JP2001110599A - 挿入光源用磁石及びその磁石の着磁方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 磁場精度・磁石位置精度に優れた、周期長10
mm以下の短周期長の挿入光源およびその磁石の着磁方法
を提供する。 【解決手段】 空隙方向磁化磁石ブロックに周期的に
0.1〜１mmの切れ目を設け、該磁石ブロック1をパルス磁
場で着磁して、該磁石ブロック1一対で１周期相当分以
上の磁場が発生するように、該磁石ブロック1を複数個
対向させてなることを特徴とする周期長が10mm以下のハ
ルバック型の挿入光源用磁石。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子加速器や電子
蓄積リングの直線部に挿入して輝度の高い放射光を発生
する、周期長が短く周期数の大きなコンパクト挿入光源
に適用できる磁石及びその磁石の着磁方法に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】永久磁石または永久磁石と磁性材（鉄や
鉄コバルト合金）で構成される挿入光源（図３（ａ）参
照）は、電子加速器（または電子蓄積リング）の直線部
分に挿入され、強力な放射光を発生する装置として有用
である。挿入光源は、磁石列間の空隙中にサインカーブ
状の周期磁場を発生する（図３（ｂ）参照）。周期磁場
を発生する挿入光源は、図４に示すように、永久磁石の
みで構成されるハルバック型（ａ）と永久磁石と磁極と
で構成されるハイブリッド型（ｂ）がある。図３（ｃ）
に示すように、加速器中を回る高速電子は、該周期磁場
により蛇行運動を行い、各蛇行点から放射光を生じる
（Halbach,Nuclear Instruments andMethod 187,(198
1),109 ）。蛇行の程度により、ウィグラーモードとア
ンジュレーターモードがある。ウィグラーモードでは各
蛇行点から発生する放射光が重畳され、偏向電磁石から
の放射光より10〜1000倍高いパワーの白色放射光が得ら
れる。これに対してアンジュレーターモードでは、各蛇
行運動から発生する放射光は干渉し、基本波とその高次
光とで、ウィグラー光の更に10〜1000倍程度強力な光が
得られる。ウィグラーモードかアンジュレーターモード
かは、Ｋ値（＝0.934 λm・Bg；λm ＝周期長、Bg＝周期
磁場のピーク値）と呼ばれるパラメータにより分類でき
る。Ｋ値が１前後かそれ以下の場合はアンジュレーター
となり、それ以外のＫ値ではウィグラーとなる。本発明
では、一括してアンジュレーターまたは挿入光源と呼
ぶ。また対向する磁石列方向を空隙方向、電子の軌道方
向を軸方向と呼ぶことにする。

【０００３】挿入光源は、前記のように、大きく分けて
ハルバック型、ハイブリッド型の２つの型があるが、ど
ちらもほぼ同等の磁場強度や分布を示し、大きな違いは
ないが、一般的にはハイブリッド型の方が、使用磁石重
量が少なくなることが多い。また、挿入光源開発の初期
段階では、永久磁石の角度や特性ばらつきが大きかった
ため、ハルバック型よりハイブリッド型の方が、磁場強
度を揃え易かった。最近では、永久磁石のばらつきが小
さく、特性が均一になっており、また、磁石対の組み替
え手法が導入され、改善されてきたため、どちらの方式
でもほぼ同等の磁場分布が得られる。空隙を変えたとき
の電子軌道のずれは、ハルバック型はほぼ線形性が成り
立つため小さいが、ハイブリッド型は、軟磁性ポールピ
ース３２を使用し、非線形なため、電子軌道のずれが生
じやすい。図４（ａ）、（ｂ）に示すような挿入光源
は、いずれも平面アンジュレーターと呼ばれる一般的な
タイプである。したがって、どちらのタイプを採用する
かは目的により使い分けをすればよく、特にどちらが優
れているというものではない。平面アンジュレーター
（ハルバック型・ハイブリッド型）の磁石を固定するた
めには、図５に示す磁石・非磁性カセット形状が一般的
に用いられ、磁石はカセットに機械的手段か、または接
着剤により、またはこれらを併用して固定される。基本
的に磁石を機械的手段により固定することができるの
で、信頼性が高い固定方法である。さらに、カセットの
側面や底面に調整穴を設けることにより、磁場調整を行
うことが可能である。カセットは、フライスや旋盤によ
る加工ができるので、寸法精度も永久磁石に比較すれば
相対的に得易い。特に、積層方向の磁石の位置出し精度
は重要であるが、カセットと止め穴精度を確保すること
で、高い位置精度が得られる。このような理由から、カ
セットを用いた固定方法が一般的に使用されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、周期長が短
くなり、磁石厚みが薄くなってくると、種々の問題が生
じる。例えば、周期長10mmのハルバック型挿入光源を想
定すると、１つの磁石厚みは2.5mm と薄い。挿入光源用
途では、永久磁石個々の磁気特性ばらつきが、加速電子
の軌道に大きな乱れを生じる。したがって、永久磁石の
残留磁化ばらつきや角度ばらつきを最小限にしなければ
ならない。しかし、厚みの薄い磁石では幾つかの要因が
重畳して、磁気特性のばらつきが従来以上に大きくな
る。これらの要因は、１）磁石寸法精度の厚みに対する
相対ばらつきが大きくなる、２）磁石加工による表面劣
化層の体積比率が相対的に増加する、３）耐食性皮膜の
相対的厚みばらつきが大きくなる、などである。更に、
粉末冶金法による作製で、通常の磁気特性ばらつきが重
畳される。組み付け精度の面からも問題が生じる。挿入
光源において、対向磁石間の空隙距離は周期長の半分程
度にするのが普通である。周期長10mmの挿入光源では、
空隙距離は５mm前後で使用する事になる。磁石の寸法精
度は通常±0.05mm程度であるが、空隙方向に組み付け段
階で２％幅の磁場強度ばらつきを与え、電子の進行方向
には４％程度の積分磁場ばらつきを与える可能性があ
る。したがって、本発明の短周期挿入光源に使用する磁
石の寸法精度は、通常の周期長（30mm以上）を有する挿
入光源に比較して、1/2 〜1/3 以下のばらつきで製作さ
れねばならない。その結果、永久磁石の固定方法にも困
難が生じてくる。何故なら、例えば図５のカセットにお
いて、磁石の飛び出しを抑えるコマ止めの幅が小さくな
り、これをカセットに止めるネジは小さいものしか使用
できなくなる。例えば、周期長10mmのハルバック型挿入
光源では、磁石１個の厚みは 2.5mmとなり、磁石１個を
カセット１個に納めるとカセット厚みは 2.5mmである。
2.5mm厚みでは、磁石を固定するコマ止め固定には加工
やボルト頭の大きさを考慮すると、Ｍ１程度のボルトし
か使用できない。対向磁石間の吸引力は大きいため、磁
石の止めが十分でなくなる。カセットを使用しないで、
ベースに直接磁石を止める事は可能であるが、磁石間に
は反発・回転力が働くため、磁石を積層した時、磁石間
に隙間ができ易い。したがって、積層方向の磁石位置出
しが十分でなく、空隙の磁場強度分布に誤差を引き起こ
し易い。以上のような点から、周期長10mm以下の短周期
長挿入光源を実現するためには、従来法の延長や改良で
は十分でなく、新しい技術の提案が望まれている。

【０００５】本発明者は以前に、例えば図６のように磁
石ブロックをパルス磁場着磁によりＮ極２０、Ｓ極４０
を交互にかつ精密に制御着磁してなる短周期挿入光源を
提案した（特開平8‐255726号公報参照）。これは周期
長20mm以下の挿入光源を実現するものである。その特徴
は、１磁石ブロックで１周期分以上（通常のハルバック
型で４個以上の磁石に相当）の磁石数に相当するため、
磁石寸法精度要求が緩和される、磁石の加工劣化が軽減
される、磁石の固定法が従来通りでよい、組み付け精度
も磁石個数が減少する分緩和できる等であり、種々の利
点がある。しかし、この方法においては、着磁磁場分布
の精度と、着磁位置の精密制御が要求される。巻線をし
た着磁ヘッドで連続的に着磁を行うと、巻線部の抵抗に
よる発熱で巻線の抵抗が高くなり、発生するパルス磁場
強度分布が変化する。着磁磁場強度に対して希土類磁石
は非線形な着磁挙動を示すので、永久磁石の着磁パター
ンに変化が生じる可能性がある。特にＮ・Ｓ極の境界領
域（図６では２０と４０の境界領域）が影響を受けやす
い。結果的に、アンジュレーターに組み上げた時、磁場
分布に乱れが生じ、電子の不整軌道を招く。また、磁石
ブロックを着磁する時、着磁位置を精密に制御する必要
がある。着磁位置の不整は、一つ一つの磁石単位の厚み
分布を乱す事になる。したがって、着磁ヘッドまたは着
磁ヘッドに対する永久磁石の位置制御は±0.05mm以下、
望ましくは±0.02mm以下にする必要がある。これは非常
に厳しい要求であり、精密制御された着磁ヘッド駆動系
が必要とされる。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者らは上記の問題
を解決すべく、種々の検討を行った結果、本発明を完成
させた。すなわち本発明は、空隙方向磁化磁石ブロック
に周期的に 0.1〜１mmの切れ目を設け、該磁石ブロック
をパルス磁場で着磁して、該磁石ブロック一対で１周期
相当分以上の磁場が発生するように、該磁石ブロックを
複数個対向させてなることを特徴とする周期長が10mm以
下のハルバック型の挿入光源用磁石である。

【０００７】

【発明の実施の形態】本発明は周期長が10mm以下の短周
期長の挿入光源を実現するものである。以下、本発明の
挿入光源用の磁石ブロックの作製について、図に基いて
詳細に述べる。図１は本発明の平面アンジュレーターの
磁石ブロックの一例を示したものである。磁石ブロック
１は、挿入光源で１周期分以上に相当するもので、例え
ば図１に示す構造を有するものである。図１で、磁石ブ
ロック１は空隙方向２および４の方向に磁化容易軸を有
している。この磁石ブロック１を外周切断機、内周切断
機やワイヤーソーのような機械で、細い切れ目３（以
後、スリットとする）を複数個、周期的に設ける。該櫛
歯状磁石の歯の部分をＮ極、Ｓ極が交互になるように着
磁したのち、該磁石ブロックを複数個対向させ組み合わ
せてハルバック型アンジュレーターの配置に組み上げ
る。

【０００８】半周期分の磁場積分値を大きくするために
は、スリットの幅が小さい方が良い。しかし、Ｎ極、Ｓ
極遷移領域での着磁不良による積分誤差の増加を抑制す
るためには、スリット幅は大きい方が良い。したがっ
て、双方を両立させるために、スリット幅は0.1 〜１mm
の間が望ましい。また、磁石ブロック１を製作の観点か
らも、１mm以内のスリットであれば切断刃の厚みと同等
なので、内周または外周切断機でスリットを容易に入れ
ることができる。スリットの深さは、磁石ブロック櫛歯
磁石部の幅の２倍以上の深さがあればよいが、より望ま
しくは３倍の深さがあればよい。

【０００９】本発明の特徴の一つは、永久磁石の軸方向
に厚み誤差が集積しにくく、着磁も正確に行われること
である。何故なら、研削加工によってスリットを設け、
空隙方向磁化磁石１個分の位置を機械的に決めてしまう
ため、短周期長になっても１個１個の磁石厚み誤差の和
にならないので誤差が重畳しにくいためである。本発明
の挿入光源は、空隙方向磁化磁石のみで構成される事に
なるので、磁石ブロックの櫛歯２個分が１周期に相当す
る。したがって、10mm周期長であっても、磁石櫛歯の幅
は５mm近くの厚みを確保できる。磁石厚みが厚ければ、
加工に伴う表面磁気特性劣化層の比率が低下するので、
各櫛歯磁石１つ分の積分磁場分布は狭くなり、特性が揃
う。

【００１０】本発明者は既に、特願平9‐095542号明細
書で、磁石ブロックにスリットを設け、該スリットに軸
方向磁化磁石を挿入する複合磁石を組み合わせてなる挿
入光源を提案しており、該発明では、スリット部に軸方
向磁化磁石を挿入するため、磁場強度や磁場積分値を大
きく取る事ができる。しかし、薄い軸方向磁化磁石を製
作する必要があるため、軸方向磁化磁石については加工
劣化の影響が残る。本発明では、薄肉磁石を一切製作す
る必要がないので、発生磁場強度は前記発明と比較して
やや低下するが、磁気特性を揃え易く、かつ挿入光源の
組み上げも容易になる。

【００１１】本発明の着磁方法について詳細に説明す
る。図２の（ａ）はパルス磁場による着磁装置の断面模
式図を示したものであり、（ｂ）は（ａ）の磁束の流れ
を示した着磁装置の断面模式図である。着磁方法は、磁
石ブロック１を図のように配置し、コンデンサーバンク
７に充電した電荷を、サイリスタースイッチ８で瞬時に
放電すると、コイル９に短時間の間、大電流が流れ、大
きな磁場を永久磁石１に印加する事ができる。磁場を効
率よく発生するために、図２（ｂ）のようにＮ、Ｓの２
極ずつ着磁して、着磁ヘッド６で発生させた磁束が、Ｎ
１から永久磁石を経由してＳ１に戻ってくる閉磁路を組
むようにしている。この際、空隙磁化磁石方向に着磁磁
場が印加され、着磁磁束Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３は空隙方向磁
化磁石２、４を通って、閉磁路を形成する。なお、図２
（ａ）では磁石ブロック１の櫛歯２、４の一周期を着磁
しているが、着磁ヘッド６を複数個並べて複数周期の櫛
歯部分を同時に着磁することができる。

【００１２】着磁される１つの磁石２、４幅は、機械加
工された櫛歯状磁石ブロックの幅で決められているた
め、着磁ヘッド６の位置決め精度は緩くてよい。したが
って、着磁ヘッドのＮ１、Ｓ１の幅を櫛歯状磁石２、４
よりすこし大きめに作製しておけば、ほとんど一定の磁
場強度分布で着磁する事が可能となり、着磁遷移領域の
不完全着磁の問題は生じない。着磁磁場強度はピーク値
で1.19kA/m(15kOe) 以上あればほぼ着磁されるが、望ま
しくは1.43kA/m(18kOe) 以上がよい。パルス磁場で着磁
を行う場合、その幅は500μsec 以上あればよいが、望
ましくは2msec 以上ある方がよい。もちろん同様な着磁
を、静磁場を発生する電磁石で行うこともできるが、電
源が大規模になり、望ましくない。

【００１３】永久磁石の材質は、希土類焼結磁石であれ
ば、空隙中に強い磁場を形成できるので、SmCo系やRFeB
系（ Rは希土類元素、以下同じ）のどのような種類でも
よい。しかし、パルス磁場で組み上げ後着磁を行う場合
は、着磁が容易な RFeB 系の方が望ましい。磁石ブロッ
クは１周期分以上の厚みを有しているので、磁石保持を
従来と同様にカセット方式で行うことに何の問題も生じ
ない。カセットは非磁性であればAl系、SUS 、真鍮など
のどれでもよい。望ましくは摺動抵抗の高い SUSの方が
よい。該磁石ブロックを複数個組み合わせて短周期長ア
ンジュレーターを作製する時、周期長10mmと仮定する
と、１ｍ長で100 周期が得られる。アンジュレーターの
放射光強度は理想的には周期数Ｎの２乗に比例するの
で、コンパクトな加速器リングで非常に強力な光を発生
することが可能となる。

【００１４】

【実施例】次に、本発明の実施例を挙げる。 ［実施例］寸法40mm×40mm×20mmの NdFeB系焼結磁石ブ
ロック（信越化学工業社製、品番号 N42、磁化方向20mm
厚み方向）を公知の方法で作製し、この磁石ブロックに
外周切断機により 4.2mm間隔で幅 0.8mm、深さ15mmのス
リットを設け、これを40個作製した。この磁石ブロック
を一度にパルス着磁できるように、５周期分の着磁歯を
持つ着磁ヘッドを作製した。ヨークは純鉄の厚み0.5mm
打ち抜き薄板を積層して形成し、これに巻線を施した。
着磁ヘッドを磁石ブロック表面に接触・対向させ、4000
Ｖ×5000μＦのコンデンサーバンクに接続して、磁石ブ
ロックのパルス着磁を行ったが、この時のピーク磁場は
1.59kA/m(20kOe)を超えていた。磁石ブロックをSUS 316
L材質を使用して作製した非磁性カセットに収納し、こ
の磁石カセットを20個ずつ並べ、一対の磁石列を対向さ
せて、長さ800mm で周期数100 の短周期長アンジュレー
ターを作製した。対向磁石列間の空隙を４mmとし、空隙
中の磁場分布を小面積ホール素子で計測したところ、磁
場調整なしでピーク磁場分布が 1.5％に収まっているこ
とが確認でき、これにより非常に良好な磁場分布が得ら
れたことがわかった。

【００１５】

【発明の効果】本発明によれば、周期長10mm以下で、磁
場精度・磁石位置精度に優れた短周期長挿入光源を実現
することができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の挿入光源の磁石ブロックの概略図であ
る。

【図２】（ａ）本発明の挿入光源のパルス磁場による着
磁装置の断面模式図である。（ｂ）は（ａ）の磁束の流
れを示した着磁装置の断面模式図である。

【図３】（ａ）はアンジュレーターの斜視概略図であ
る。（ｂ）は（ａ）の周期磁場である。（ｃ）は（ａ）
の電子軌道である。

【図４】平面アンジュレーターの基本磁石配置の概略図
であり、（ａ）はハルバック型である。（ｂ）はハイブ
リッド型である。

【図５】平面アンジュレーターの磁石固定方法の一例を
示す断面図である。

【図６】従来の短周期長アンジュレーターの着磁パター
ンの一例である。

【符号の説明】

１‥‥‥‥ 磁石ブロック ２、４‥‥ 空隙方向磁化永久磁石 ３ ‥‥‥ スリット ６‥‥‥‥ 着磁ヘッド ７‥‥‥‥ コンデンサーバンク ８‥‥‥‥ サイリスタースイッチ ９‥‥‥‥ コイル ２０、４０‥‥‥空隙方向磁化永久磁石 ３０、５０‥‥‥軸方向磁化永久磁石 ３２‥‥‥ ポールピース Ｎ１、Ｓ１‥‥着磁ヘッドのＮ、Ｓ極 Ｂ、Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３‥‥着磁磁束の流れ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 空隙方向磁化磁石ブロックに周期的に
   0.1〜１mmの切れ目を設け、該磁石ブロックをパルス磁
   場で着磁して、該磁石ブロック一対で１周期相当分以上
   の磁場が発生するように、該磁石ブロックを複数個対向
   させてなることを特徴とする周期長が10mm以下のハルバ
   ック型の挿入光源用磁石。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の挿入光源用磁石におい
   て、該磁石ブロックをパルス磁場でＮ極、Ｓ極を交互に
   かつ一度に着磁することを特徴とする挿入光源用磁石の
   着磁方法。