JP2001006900A - 放射光発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】小型で、液体ヘリウム製造設備や定期的な液体
ヘリウムの補給が不要であり、しかも運転、保守が容易
で、運転パターンに自由度を持たせることにある。 【解決手段】電子ビームを一定の軌道で安定に周回させ
るための複数の偏向電磁石６と、偏向電磁石６の上下流
側に配置された複数のビーム収束用多極電磁石７とから
なる電子ビームの加速蓄積リング１７の一部に放射光を
発生する挿入光源を装備した放射光発生装置において、
前記挿入光源として小型冷凍機１８を備えた冷凍機直接
冷却方式の超電導電磁石を有する超電導ウイグラー１７
を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は粒子加速器のうち、
高エネルギーの電子または陽電子が磁場中などでその運
動の方向を変えて放射光を発生させる放射光発生装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の放射光発生装置としては、図５に
示すような構成のものがある。

【０００３】この放射光発生装置は、図５に示すように
電子銃５と、この電子銃５で発生した電子ビームを加速
する入射器となる線形加速器４、この線形加速器４から
入射される電子ビーム２を所定のエネルギーまで加速す
るシンクロトロン３と、このシンクロトロン３で加速さ
れた電子ビームが入射される電子または陽電子（以下電
子とだけ記す）の蓄積リング１とから構成されている。

【０００４】上記構成において、蓄積リング１には偏向
電磁石６、多極電磁石７、高周波加速空胴９、ウイグラ
ー１０、補正用多極電磁石１４が備えられている。

【０００５】なお、上記線形加速器の代えてマイクロト
ロン等を用いる場合もある。

【０００６】このような構成の放射光発生装置におい
て、電子銃５で発生した電子ビーム２は線形加速器４と
シンクロトロン３で所定のエネルギーまで加速され、蓄
積リング１に入射される。

【０００７】この蓄積リング１では、二極電磁石である
複数の偏向電磁石６と収束用の四極電磁石などの多極電
磁石７及び高周波加速空胴９により、電子ビーム２を一
定の軌道で安定に、且つ一定のエネルギーで長時間周回
させ続ける。この場合、高周波加速空胴 ９により電
子ビーム２から放射光８の放射により失なわれた分のエ
ネルギーが補われる。

【０００８】放射光８は電子ビーム２が偏向電磁石６で
偏向する際に軌道接線方向に強く放射される。一般に、
この放射光８は外部に導かれて物理、化学、生物等の基
礎科学研究や半導体のリソグラフィー等の産業応用研究
等の様々な利用に供される。

【０００９】ウイグラー１０は、蓄積リング１の直線部
に設置される挿入光源と呼ばれ、隣同士の極性が逆の二
極電磁石を奇数組並べて電子ビーム２を蛇行させ、その
進行方向に放射光を得るものである。この場合、放射光
８のエネルギーは磁場に比例する。

【００１０】一般にウイグラー１０の磁場は、偏向電磁
石６のそれより高くなっており、偏向電磁石６よりも高
いエネルギーの放射光１１が得られる。

【００１１】また、ウイグラー１０は上述のように例え
ば５Tを超えるような強い磁場が要求されるため、超電
導電磁石を用いることが多く、また、偏向電磁石６も蓄
積リング１の小型化のために超電導電磁石が用いられる
場合がある。

【００１２】上記構成のウイグラー１０及び偏向電磁石
６は、共に超電導電磁石の場合であり、これら超電導電
磁石の冷却方式は、超電導線材が液体ヘリウムに浸かっ
ているヘリウム浸漬形が採用されている。

【００１３】従って、超電導線材での発熱や外部からの
入熱によって蒸発したガスヘリウムは、ヘリウムトラン
スファーライン１２により液体ヘリウム製造設備１３へ
送られ、液化されて再度ウイグラー１０や偏向電磁石６
に補給される。

【００１４】本例では常にヘリウムが循環しているが、
この他に定期的に液体ヘリウムを補給するようにしたも
のもある。

【００１５】また、ウイグラー１０は電子ビーム２を蛇
行させるだけではなく、強い収束作用も持っているた
め、ウイグラー１０を励磁すると他の多極電磁石７の作
用で安定に周回していた電子ビーム２の軌道が乱れて電
子ビーム２が失われてしまう。

【００１６】そこで、ウイグラー１０の収束作用を擾乱
と見なしてその作用を打ち消す補正用多極電磁石１４も
同時に励磁して電子ビーム２の安定な周回を保つように
している。

【００１７】このようにウイグラー１０は蓄積リング１
に対して擾乱の要因となるので、複数のウイグラーを設
置する場合には、一般的に相対する直線部の中央などの
対称性を有する位置に配置して全台数同じパターンで運
転するようにしている。

【００１８】また、電子ビーム２の軌道周辺は、真空ダ
クトに覆われて非常に高い真空度に保たれ、電子ビーム
２が残留ガス分子により散乱して失われる確率を低減し
ている。

【００１９】しかし、その確率は０ではないので電子ビ
ーム２の周回を開始して数時間から数十時間が経過すれ
ば、蓄積リング１を周回している電子ビーム２の強度は
通常５０％程度まで減少してしまう。

【００２０】この電子ビーム２の強度の減少に比例して
放射光８、高エネルギー放射光１１の強度も減少するた
め、一定時間毎にシンクロトロン３から電子ビーム２を
再入射して、これらの強度をある範囲内に保つようにし
ている。

【００２１】上記従来例では、電子ビーム２をシンクロ
トロン３で所定のエネルギーまで加速した後に蓄積リン
グ１に入射しているが、線形加速器４から直接、蓄積リ
ング１に入射する例もある。ここで、前者を第１の従来
例、後者を第２の従来例と呼ぶ。

【００２２】第２の従来例では、シンクロトロン３が無
いので、全体として小型で単純な構成となるが、線形加
速器４からの電子ビーム２のエネルギーは所定の値の１
０％から３０％程度のことが多く、蓄積リングに入射し
てから所定のエネルギーになるまで加速する必要があ
り、また蓄積リング１は加速機能を併せ持つ加速蓄積リ
ングとする必要がある。

【００２３】この加速蓄積リングで、偏向電磁石６やウ
イグラー１０等の電磁石の磁場を入射エネルギー相当の
値から所定のエネルギー相当の値まで加速に合わせて増
加させ、その後電子ビーム２を一定のエネルギーで長時
間周回させ続けることにより、偏向電磁石６やウイグラ
ー１０から放射光８や高エネルギー放射光１１を発生さ
せ、これらの放射光を利用している。

【００２４】しかし、この第２の従来例でも第１の従来
例と同じく一定時間毎に電子ビーム２を再入射する必要
があり、入射エネルギーが所定のエネルギーより低いこ
とから、偏向電磁石６やウイグラー１０等の電磁石の磁
場を一度減少させ、電子ビーム２の入射後の加速に合わ
せて再度磁場を増加させる必要がある。

【００２５】

【発明が解決しようとする課題】一方、放射光発生装置
を医療応用分野の血管造影診断のＸ線源として利用しよ
うという試みがある。この放射光発生装置からは現在一
般に使用されているＸ線管からより強いＸ線強度を得る
ことが期待でき、安全で高い精度の診断を行うことがで
きる可能性がある。

【００２６】近年、この分野では基礎的研究から臨床実
験まで行われているが、放射光発生装置については高エ
ネルギー加速器研究機構のフォトンファクトリー等の基
礎科学研究用として建設された高エネルギーで大型の蓄
積リングが用いられている。

【００２７】将来、臨床応用が一般的になった場合に
は、放射光発生装置を病院内に設置する必要がある。こ
の場合、病院設置には上述のような大型で多機能、複雑
な装置は不向きであり、小型で取り扱いが簡単な放射光
発生装置が必要である。

【００２８】また、半導体のリソグラフィーに応用し、
半導体製造工場内に設置する場合にも同様に小型で取り
扱いが簡単な放射光発生装置が必要である。

【００２９】そこで、放射光発生装置を小型化するため
には超電導偏向電磁石を採用することが考えられ、また
電子ビームのエネルギーを低くして高い磁場を発生する
超電導ウイグラーからの放射光を利用すれば、さらに小
型化が可能である。

【００３０】しかし、前述した従来技術のようにこれま
での放射光発生装置の超電導電磁石の運転には液体ヘリ
ウム製造設備を必要とし、せっかく放射光発生装置その
ものを小型化しても付帯設備である液体ヘリウム製造設
備が大規模で維持管理にも専門的な手間がかかり、全体
として病院設置、工場設置に不向きなシステムになって
しまう。

【００３１】また、医療応用、産業応用に合わせた運転
を考慮した場合、装置の立ち上げ、立ち下げに要する時
間は極力短いことが望まれる。そのため、超電導電磁石
の磁場の増加、減少の速度もそれに合わせて早くする必
要があるが、超電導線材中での交流損失が大きくなり、
液体ヘリウムの蒸発量も多くなる。そのため、病院や工
場内に液体ヘリウム製造設備を持たずに定期的に液体ヘ
リウムを外部から補充するシステムにした場合、補充の
頻度が多くなって現実的ではない。

【００３２】また、従来の放射光発生装置では、超電導
ウイグラーの磁場の持つ電子ビーム収束作用を打ち消す
ための補正用の多極電磁石が使用されている。このこと
は装置を大型化し、運転を複雑なものにしているため、
病院や工場への設置に適した構成とは言えない。

【００３３】さらに、超電導ウイグラーを複数台持つシ
ステムの場合、運転電力がウイグラーを励磁している台
数に応じて増加するため、装置の経済性を考慮した場合
には放射光の利用率に応じて励磁台数を調整することが
望まれるが、従来技術では蓄積リングまたは加速蓄積リ
ングの配置の対称性を崩すような運転パターンは困難で
あった。

【００３４】本発明は上記のような事情に鑑みてなされ
たもので、小型で、液体ヘリウム製造設備や定期的な液
体ヘリウムの補給が不要であり、しかも運転、保守が容
易で、運転パターンに自由度を持たせることができる放
射光発生装置を提供することを目的とする。

【００３５】

【課題を解決するための手段】本発明は上述の課題を解
決するために、超電導ウイグラーや超電導偏向電磁石と
して、小型冷凍機を備え超電導線材を伝熱により直接冷
却する冷凍機直接冷却方式の超電導電磁石を採用する。
これにより、超電導線材の冷却に液体ヘリウムが不要と
なり、その結果付帯設備としての液体ヘリウム製造設備
や定期的な液体ヘリウムの補給が不要になると共に、保
守の容易な放射光発生装置が得られる。

【００３６】また、小型冷凍機の他に蓄冷手段を備えた
超電導電磁石を採用すれば、磁場の増加、減少時に交流
損失による発熱量が一時的に小型冷凍機の冷凍能力を超
えることも可能になり、装置の立ち上げ、立ち下げ時間
をより短時間で行うことが可能になる。

【００３７】この場合、磁場の増加、減少時に蒸発した
ヘリウムガスは磁場が一定となり、発熱の小さい期間に
各超電導電磁石の小型冷凍機で液化される。よって、付
帯設備としての液体ヘリウム製造設備や定期的な液体ヘ
リウムの補給は不要で保守も容易である。

【００３８】本発明の放射光発生装置では、ウイグラー
の持つ強いビーム擾乱作用を取り入れたビーム光学設計
を行い、安定なビーム軌道を得るように各収束用多極電
磁石の配置と強度を決定することにより、特別な補正用
電磁石が不要であり、複数のウイグラーがある場合にも
１台だけ励磁しての運転も可能である。その結果、機器
の配置の自由度が高くなり、小型で運転パターンに自由
度が得られる放射光発生装置が得られる。

【００３９】さらに、シリコン等よりなる単結晶構造の
薄膜が電子ビーム軸方向に対して所定の角度で傾斜さ
せ、且つある一定の間隔で並設してなる多層膜ターゲッ
トに電子ビームが入射した際に発生する遷移放射光を利
用すれば、低い電子エネルギーで高いエネルギーの放射
光を得ることが可能であり、より小型で単純な構成の放
射光発生装置が得られる。

【００４０】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態を図面を
参照して説明する。

【００４１】図１は本発明による放射光発生装置の第１
の実施の形態を示す構成図で、図５と同一部分には同一
符号を付して説明する。

【００４２】本実施の形態では、図１に示すように電子
の加速蓄積リング１５と入射器である線型加速器４、電
子銃５等から放射光発生装置が構成されている。なお、
線型加速器４に代えてマイクロトロン等を用いる場合も
ある。

【００４３】ここで、上記加速蓄積リング１５は電子ビ
ーム２を一定の軌道で安定に周回させるための複数の直
冷型超電導偏向電磁石１６と収束用の多極電磁石７、高
エネルギー放射光１１を得るための複数の直冷型超電導
ウイグラー１７および電子ビーム２にエネルギーを与え
るための高周波加速空胴９が備えられている。

【００４４】また、上記直冷型超電導偏向電磁石１６及
び直冷型超電導ウイグラー１７は、個々に１台ないし複
数台の小型冷凍機１８を備えている。

【００４５】なお、線形加速器４に代えてマイクロトロ
ン等を用いる場合もある。

【００４６】このような構成の放射光発生装置におい
て、電子銃５で発生した電子ビーム２は線形加速器４か
ら加速蓄積リング１５に入射される。

【００４７】この加速蓄積リング１５では、複数の直冷
型超電導偏向電磁石１６と収束用の多極電磁石７、複数
の直冷型超電導ウイグラー１７及び高周波加速空胴９に
より、電子ビーム２を一定の軌道で安定に周回させると
共に、所定のエネルギーまで加速した後に一定のエネル
ギーで長時間周回させ続ける。

【００４８】この場合、複数の直冷型超電導ウイグラー
１７により高エネルギーが得られ、また高周波加速空胴
９により電子ビーム２から放射光８の放射により失われ
た分のエネルギーが補われる。

【００４９】また、ビーム加速時には直冷型超電導偏向
電磁石１６、直冷型超電導ウイグラー１７の磁場はビー
ムエネルギーに合わせて変化させる。

【００５０】このように本発明の第１の実施の形態で
は、直冷型超電導ウイグラー１７、直冷型超電導偏向電
磁石１６とも個々に備えられた１台ないし複数台の小型
冷凍機１８により、液体ヘリウムを用いずに直接伝熱方
式で超電導コイルを冷却し、超電導線材での発熱や外部
からの入熱を補って超電導線材を低温に保ついわゆる冷
凍機直接冷却型としている。

【００５１】しかし、ビームの入射、加速に要する時間
を短くするために磁場変化速度を早くして超電導線材で
の交流損による発熱が非常に大きくなると、これを補う
のに必要なだけの小型冷凍機１８を各電磁石に備えるこ
とは電磁石が大型になると共に、小型冷凍機の消費電力
の面からも望ましくない。

【００５２】そこで、上記のような場合には超電導コイ
ルを例えば液体ヘリウム等の蓄冷手段で冷却し、蒸発し
た液体ヘリウムを小型冷凍機１８で再凝縮するタイプの
超電導電磁石を用いる。

【００５３】この場合、小型冷凍機１８の能力は磁場変
化時と磁場一定時とを合わせての平均的な超電導コイル
発熱量を考慮して決められる。また、磁場変化中で超電
導コイルでの発熱量が小型冷凍機１８の冷凍能力を上回
る間は、液体ヘリウムの蒸発量が再凝縮量を上回って液
体ヘリウム量が減少するが、磁場一定時はヘリウムの再
凝縮量が蒸発量を上回って液体ヘリウムの量が元に戻る
ので、付帯設備としての液体ヘリウム製造設備は不要と
なる。

【００５４】図２は本実施の形態において、リング上に
存する２台の直冷型超電導ウイグラーを励磁した時のリ
ング一周にわたるビーム軌道計算例を示す。 図２からも明らかなように、ウイグラー１７の強いビー
ム擾乱作用を取り入れたビーム光学設計を行い、各収束
用多極電磁石７の配置と強度を決定しているので、ウイ
グラー１７の擾乱を打ち消すための特別な補正用多極電
磁石が無くとも水平方向ビームサイズ、垂直方向ビーム
サイズ共に周期的に変化しており、安定ビーム軌道１９
が得られることが分る。

【００５５】図３は本実施の形態において、リング上に
存する２台の直冷型超電導ウイグラーのうち、１台だけ
を励磁した時のリング一周にわたるビーム軌道計算例を
示す。 図３からも明らかなように、ウイグラー１７を１台だ
け励磁しても図２と同様に安定なビーム軌道１９が得ら
れることが分る。

【００５６】さらに、各ウイグラーを異なる磁場強度で
運転しても、安定なビーム軌道が得られることが確認さ
れている。

【００５７】本実施の形態によれば、各超電導電磁石に
備わっている小型冷凍機の冷凍能力で超電導コイルを冷
却するので、付帯設備としての液体ヘリウム製造設備や
施設外部からの液体ヘリウムの補給を必要としない。た
だし、点検その他の理由で小型冷凍機を停止した場合な
どには施設外部からの液体ヘリウムの補給を実施する必
要がある。また、ウイグラーによる擾乱を打ち消すため
の特別な補正用多極電磁石が不要である。さらに、ウイ
グラーの励磁台数にも高い自由度が得られる。

【００５８】上述した第１の実施の形態では、加速蓄積
リングを用いたシステムについて述べたが、シンクロト
ロンと蓄積リングを備えたシステムであっても前述同様
に適用実施できるものである。また、利用目的によって
はウイグラーを備えていない場合や、偏向電磁石が常電
導電磁石でウイグラーだけが超電導電磁石の場合にも小
型冷凍機を備えることにより、前述同様の作用効果を得
ることができる。

【００５９】図４は本発明による放射光発生装置の第２
の実施の形態を示す構成図である。

【００６０】本実施の形態では、電子銃５、線形加速器
４、シリコン等よりなる単結晶構造の薄膜がある一定の
間隔で並んでいる多層膜ターゲット２０を備え、電子ビ
ーム２が多層膜ターゲット２０に入射した際に発生する
遷移放射光２１を利用するようにしたものである。

【００６１】このような構成の放射光発生装置におい
て、電子ビーム２のエネルギーが第１の実施の形態と同
じであれば、遷移放射光２１のエネルギーは超電導ウイ
グラーなどから得られる放射光のエネルギーより極めて
高い。

【００６２】従って、電子ビームを高いエネルギーまで
加速するシンクロトロンや加速蓄積リングなどが不要と
なり、簡単な構成で第１の実施の形態や従来例と同等の
エネルギーの放射光が得られる。

【００６３】なお、線形加速器に代えてマイクロトロン
等を用いても良い。

【００６４】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、小型
で、液体ヘリウム製造設備や定期的な液体ヘリウムの補
給が不要であり、しかも運転、保守が容易で、運転パタ
ーンに自由度を持たせることができる放射光発生装置を
提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による放射光発生装置の第１の実施の形
態を示す構成図。

【図２】同実施の形態において、ビーム軌道計算の一例
を示す図。

【図３】同実施の形態において、ビーム軌道計算の他の
例を示す図。

【図４】本発明による放射光発生装置の第２の実施の形
態を示す構成図。

【図５】従来技術による放射光発生装置を示す構成図。

【符号の説明】

１…蓄積リング ２…電子ビーム ３…シンクロトロン ４…線型加速器 ５…電子銃 ６…偏向電磁石 ７…多極電磁石 ８…放射光 ９…高周波加速空胴 １０…ウイグラー １１…高エネルギー放射光 １２…ヘリウムトランスファーライン １３…液体ヘリウム製造設備 １４…補正用多極電磁石 １５…加速蓄積リング １６…直冷型超電導偏向電磁石 １７…直冷型超電導ウイグラー １８…小型冷凍機 １９…安定ビーム軌道 ２０…多層膜ターゲット ２１…遷移放射光

フロントページの続き (72)発明者 森井 保次 東京都港区芝浦一丁目１番１号 株式会社 東芝本社事務所内 (72)発明者 伊藤 孝治 神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番地 株式会社東芝京浜事業所内 Ｆターム(参考） 2G085 AA03 AA13 BA14 BA15 BA20 BC18 DA08 DA10 DB08 EA07

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電子ビームを一定の軌道で安定に周回さ
   せるための複数の偏向電磁石と、この偏向電磁石の上下
   流側に配置された複数のビーム収束用多極電磁石とから
   なる電子ビームの蓄積リングまたは加速蓄積リングの一
   部に放射光を発生する挿入光源を装備した放射光発生装
   置において、前記挿入光源として小型冷凍機を備えた冷
   凍機直接冷却方式の超電導電磁石を有する超電導ウイグ
   ラーを設けたことを特徴とする放射光発生装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の放射光発生装置におい
   て、前記超電導電磁石はこの超電導電磁石と熱的に接続
   された蓄冷手段を備えたことを特徴とする請求項１記載
   の放射光発生装置。
3. 【請求項３】 請求項１記載の放射光発生装置におい
   て、複数台の超電導ウイグラーを電子ビームの蓄積リン
   グ又は加速蓄積リングの対称な位置に配設したことを特
   徴とする放射光発生装置。
4. 【請求項４】 請求項１記載の放射光発生装置におい
   て、超電導ウイグラーによる強いビーム擾乱作用を最初
   から考慮してビーム光学設計を行い、偏向電磁石、収束
   用多極電磁石の配置、強度を決定することを特徴とする
   放射光発生装置。
5. 【請求項５】 請求項４記載の放射光発生装置におい
   て、超電導ウイグラーを複数台備え、各超電導ウイグラ
   ーの励磁の強度を異ならせたことを特徴とする放射光発
   生装置。
6. 【請求項６】 請求項１記載の放射光発生装置におい
   て、偏向電磁石として小型冷凍機を備えた冷凍機直接冷
   却方式の超電導偏向電磁石を設けたことを特徴とする放
   射光発生装置。
7. 【請求項７】 請求項６記載の放射光発生装置におい
   て、前記超電導偏向電磁石はこの超電導偏向電磁石と熱
   的に接続された蓄冷手段を備えたことを特徴とする放射
   光発生装置。
8. 【請求項８】 復数枚の単結晶構造薄膜を電子ビーム軸
   方向と所定の角度で傾斜させて所定の間隔で配設した多
   層膜ターゲットに電子ビームが入射した際に発生する遷
   移放射光を利用することを特徴とする放射光発生装置。
9. 【請求項９】 請求項８記載の放射光発生装置におい
   て、単結晶構造薄膜の材質はシリコンであることを特徴
   とする放射光発生装置。