はコレクタ部の断面図、（ｂ）は（ａ）における磁束密度分布を示す曲線図。
【図３】本発明の実施の形態の電子ビーム冷却装置において、コレクタと電子銃カソードの間の電位差と二次電子発生量の関係を示す曲線図。
【図４】本発明の第３の実施の形態の電子ビーム冷却装置に備えられる電源装置を示す結線図。
【図５】本発明の第３の実施の形態の電子ビーム冷却装置に備えられる電源装置の運転パターンを従来のものと比較して示す線図。
【図６】従来の電子ビーム冷却装置の縦断面図。
【符号の説明】
【００５３】
１…電子ビーム入射部、２…セントラル部、３…コレクタ部、４…上流側トロイド部、５…下流側トロイド部、６…電子ビーム、７…イオンビーム、８…電子銃、９…加速管、１０ａ，１０ｂ…真空容器、１１…減速管、１２…コレクタアノード、１３…コレクタ、１４…二次電子、１５…フィラメント電源、１６…電子銃アノード電源、１７…電子銃アノードリバース電源、１８…コレクタ電源、１９…コレクタアノード電源、２０…直流高圧電源、２１…ソレノイドコイル、２２…イオンリング、Dcoll…コレクタ内径、De…電子ビーム径、Rsec.e…二次電子の軌跡。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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