(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子線装置における冷却装置であって、前記荷電粒子線装置の発熱部位に接触して配置される冷却板と、前記冷却板に冷却水を供給し回収する冷却水循環装置とを備え、
該冷却板には冷却媒体を流すための円周状の流路が設けられており、該円周面と垂直を成しかつ該円周の動径方向と垂直を成す方向の該流路の大きさが、該円周の中心からの動径方向距離に応じて一様に大きくなるとともに、該流路の水流抵抗と該流路に接続され前記冷却水循環装置との間を繋ぐ継ぎ配管の水流抵抗とが一致する様に構成されていることを特徴とする荷電粒子線装置における冷却装置。
【請求項２】
前記冷却板に設けられた冷却媒体の流れる流路が、中心を一にしかつ半径を異にする複数の円周状の構成をなし、該円周面と垂直を成しかつ該円周の動径方向と垂直を成す方向の各流路の大きさが、全流路について前記中心からの動径方向距離に応じて連続的かつ一様に大きくなる様に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子線装置における冷却装置。
【請求項３】
前記複数の流路内の冷却媒体の流れる向きが、流路毎に異なることを特徴とする請求項２に記載の荷電粒子線装置における冷却装置。
【請求項４】
荷電粒子線装置における冷却装置であって、前記荷電粒子線装置の発熱部位に接触して配置される冷却板と、前記冷却板に冷却水を供給し回収する冷却水循環装置とを備え、
該冷却板には冷却媒体を流すための中心を一にしかつ半径を異にする複数の円周状の流路が設けられており、冷却媒体が流れる方向と垂直の該流路の断面積が該円周の中心からの動径方向距離に応じて一様に大きくなるとともに、各々の該流路の水流抵抗と各々の該流路に接続され前記冷却水循環装置との間を繋ぐ各々の継ぎ配管の水流抵抗とが一致する様に構成されていることを特徴とする荷電粒子線装置における冷却装置。
【請求項５】
前記各流路の断面形状が、前記円周面と垂直を成しかつ前記円周の動径方向と垂直を成す方向に大きく、前記円周の動径方向に短い扁平な形状であることを特徴とする請求項４に記載の荷電粒子線装置における冷却装置。
【請求項６】
前記複数の流路内の冷却媒体の流れる向きが、流路毎に異なることを特徴とする請求項４もしくは請求項５に記載の荷電粒子線装置における冷却装置。
【請求項７】
前記冷却板は、溝部を有する本体と前記溝部を覆う蓋部とから構成され、前記円周状流路は溝部と蓋部とによって規定されるものであり、前記溝部の前記円周面と垂直を成しかつ前記円周の動径方向と垂直を成す方向の大きさが一定で、前記蓋部の前記円周面内の厚さが前記円周の中心からの動径方向距離に応じて変化することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の荷電粒子線装置における冷却装置。
【請求項８】
前記冷却板は、溝部を有する本体と前記溝部を覆う蓋部とから構成され、前記円周状流路は溝部と蓋部とによって規定されるものであり、前記蓋部の前記円周面内の厚さが一定で、前記溝部の前記円周面と垂直を成しかつ前記円周の動径方向と垂直を成す方向の大きさが前記円周の中心からの動径方向距離に応じて変化することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の荷電粒子線装置における冷却装置。
【請求項９】
荷電粒子線装置における冷却装置であって、前記荷電粒子線装置の発熱部位に接触して配置される冷却板と、前記冷却板に冷却水を供給し回収する冷却水循環装置とを備え、
該冷却板には冷却媒体を流すための円周状の流路が設けられており、該円周面と垂直を成しかつ該円周の動径方向と垂直を成す方向の該流路の大きさが、該円周の中心からの動径方向距離に応じて一様に大きくなるとともに、
該円周の中心からの動径方向半径をｒ、
該半径ｒの位置の前記流路の深さをｈ（ｒ）とするとともに、
円周率をπ、
該流路が周回に不足している角度をθ、
該冷却板の外側の半径をｒex、
前記冷却水循環装置との間を繋ぐ継ぎ配管の半径をｒp、
前記冷却水循環装置との間の流路長をｌpとするときに、
該流路の深さｈ（ｒ）が下記式（１４）を満たすように構成されている
ことを特徴とする荷電粒子線装置における冷却装置。
【数１】
0005363721.tif 000015
【請求項１０】
前記冷却板に設けられた冷却媒体の流れる流路が、中心を一にしかつ半径を異にする複数の円周状の構成をなし、該円周面と垂直を成しかつ該円周の動径方向と垂直を成す方向の各流路の大きさが、全流路について前記中心からの動径方向距離に応じて連続的かつ一様に大きくなる様に構成されていることを特徴とする請求項９に記載の荷電粒子線装置における冷却装置。
【請求項１１】
前記複数の流路内の冷却媒体の流れる向きが、前記流路毎に異なることを特徴とする請求項１０に記載の荷電粒子線装置における冷却装置。
【請求項１２】
荷電粒子線装置における冷却装置であって、前記荷電粒子線装置の発熱部位に接触して配置される冷却板と、前記冷却板に冷却水を供給し回収する冷却水循環装置とを備え、
該冷却板には冷却媒体を流すための中心を一にしかつ半径を異にする複数の円周状の流路が設けられており、冷却媒体が流れる方向と垂直の該流路の断面積が該円周の中心からの動径方向距離に応じて一様に大きくなるとともに、
該円周の中心から動径方向半径をｒ、
該半径ｒの位置の該流路の深さをｈ（ｒ）とするとともに、
円周率をπ、
該流路が周回に不足している角度をθ、
該冷却板の外側の半径をｒex、
前記冷却水循環装置との間を繋ぐ継ぎ配管の半径をｒp、
前記冷却水循環装置との間の流路長をｌpとするときに、
流路の深さｈ（ｒ）が下記数式（１４）を満たすように構成されている
ことを特徴とする荷電粒子線装置における冷却装置。
【数２】
0005363721.tif 000016
【請求項１３】
前記各流路の断面形状が、前記円周面と垂直を成しかつ前記円周の動径方向と垂直を成す方向に大きく、前記円周の動径方向に短い扁平な形状であることを特徴とする請求項１２に記載の荷電粒子線装置における冷却装置。
【請求項１４】
前記複数の流路内の冷却媒体の流れる向きが、前記流路毎に異なることを特徴とする請求項１２もしくは請求項１３に記載の荷電粒子線装置における冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷電粒子線装置の冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
荷電粒子線装置には、例えば電子やイオンなどの荷電粒子線を収束もしくは結像するための電磁レンズが用いられている。このような電磁レンズは磁場を発生させるための電磁コイルと磁場を集中させるための磁路より構成されている。
【０００３】
このうちの電磁コイルには、２０Ａ近い電流を常時流す場合があり、ジュール熱による発熱が伴う。この発熱を冷却するために各電磁コイルの近傍には冷却装置が備えられたり、さらには特許文献１で開示されたようなコイル線材自体に冷却のための工夫が施されている。
【０００４】
また、荷電粒子線装置において高真空を得るために一般的に用いられる油拡散ポンプは真空オイルを加熱蒸散させ、そのオイル蒸気の運動により真空排気を行うため、真空油を高温まで加熱するヒーターを備えている。
【０００５】
このように、荷電粒子線装置には複数の発熱源が存在しており、それらに対する複数の冷却装置が設置されている。これらの冷却装置として最も一般的なものは、毎分１〜２リットルの冷却水を流す冷却板を熱源に密着させ、冷却水と熱源との間での熱交換を行う水冷式冷却板型の機構のものである。
【特許文献１】特許第２９６７９６６号明細書
【特許文献２】特許第３２３１３４２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のように冷却媒体を流して発熱源の冷却を行う場合、冷却媒体が冷却装置内を流れるとき、あるいは冷却装置への流入もしくは流出時に流路内部で攪拌作用を起こし乱れた流れ（乱流）となって荷電粒子線装置全体へ振動を与える場合がある。
【０００７】
ナノテクノロジーにおける加工・計測装置の主役と目される荷電粒子線装置は、電子顕微鏡に代表されるように極端に振動を嫌う装置であり、冷却媒体がその流路で発生させる振動は、装置自身が振動源となっているにもかかわらず、冷却媒体が前述のとおり装置にとって必要不可欠なものであるため、対策への要求が高まっている。
【０００８】
とりわけ、透過型電子顕微鏡に於いては、原子レベルの結晶格子像（高分解能像）の観察時には、冷却媒体の流れが引き起こす振動が観察の妨げと認識されるレベルに至っている。
【０００９】
本発明は、上記実情を鑑みてなされたものであって、その目的は、冷却媒体の乱流による振動発生を抑止あるいは発生する振動を低減しつつ効率的に冷却を行うことのできる荷電粒子線装置のための冷却装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る荷電粒子線装置の冷却装置は、円周状を成す冷却媒体流路を持ち、円周面と垂直をなしかつ円周の動径方向と垂直をなす方向の流路の大きさ（以下、この大きさを流路の「深さ」という）が円周の中心からの動径方
向距離に応じて連続的かつ一様に大きく（深く）なる構造をとることを特徴としている。この構造は、冷却媒体（流水）にかかる圧力（水圧）が一定のとき、流路内の動径方向の位置に依らず、どの部分でも一定の水量が流れるように、流路の断面積、流路長（すなわち流水抵抗）を検討した結果である。なお、冷却媒体として水以外の流体を用いることができるが、以下では水を例に説明する。
【００１１】
さらに、中心を一にし、半径を異にする円周状の複数の冷却媒体流路を成す場合は、全ての流路において、その深さが円周の中心から動径方向の距離に応じて一様に深くなる構造をとることを特徴としている。これも流路内の動径方向の位置に依らず、かつ、各流路に依らず一定の流水量が得られるように、流路の断面積、流路長（すなわち流水抵抗）を検討した結果である。
【００１２】
このような一定の水圧にて冷却水が流され、水圧に応じた一定の流水量が得られることにより、振動を抑止するための流水条件（流水速度や流量など）を満たし、かつ十分な冷却効果が確保できる。
【００１３】
また、上述の様に複数の流路を持つ構成の場合、単位時間当たりの流水量一定という前提の下では、流路が長くなる半径の大きな円周状の流路ほど、冷却媒体が流れる方向と垂直の流路の断面積（以下、単に「流路の断面積」という）を大きくすることにより、流体力学的観点より乱流の発生に伴う振動の抑止を考慮した流路構成を実現することができる。この単位時間当たりの流水量一定という条件は、冷却効果と相反するものではなく、振動抑止と冷却効果の確保は両立するものである。
【００１４】
流水による冷却では、冷却水は冷却板を長い時間流れるほど昇温される。すなわち、入水温と出水温には温度差が発生する。発熱体の発熱量や流れる水量にも依存するが、一般的にはこの温度差は２０℃程度となる。そのため、冷却板には温度勾配が生じている。この温度勾配は、荷電粒子線装置自体に歪を発生させる原因ともなり、冷却水温の変化や装置自体、もしくは装置周辺の環境温度の変化を通じて、荷電粒子線のビームドリフト、電子顕微鏡の場合は観察像のドリフトとして悪影響を及ぼす。
【００１５】
そこで、上記のごとく複数の流路を設け、各流路に流す冷却媒体の流れの方向を流路毎に逆転させることは、冷却板の温度勾配の解消、それを通じてビーム、もしくは像ドリフトの解消に効果が期待される。さらには、冷却水の温度が変化しても温度分布が均一のため装置歪の影響は、現われ難いと期待される。
【００１６】
複数の流路をもつ冷却板の構成の場合、各流路に十分な断面積が確保されるならば、各流路の断面形状は縦に扁平な形状（円周の動径方向に短く、冷却板の垂直方向に長い）が望ましい。これは流路内の動径方向の位置の違いによる流路長の差が小さくなり、振動の元となる乱流の発生が抑止されると共に、円管と比較して流路の表面積が増大し冷却板と冷却媒体との熱交換が容易になり良好な冷却効率が期待されるからである。
【００１７】
このような冷却媒体流路を内在する冷却板は、溝部を有する本体と溝部を覆う蓋部から構成され、上記の流路は溝部と蓋部とによって規定される構成とすることができる。このとき、溝部の深さを一定とし、蓋部の厚さを、円周状流路の円周の中心からの動径方向距離に応じて一様に変化させることにより、各流路の深さを調整する構成とすることができる。
【００１８】
このように蓋の厚さによって流路の深さを調整するのが有効なのは、本体側に発熱体が位置する場合である。この構成の場合、冷却媒体と発熱体との間の冷却板本体の厚さを位置によらず一定とすることができ、冷却効率を位置によらず一定とすることができる。ま
た、冷却板本体よりも蓋部の加工の方が容易な場合には、製造工程が容易となる。
【００１９】
また、逆に上記蓋部の厚さを一定とし、上記冷却板本体の溝部の深さを、円周状流路の円周の中心からの動径方向距離に応じて一様に変化させることにより、各流路の深さを調整する構成とすることができる。
【００２０】
このように蓋の厚さが一定で本体側流路の溝の深さを調整する構成が有効なのは、蓋側に発熱体が位置する場合である。この構成により、冷却媒体と発熱体との間の冷却板蓋部の厚さを各位置によらず一定とすることができ、結果として冷却効率を位置によらず一定とすることができる。また、蓋部よりも冷却板本体の加工の方が容易な場合には、製造工程が容易となる。
【００２１】
このように、蓋部と本体部と分離して加工することができれば、発熱体との距離の調整だけで無く、各々の部位の厚さを調整することが可能で、それぞれの部位に必要なだけの厚さを確保し、機械的に十分な強度を得ることができる。
【００２２】
なお、上記の説明で「円周面と垂直をなしかつ円周の動径方向と垂直をなす方向の流路の大きさ」のことを流路の「深さ」と呼んでいるが、これは説明の便宜のためであり、この表現は本発明に係る冷却装置の配置方法等に何らの限定を加えるものではない。つまり、流路の円周面が水平面と等しい構成以外に、円周面が鉛直面となるような構成やその他の構成を採用しても構わない。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、乱流による振動を低減しつつ効率的に冷却を行うことのできる荷電粒子線装置のための冷却装置を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下に図面を参照して、本発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。
【００２５】
なお、本実施形態では最も振動に敏感な透過型電子顕微鏡を念頭に置き、冷却装置は鏡体の電磁コイルに対するものを中心に説明を行う。そのため、電磁コイルはその伝導線の巻軸が鉛直方向で、冷却板は巻面に密着し水平に配置される形状であることを前提とする。従って、以後説明の中で、縦、横、深さなど鉛直方向を基準にした用語を便宜上用いるが、その方位、方向は上記の配置を前提としたものである。しかし、この用語、用法はあくまでも便宜上のものであって、本発明の本質には、上下、左右などの空間的な方位は何らかかわりがない。
【００２６】
（第１の実施形態）
図１に本実施形態に係る電磁コイルの構成を示す。
【００２７】
〔全体的な構成〕
電磁コイルは、導電性線材に電気的被覆絶縁を施した線材料を巻きつけたもので、通常は電気的に良導体の銅が用いられる。先述のとおり電子顕微鏡の場合には電磁コイルには２０Aもの電流を流す場合があり、ジュール熱による発熱は避けられずコイルの冷却は必
要不可欠な技術項目である。
【００２８】
図１では、電磁コイル２とコイル上下の冷却装置（冷却板）１１から構成される電子レンズの一部を示している。電子レンズとして機能させるためには、図に示された部位以外に磁気回路が必要であるが、本発明とは関係が無いため図１では割愛して描いていない。上述のように、この電磁コイル２はジュール熱によって発熱するものであり、本発明にお
ける荷電粒子線装置の発熱部位に相当する。そして、電磁コイル２の上下の面に接触して２つの冷却板１１が配置される。この冷却板１１と電磁コイル２との間で熱交換を行うことで、電磁コイル２の冷却を行う。
【００２９】
本発明では単一の冷却板を単一の冷却装置と考えており、電磁コイルをヒーターに置き換えれば、直ちに先述の油拡散ポンプの例示図となる。また、図１は冷却板を水平に設置した例となっているがこれは一例であり、電磁コイルの磁場の発生方向により、空間的方向は任意である。
【００３０】
さらに図１では、冷却板１１が、冷却媒体流路１５を含む冷却板本体部１１ａと冷却媒体流路の断面形状を規定する蓋部１２から構成される様態を示している。冷却板本体部１１ａと蓋部１２は、Ｏリング１３およびボルト１４にて固定される。また、導電線材により巻きつけられたコイル２を固定するためのエポキシ樹脂モールド材９も描かれているが、モールド材９は電磁コイルに必須の部品ではない。
【００３１】
冷却媒体の流路１５となる溝部は、冷却板本体部１１ａの外側周面に設けられた冷却媒体が流入する冷却媒体流入口１６および冷却媒体が流出する出口１７と連通される。図１では電磁コイルで発生する磁場を変化させたときに発生する、誘導起電力による冷却板本体中、もしくは蓋部の周回電流を考慮する必要がない電磁レンズ、あるいは電気的絶縁性材料により作られた冷却板本体部１１ａおよび蓋部１２を想定しているため、特許文献２で開示された誘導起電力による周回電流を抑止するための絶縁性スリットは必要なく、冷却媒体流路は冷却板を周回する円周状に任意に構成することが可能である。仮に、誘導起電力による周回電流を抑止するための絶縁性スリットが必要とされる場合には、その絶縁スリットを冷却水流入口１６と冷却媒体流出口１７の間に設けることで、冷却媒体流路を円周状とすることができる。
【００３２】
なお、本実施形態では冷却板本体部１１ａに溝部を設けて冷却媒体流路とする構成を採用しているが、その他の構成を採用しても良い。例えば、冷却板本体とこの冷却板本体に熱的に良接続される流路用板とから冷却板を作成し、流路用板に冷却媒体流路を設ける構成としても構わない。
【００３３】
次に、本実施形態に係る冷却装置における冷却水流路系統について説明する。図１１は、冷却水流路系統図を示すものである。冷却水循環装置２６から流れる冷却水は配管２５を通じて冷却水流入口１６から冷却板１１に流入する。冷却板１１より下流側に、流量調節バルブ２３および流量計２４が設けられており、流量調節バルブ２３を調節することによって、循環する流水の流量を調整することが可能である。なお、バルブ２２は流水の循環をオン／オフするためのバルブである。
【００３４】
流量調節バルブ２３ではバルブの開度を調整することで流量を調整するが、流量調整バルブ２３において流路の断面が変わるため、ここで乱流が発生しやすい。流量調節バルブ２３を冷却板１１の下流側には位置することで、流量調節バルブ２３で乱流が発生した場合であっても、その乱流が冷却板１１に流入することを防ぐことができる。したがって、冷却板１１の振動を防止することが可能となる。
【００３５】
〔流路形状〕
図２は、冷却媒体を流す流路の形状が見やすいように、冷却装置単体（１つの冷却板）１１のみを示している。図２に示すように、流路となる溝部１５は、円周状の流路でありその深さは円周の中心からの動径方向距離が大きくなるのに応じて深くなるように構成されている。このような構成にすることによって、一定の圧力のもと、冷却媒体の流量を冷却板１１中の円周状を成す冷却流路内のどの位置でもほぼ均一にすることが可能となり、
冷却効率の均一化を図ることができる。また、後述するが、振動源となる冷却媒体の流れの乱れ（乱流）の発生を抑止できる流路構成をとることが可能となる。なお、図１、２をはじめとする冷却媒体流路の形状を説明する図において、流路がなす円周の中心と流路が存する冷却板の中心とが一致するように描いているが、これは描画の便宜上のものであって本発明の実施においての構成はこの限りではない。
【００３６】
以下、電流・電圧・電気抵抗をモデルに、流路を流れる水流量、水圧、流路の断面形状などの関係を検討する。
【００３７】
まず、水流抵抗Ｒ（ｒ）が、電気抵抗と同様に式（１）のように表されると仮定する。ここで、Ｓは管の内断面積、ｌ（ｒ）は流路長、ρは水流抵抗率とも呼ぶべき係数であり冷却媒体の粘性、管の内壁の表面状態（撥水性など）、管の形状・構造などに関係する定数である。
【００３８】
【数１】
0005363721.tif 000002
【００３９】
この流路に水圧Ｐがかかったとき、単位時間あたりの流水量Ｉと水流抵抗Ｒとの間には、電気系のオームの法則と同様の関係（式（２））が成立していると仮定できる。
【００４０】
【数２】
0005363721.tif 000003
【００４１】
一般に、冷却水は冷却水槽などの水源から１本または数本の主配管にて取水され、分岐された後、装置の各冷却板へ回される。冷却板にて熱交換（装置の冷却）を行った後、再び１本または数本の配管にまとめられて排水、または循環のため冷却水槽などに戻される。したがって、各冷却板の配管にかかる水圧は一定とみなしてよい。むしろ、各冷却管の水圧を個別にコントロールするには別途の工夫が必要となる。そこで、本実施形態では流路の各位置において、あるいは複数の流路から構成される場合は各流路においても、流路にかかる水圧Ｐは一定であるという前提で説明を行う。
【００４２】
図３のように、冷却流路が冷却板中のある点を中心として、半径ｒをもった円周上にそって周回する様に構成されているときの流路長ｌ（ｒ）は式（３）で表される。ここでは入出水路の配置のために角度θだけ周回路は円周に不足している。なお、ｒｅｘは冷却板の外側の半径である。
【００４３】
【数３】
0005363721.tif 000004
【００４４】
さて、冷却水流による振動を防止するためには、流路内を流れる冷却水に撹拌（乱流）が生じてはならない。そして、この条件の下で、流路の各部において等価な冷却効率が必
要となる。図１，２に示すように、本実施形態に係る冷却板の流路は１本の幅の広い流路であるが、これを仮想的な細管に区切って考えた場合、上記の要求を満たすためには、各仮想細管での単位時間あたりの水流量は等しいことが望ましい。
【００４５】
ここで、仮想細管は深さｈ（ｒ）の矩形とすると、動径方向の単位距離あたりの水流抵抗Ｒは式（１）と同様に次の式（４）のように表される。
【００４６】
【数４】
0005363721.tif 000005
【００４７】
すると、上記のように各仮想細管での単位時間あたりの水流量が等しくなるためには、各仮想細管での水流抵抗Ｒが一定となるように、流路の深さｈ（ｒ）)を変化させる形状
とすればよい。すなわち、水流抵抗を動径方向半径ｒに依存しない定数（Ｒ０＝ｃｏｎｓｔ）として式（３）と式（４）から、流路の深さｈ（ｒ）についての関係式、式（５）を得る。
【００４８】
【数５】
0005363721.tif 000006
【００４９】
すなわち、流路の深さは動径方向距離に応じて単調増加に深くなればよいことがわかる。図４に流路の断面と式（５）の関係を図示する。
【００５０】
なお、式（５）の定数Ａ，Ｂが定まらなければ具体的な流路形状の設計は出来ないが、これは例えば、冷却板と冷却水循環装置を継ぐ配管の水流抵抗と一致するように定めればよい。例えば、継ぎ配管の半径をｒｐ、流路長をｌｐとすると、水流抵抗は式（１）と同様に式（６）のようになるので、定数Ａ，Ｂはそれぞれ式（７）のように定めればよい。
【００５１】
【数６】
0005363721.tif 000007
【００５２】
【数７】
0005363721.tif 000008
【００５３】
いずれにしても、図１、２に示すような１本の流路を有する冷却装置において、一定の圧力のもと、流路をなす円周の中心からの動径方向半径ｒに対して単調増加に流路の深さｈ（ｒ）を定めれば、流路内のどの位置においても水流量を一定にすることが可能となり、冷却効率の均一化を図ることができる。後述するが、これによりさらに、水流による振動源となる乱流の発生を抑止できる流路構成をとることが可能となる。
【００５４】
（第２の実施形態）
図５に第２の実施形態に係る冷却装置の構成を示す。本実施形態では、幅の短い複数の流路１８〜２１を設けている。複数の流路１８〜２１のそれぞれは、中心が一致し半径の異なる円の円周上にそって周回する構造である。
【００５５】
図５では、第１の実施形態と異なり、蓋部１２の厚さを一定とし、冷却板本体部１１ａの溝部の深さを変えることで流路の深さを変えている。ただし、複数の流路を備える本実施形態においても、第１の実施形態と同様に溝部の深さを一定として、蓋部の厚さを変えることで流路の深さを調整してもよい。
【００５６】
本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、各流路の各位置における水流量を一定とすることによって、配水管の分岐点・合流点での渦などの流れの乱れや、流れの滞りの発生を抑止し、乱流による振動の発生を防止することができる。そのため、本実施形態においても、上記と同様に流路の深さを流路がなす円周の中心からの動径方向距離に応じて、全流路について連続的かつ一様に深くなる構成としている。図６に、本実施形態における流路の断面形状を示す。この構成によっても、上記第１の実施形態で説明した理由と同じ理由により、各位置における水流量を等しくすることができる。
【００５７】
このように冷却媒体の流路を複数にすることで、冷却板と冷却媒体とが接する面積が拡大するため、熱交換効率を促進することが可能となる。
【００５８】
（第３の実施形態）
第３の実施形態も上記第２の実施形態と同様に複数の流路を備える。図７に本実施形態における各流路の断面形状を示す。図７に示すように、各流路の断面形状は矩形であり、動径方向の幅は一定で、深さも１つの流路内では一定で、各々の流路については動径方向の位置に対して単調に増加するように構成されている。すなわち、各流路の断面積が、流路がなす円周の中心から流路までの動径方向距離に応じて一様に増加するように形成されている。なお、各流路と流路がなす円周の中心との距離は、流路がなす円周の中心から各流路の動径方向の中心位置として定義すればよい。
【００５９】
各流路における水流抵抗Ｒは、式（１）のように表せる。ここで水圧Ｐが一定という前提の下、各流路における水流量が一定となるように水流抵抗Ｒが流路のなす円周の中心からの動径方向距離ｒに依らず一定の値Ｒ０となるための条件を求める。式（１）と式（３
）から、そのための条件は流路の水流の流れる方向に垂直な断面積Ｓ（ｒ）に対して次のように表せる。
【００６０】
【数８】
0005363721.tif 000009
【００６１】
すなわち、各流路の断面積Ｓ（ｒ）を流路のなす円周の中心からの動径方向距離ｒに対して単調に大きくすることで、各流路における水流量を一定とすることができる。
【００６２】
なお、図７では各流路の断面形状を矩形としているが、これは一例であり、断面積が流路のなす円周の中心からの動径方向距離ｒに対して単調に増加する形状であれば、断面形状を円やその他の形状としてもよい。また、第２の実施形態で示した流路の深さが流路のなす円周の中心からの動径方向距離ｒに対して単調に深くなる流路形状（図６）も、式（８）に示すような断面積が動径方向距離ｒに対して単調に増加する形状の一例である。
【００６３】
本実施形態においても、上記第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。但し、第２の実施形態とは異なり、各流路における水流量は等しくなるが、１つの流路内での水流量については考慮の対象外であるため、断面形状によっては、水流量は動径方向の位置によって異なってしまう可能性がある。
【００６４】
そこで図８に示すように、断面形状が縦に扁平な複数の流路を備えることが好ましい。ここで、縦に扁平とは、流路の深さｈ（ｒ）が断面形状の動径方向の幅Δｒに比べて大きいことをいう。
【００６５】
このように動径方向の幅を小さくすることで、動径方向の位置による水流量の変化の影響が小さくなる。したがって、動径方向の位置で水流量が異なることによって乱流が生じることを抑制することができる。また、扁平形状とすることで、断面積に対する冷却水が冷却板へ接触する面積を大きくすることができる。したがって、冷却効率の向上を図ることができる。
【００６６】
なお図９に示すように、流路の深さが流路のなす円周の中心からの動径方向距離ｒに対して単調に増加するようにしつつ、断面形状を縦に扁平にすれば、１つの冷却流路中での位置による水流量の差を小さくすることができ、１つの冷却流路中での位置による水流量の差によって生じる乱流の影響を排除しつつ、冷却効率の向上を図ることができる。
【００６７】
（第４の実施形態）
第４の実施形態は、複数の流路を備える上記第２、３の実施形態において、図１０に示すように冷却水を流す方向を流路によって異なるように構成する。冷却水が流れるにしたがって、冷却水は冷却板との熱交換によって温度が上昇する。したがって、流路上流では冷却水の水温は低いが下流に行くにつれて温度が上昇し、冷却効率が落ちてしまう。また、冷却水流の上流側と下流側との温度差によって冷却板内に温度勾配が生じてしまうが、この冷却板内の温度差は、荷電粒子線装置自体の部分的温度差となり、荷電粒子線のビームドリフトの原因となる。
【００６８】
そこで、各流路に流す冷却水の方向を変えることで、冷却板の温度を冷却板の位置によらずほぼ均一に保つことが可能となる。したがって、温度差に起因する荷電粒子線の温度ドリフトへの影響を低減することができ、本実施形態を電子顕微鏡の電子レンズに使用す
る場合には、より高分解能観察に良好な条件を確保することができる。
【００６９】
なお、隣接する流路毎に反対方向に冷却水を流すことが好適であるが、いくつかの流路毎に冷却水を流す方向を変える構成としてもよい。
【００７０】
（層流条件についての検討）
上記の説明では、各流路における水流量を一定とするための流路形状について説明した。しかしながら、水流量一定というのは乱流の発生を防止するために好ましい条件ではあるものの、乱流を防止するための必要十分条件ではない。たとえば、水流量を過度に大きくしてしまうと上記のような流路形状であっても乱流が生じてしまう。そこで、冷却水に乱流が生じず層流となるための条件について考察する。
【００７１】
流れの状態を表す無次元の指標の1つにレイノルズ数がある。レイノルズ数の定義は次
式で与えられる。
【００７２】
【数９】
0005363721.tif 000010
【００７３】
ここで、Ｕは流体の代表速さ、Ｌはその流れにおける代表長さ、νは流体の動粘性係数、μは流体の粘度、ηは流体の密度である。何をその流れにおける「代表」とするかは種々の決め方があるが、着目している現象に関連して定めるのが通例である。例えば、円管のレイノルズ数では、Ｕを断面平均流速、Ｌを管直径（管内径）とする。
【００７４】
レイノルズ数が０〜２０００を層流、３０００以上を乱流と見なすのが一般的である。一般的にはＲｅ＝２３００を層流と乱流の境界値とすることが多いが、実際には層流と乱流とを分ける明確な閾値があるわけではない。ただし、いずれにせよ、レイノルズ数を小さくすることで層流を実現できるので、レイノルズ数を用いた検討を行う。
【００７５】
管の内径を変化させず圧力を高めて流水量Ｉを増加させたとき、流体の流速Ｕが増大する。つまり、Ｌは変化せずＵが増大するのでレイノルズ数が増大し、乱流を発生させて冷却管の振動が大きくなることがわかる。一方、管の内径を大きくするが流速は減少しないように流水量を調整した場合にも、Ｕが一定でＬが増大するのでレイノルズ数は増大する。すなわち、管内を流れる流速が大きい場合、また管の内径が大きい場合にはレイノルズ数が大きくなり、乱流を発生させやすいことがわかる。しかし、一般的な水流冷却の場合にはこのモデルではなく、管の内径を大きくした場合でも流水量はあまり増やさないので流速は減少することが多い。レイノルズ数の増減については、水流量を含めた検討が必要である。
【００７６】
流速Ｕと単位時間あたりの流水量Ｉの間には、管の断面積Ｓとを用いて、以下の関係が成り立つ。
【００７７】
【数１０】
0005363721.tif 000011
【００７８】
また、円管の場合には管内径Ｌと断面積Ｓの間には以下の関係が成り立つ。
【００７９】
【数１１】
0005363721.tif 000012
【００８０】
円管の場合のレイノルズ数を式（１０）、式（１１）を用いて表すと、以下のようになる。
【００８１】
【数１２】
0005363721.tif 000013
【００８２】
すなわち、単位時間あたりの流水量Ｉを一定とした場合には、管の断面積Ｓを大きくしたときにレイノルズ数が減少し、管の振動も抑制されることがわかる。また、式（１２）が意味するところは、流水量を減少させることはレイノルズ数の減少に１次に効果があり、管の断面積の増加は１／２次の効果となる。つまり、流水量の減少の方が効果は大きい。したがって、振動の抑制には、装置の耐熱性能が許す範囲内で流水量を減少させることが好ましい。
【００８３】
さて、式（１２）をみると、水流量Ｉが一定であり、管の断面積Ｓも一定であればレイノルズ数は一定となる。すなわち、所定の水流量Ｉと断面積Ｓを定めれば、複数の流路を備える場合に半径が大きくなるにつれて、第２、第３の実施形態のように流路の断面積を大きくする必要がないようにも見える。
【００８４】
しかしながら、レイノルズ数はその定義からも明らかなように、管の断面を流れる流体の性質をあらわす指標であり、流体の流れの方向に対しては何も示していない。本発明のごとく流路のなす円周の中心からの動径方向距離の増大とともに流路長が増大する場合には、乱流を発生する機会も多くなる。そのため、流路の長い管ほど断面積を大きくし、予めレイノルズ数を小さくしておくことは合理的である。この観点からも、上記第２、第３の実施形態の構成（例えば図６、７、８、９）は有効なものである。
【００８５】
管の断面形状が円形でない場合には、その形状にも依存するが、管内壁との摩擦や流体間の摩擦の効果がレイノルズ数を減少させる。これを考慮すると、同じ断面積の管の場合には、扁平形の方がレイノルズ数は小さくなる。このとき流れの代表長さＬは、小さい方の管幅となる。
【００８６】
図８、９に示すように管幅Δｒ（一定）、深さｈ（ｒ）で、深さｈはｒに応じて単調増加に深くなり、ｈ（ｒ）＞Δｒを満たすような縦に扁平な矩形の複数の管を配列する場合について検討する。このとき管断面の代表長さＬは管幅Δｒである（Ｌ＝Δｒ）。流速Ｕと単位時間あたりの流水量Ｉの関係式（１１）が成立しているので、レイノルズ数は次のように表せる。
【００８７】
【数１３】
0005363721.tif 000014
【００８８】
すでに述べたように、縦に扁平な管の断面形状は、管内の内側ｒｉｎと外側ｒｏｕｔでの流路長の差(すなわちΔｒ)が小さいため、そもそも流路の動径方向の距離ｒによらず、「水流抵抗Ｒが一定である」という条件を満足しやすい構造である。また、管幅Δｒが深さｈ（ｒ）と比較して十分に小さい場合には、各配管での深さはその管の代表深さｈrと
みなして十分である。
【００８９】
扁平形状の冷却管は、管の単位長さあたりの体積に対する表面積が大きい。すなわち流体が冷却板に接する面積が大きいため熱交換効率が良好であり、冷却管としての十分な機能が実現できる。もっとも、管幅を過度に小さくして、流体と管内壁との摩擦の影響が管全体にわたって顕著になってしまうと式（３）の関係は成立しなくなるので、管幅は流体が管内壁との摩擦の影響を受ける距離よりも十分に大きくする必要がある。
【００９０】
以上の結果から、冷却管の断面形状は、式（８）を満たし、かつ断面積が小さな複数の管とするのがよいことがわかる。すなわち、図８や図９に示す構成が好ましいことがわかる。管の数については、冷却板内に充填される冷却水全体の容量が十分に大きく、単位時間あたりの流量は大きいが、断面流水速度は遅い（ゆっくりと流れる）という条件を満たす様に設計することが望まれる。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】第１の実施形態に係る電磁コイルおよび冷却装置の構成を示す図である。
【図２】第１の実施形態における冷却板の構成を示す図である。
【図３】冷却流路の形状を説明する図である。
【図４】第１の実施形態における冷却流路の断面形状を示す図である。
【図５】第２の実施形態における冷却装置の構成を示す図である。
【図６】第２の実施形態における冷却流路の断面形状を示す図である。
【図７】第３の実施形態における冷却流路の断面形状を示す図である。
【図８】第３の実施形態における冷却流路の断面形状の別の例を示す図である。
【図９】第３の実施形態における冷却流路の断面形状のさらに別の例を示す図である。
【図１０】第４の実施形態における冷却装置の構成を示す図である。
【図１１】本実施形態における冷却装置の冷却水流路系統を示す図である。
【符号の説明】
【００９２】
２  電磁コイル
９  エポキシ樹脂モールド材
１１  冷却板
１１ａ  冷却板本体部
１２  蓋部
１３  Oリング
１４  ボルト
１５  冷却媒体流路（溝部）
１６  冷却媒体流入口
１７  冷却媒体流出口
１８〜２１  複数の冷却流路
２２  流水の循環をオン／オフするためのバルブ
２３  流量調節バルブ
２４  流量計
２５  配管
２６  冷却水循環装置
【図１】
0005363721.tif 000017
【図２】
0005363721.tif 000018
【図３】
0005363721.tif 000019
【図４】
0005363721.tif 000020
【図５】
0005363721.tif 000021
【図６】
0005363721.tif 000022
【図７】
0005363721.tif 000023
【図８】
0005363721.tif 000024
【図９】
0005363721.tif 000025
【図１０】
0005363721.tif 000026
【図１１】
0005363721.tif 000027