JP2001250700A - スキュー６極磁場発生装置及びスキュー６極磁場発生方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 主として、デッドスペースを無くし、小型
化、省エネルギー型のスキュー６極磁場発生装置を提供
する。 【解決手段】 ２個の内磁極２２Ａ、２２Ｂと、２個の
外磁極２４Ａ、２４Ｂを左右対称に具備すると共に、所
定の間隙を隔ててこの２個の内磁極２２Ａ、２２Ｂと２
個の外磁極２４Ａ、２４Ｂが夫々上下対称になるように
配置された２つの鉄心２０Ａ、２０Ｂと、内外磁極合計
８個の磁極２２Ａ、２２Ｂ、２４Ａ、２４Ｂを夫々励磁
する励磁用コイル２６Ａ、２６Ｂ、２８Ａ、２８Ｂとを
備えた構成とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本願発明は、主として電子蓄
積リングのビームサイズの調整に用いられるスキュー６
極磁場発生装置と、このスキュー６極磁場発生装置を用
いて所望のスキュー６極磁場を発生させることができる
ようにしたスキュー６極磁場発生方法と、このスキュー
６極磁場発生装置を備えた電子蓄積リングのビームサイ
ズの調整方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】高エネルギーで運動している電子（陽電
子を含む。）は、その軌道を強制的に変更されると、接
線方向にシンクロトロン放射光（以下、「ＳＲ」とい
う。）を放出するという性質を有している。この性質を
利用して、所望の波長及び強度のＳＲの光源として用い
ることを目的とした小型電子蓄積リングが実用に供され
ている。この小型電子蓄積リングの基本原理は、特願平
１１−２２７０５１に比較的詳細に説明されており、本
願明細書では、図８を用いて、その基本構成を簡単に説
明するのにとどめる。

【０００３】図８に小型電子蓄積リングの一例として、
レーストラック型の電子蓄積リング１００の平面図を示
す。このタイプの電子蓄積リング１００では、図８に示
すように１８０度偏向型の偏向電磁石１１０Ａ、１１０
Ｂを対向配置し、高真空に保たれたビームダクト１３０
内の周回軌道に、入射器１４０からセプタム電磁石１２
０を介して入射された電子（以下「電子ビーム」ともい
う。）を磁場の偏向作用により所望のエネルギーで、水
平面内の周回設計軌道（以下、「閉軌道」という場合も
ある。）内に蓄積する。

【０００４】また、電子蓄積リング１００の他の主要構
成としては、電子ビームを設計軌道内に収束する四重極
電磁石１５０Ａ、１５０Ｂ、蓄積した電子ビームにエネ
ルギーを供給する高周波加速空胴１６０、電子を入射す
る際の入射軌道を形成するパータベーター電磁石１７
０、ビームダクト１３０内の周回設計軌道上に電子ビー
ムが設計通り蓄積されているかどうかをモニタリングす
るビームポジションモニタ１８０が挙げられる。

【０００５】図８に示す電子蓄積リング１００は、主と
してＳＲ用光源として開発された典型的な電子加速器で
ある。蓄積する電子ビームの電流が大きく、強磁場で偏
向電磁石の曲率半径を小さくして、ＳＲの臨界波長を比
較的高エネルギーのＸ線領域まで短くし、特に、Ｘ線リ
ソグラフィー用の小型光源として使用されることを目的
としている。

【０００６】ところで、電子蓄積リング１００に蓄積さ
れる電子ビームは、ビームの進行方向に対し水平方向
（Ｘ方向）及び垂直方向（Ｙ方向）に分布する電子群で
構成される。ＳＲの光源は電子ビームであるから、電子
ビームのＸ、Ｙ方向のビームサイズが小さければ、高輝
度で、光のビームスポットが小さいＳＲを発生させるこ
とができる。例えば、図８に示す電子蓄積リング１００
では、ビームサイズは、Ｘ方向で１ｍｍ程度、Ｙ方向で
０．１ｍｍ程度である。

【０００７】しかし、電子のビームサイズが小さくなる
と、電子同士の相互作用等のため電子が離散し、電子ビ
ームを電子蓄積リングに蓄積できる電子ビームの寿命
（ライフタイム）が短くなってしまうケースがある。こ
れでは、安定なＳＲの光源とはなり得ず、また、再度電
子を入射させる作業から運転を再開しなければならず、
作業効率が悪くなるという問題がある。従って、電子蓄
積リング１００の運転状況によっては、電子ビームのビ
ームサイズを拡大する必要が生じる場合がある。

【０００８】この電子ビームのビームサイズを拡大する
方法としては、スキュー４極磁場、または、スキュー６
極磁場等を利用して、電子ビームを共鳴させて拡大する
方法が、従来より確立されている。以下、この方法につ
いて、図８を参照して詳細に説明する。

【０００９】先ず、一般に、図８に示すような電子蓄積
リング１００に蓄積される電子のベータトロン振動につ
いて説明する。蓄積電子は、電子蓄積リング１００に入
射された際に、既にある一定の広がりを持つので、全電
子が設計された閉軌道上を周回するのではなく、その設
計軌道を中心に電子蓄積リング１００の閉軌道を１周す
る間に、閉軌道を中心として、その閉軌道に垂直な平面
内において微小振動をする。この微小振動のことをベー
タトロン振動といい、電子が閉軌道を１周する間に振動
する回数のことをベータトロン振動数又はベータトロン
チューン、或いは単にチューンという。

【００１０】蓄積電子に、例えば、図８に示すような偏
向電磁石１１０Ａ、１１０Ｂでのダイポール磁場等の線
型磁場だけを作用させておくと、Ｘ方向、Ｙ方向のベー
タトロン振動は夫々独立に振動する。しかし、スキュー
４極磁場、或いは、スキュー６極磁場等の非線型の磁場
が作用すると、Ｘ方向、Ｙ方向のベータトロン振動がカ
ップリングを起こし、水平方向のチューンν_Xと垂直方
向のチューンν_Yとが、ある関係を満たすとき、或い
は、その関係の近傍にある時に共鳴し、電子のビームサ
イズが拡大したり、極端な場合は電子ビームが飛び散っ
て消滅したりする現象が起きる。

【００１１】例えば、磁場がスキュー４極磁場である場
合は、Ｘ、Ｙ方向のチューン（ν_X，ν_Y）がν_X−ν_Y＝
（整数）の関係を満たすとき、或いはこの近傍にあると
きに共鳴を起こすことが知られている。また、磁場がス
キュー６極磁場である場合は、Ｘ、Ｙ方向のチューン
（ν_X，ν_Y）が２ν_X−ν_Y＝（整数）の関係を満たすと
き、或いは、この近傍にあるときに共鳴を起こすことが
知られている。

【００１２】次に、スキュー６極磁場について説明す
る。先ず、スキュー６極磁場を発生させる従来のスキュ
ー６極電磁石について図９を用いて説明する。図９は、
従来のスキュー６極電磁石２００の概略構成を示す縦断
側面図である。従来のスキュー６極電磁石２００の主要
構成は、等角度で回転対称に放射状に配置された６つの
磁極２１０、外側鉄心２２０、磁極２１０を励磁する６
つの励磁用コイル２３０である。なお、同図において、
２４０は、スキュー６極電磁石２００を固定して電子蓄
積リングに取り付ける支持部である。

【００１３】次に、従来のスキュー６極電磁石２００を
用いて、所望のスキュー６極磁場を発生させる方法につ
いて、図９を用いて説明する。従来のスキュー６極電磁
石２００では、図９に示すように、励磁用コイル２３０
で６つの磁極２１０を、ＮＳの極性が交互となるよう
に、同一の励磁電流量で励磁する。

【００１４】すると、Ｎ極に励磁された磁極２１０から
隣接するＳ極に励磁された磁極２１０に流れる磁束が発
生し、磁極２１０形状、励磁電流量の対称性から、回転
対称な、次式（１）、（２）で表される所望のスキュー
６極磁場を発生させることができる。 Ｂ_X＝ｋ₆（ｘ²−ｙ²） （１） Ｂ_y＝−２ｋ₆ｘｙ （２）

【００１５】ここで、ｋ₆は、スキュー６極電磁石２０
０の形状、励磁電流量で定められるスキュー６極磁場の
強さを示すパラメータである。なお、スキュー６極電磁
石とは、通常の６極電磁石を３０度（隣接する磁極同士
が成す角の半分の角度）回転させて電子蓄積リングに取
り付けるようにしたものである。

【００１６】従って、スキュー６極電磁石２００を用い
て、電子蓄積リング１００に非線型のスキュー６極磁場
を発生させると、上述したように、Ｘ、Ｙ方向のチュー
ン（ν_X，ν_Y）が２ν_X−ν_Y＝（整数）の関係を満たす
とき、或いはこの近傍にあるときに共鳴を起こすことを
利用して、電子ビームのビームサイズを拡大して、ビー
ムの寿命を長くすることができる。

【００１７】共鳴により電子ビームのビームサイズが拡
大する理由を以下、簡単に説明する。一般に、ベータト
ロン振動の振幅は、図８に示すような偏向電磁石１１０
Ａ、１１０Ｂで水平方向で偏向されるために、水平方向
（Ｘ方向）の方が大きいという性質がある。従って、
Ｘ、Ｙ方向のベータトロン振動を非線型磁場であるスキ
ュー６極磁場でカップリングして、共鳴させると、Ｘ方
向のベータトロン振動がＹ方向のベータトロン振動に伝
搬し、主としてＹ方向のビームサイズが拡大し、結果と
してビームサイズが拡大するというものである。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、電子蓄積リ
ングでは、電子ビームは安定に蓄積されているときは、
ベータトロン振動等を考慮したとしても、設計軌道を中
心として、水平方向、垂直方向共にほぼ±１．０ｃｍの
範囲内で蓄積されている。従って、ビームダクトのサイ
ズもこれに合わせて設計できれば、電子蓄積リングの製
造コストを大幅に削減することができる。

【００１９】しかし、実際は、電子蓄積リング１００で
は、図８に示す入射器１４０で、電子蓄積リング１００
に入射させられた後、セプタム電磁石１２０と衝突して
消滅してしまう事態を防止するために、バンプ電磁石１
７０にパルス電流を流し、瞬間的に励磁させて、パルス
の立ち下がりを使って電子ビームを水平方向で偏向し、
入射軌道といわれる入射時のみ変形された軌道を形成し
て電子ビームの入射を行う。これにより、電子は入射後
もセプタム電磁石１２０と衝突することなく、設計軌道
に安定して周回するようになる。

【００２０】従って、電子ビームは入射時に、水平方向
で大きく偏向されるために、ビームダクト１３０の内壁
と衝突して消滅しないように、ビームダクト１３０は、
図１０に示すように、断面形状は、水平方向に偏って広
い扁平なレーストラック型をしている。図１０には、ビ
ームダクト１３０の一例として、水平方向の幅１２．０
ｃｍ、垂直方向の幅４．５ｃｍのものを示している。

【００２１】一方、図９に示す従来のスキュー６極電磁
石２００は、正確なスキュー６極磁場を発生させるため
には、磁極２１０先端部は円形状に配置しなければなら
ず、そのため、図１０に示す水平方向の幅１２．０ｃ
ｍ、垂直方向の幅４．５ｃｍの扁平なビームダクト１３
０に取り付ける場合でも、内径を幅が広い方の水平方向
の幅１２．０ｃｍに合わせざるを得ない。

【００２２】このように、スキュー６極電磁石２００の
内径を大きくすると、上下方向に大きなデッドスペース
を生むことになる。また、スキュー６極電磁石２００の
外径も大きくしなければならない。更に、内径に合わせ
て、各磁極２１０の起磁力も大きくしなければならず、
容量の大きな電源を用いなければならないことや、励磁
用コイル２３０の発熱の問題を解決しなければならない
などの様々な問題が生じてくる。

【００２３】本願発明は、上記課題（問題点）を解決
し、デッドスペースを無くし、小型化、省エネルギー型
のスキュー６極磁場発生装置、及び、このスキュー６極
磁場発生装置を用いて所望のスキュー６極磁場を発生さ
せることができるようにしたスキュー６極磁場発生方法
と、このスキュー６極磁場発生装置を備えた電子蓄積リ
ングのビームサイズの調整方法を提供することを目的と
する。

【００２４】

【課題を解決するための手段】本願発明のスキュー６極
磁場発生装置は、請求項１に記載のものでは、２ｎ個の
磁極を左右対称に具備すると共に、所定の間隙を隔てて
この２ｎ個の磁極が上下対称となるように配置された２
つの鉄心と、前記上下４ｎ個の磁極を夫々励磁する励磁
用コイルとを備えた構成とした。但し、ｎは２以上の自
然数とする。

【００２５】このように構成すると、ビームダクトの扁
平な形状に合わせて磁極形状を形成することが可能とな
るので、ビームダクトの形状に起因する無駄なデッドス
ペースを無くすことができる。また、従来のスキュー６
極電磁石に比較して、磁極間ギャップを小さく設計でき
る結果、各磁極を励磁する励磁電流量も削減できるの
で、大型電源を用いる必要もなく、励磁用コイルの発熱
の問題もなく、エネルギー消費量を低減したスキュー６
極磁場発生装置とすることができる。

【００２６】請求項２に記載のスキュー６極磁場発生装
置では、２個の内磁極と、２個の外磁極を左右対称に具
備すると共に、所定の間隙を隔ててこの２個の内磁極と
２個の外磁極が夫々上下対称になるように配置された２
つの鉄心と、前記内外磁極合計８個の磁極を夫々励磁す
る励磁用コイルとを備えた構成とした。

【００２７】このように構成すると、最も簡単な構成の
スキュー６極磁場発生装置とすることができ、スキュー
６極磁場発生装置の製造コストを削減することができ
る。

【００２８】請求項３に記載のスキュー６極磁場発生装
置では、上記外磁極の磁極幅を上記内磁極の磁極幅より
も大きくなるように磁極を形成した構成とした。

【００２９】このように構成すると、磁場成分の調整が
容易になり、操作性に優れたスキュー６極磁場発生装置
とすることができる。

【００３０】請求項４に記載のスキュー６極磁場発生方
法では、請求項１に記載のスキュー６極磁場発生装置に
おいて、上記４ｎ個の磁極を夫々上下対称で、左右反対
称に、所定の励磁電流量で励磁することにより、所望の
スキュー６極磁場を発生させるようにした。

【００３１】このようにすると、コンパクトなスキュー
６極磁場発生装置を用いて所望のスキュー６極磁場を正
確に発生させることができるようになり、スペース、電
源、励磁用コイルの発熱の問題を一括して解決できる。

【００３２】請求項５に記載のスキュー６極磁場発生方
法では、請求項２又は３に記載のスキュー６極磁場発生
装置において、上記４個の内磁極と上記４個の外磁極を
夫々上下対称で、左右反対称に所定の励磁電流量で励磁
することにより、所望のスキュー６極磁場を発生させる
ようにした。

【００３３】このようにすると、最も構成が簡単なスキ
ュー６極磁場発生装置を用いて簡易にスキュー６極磁場
を正確に発生させることができる。

【００３４】請求項６に記載の電子蓄積リングのビーム
サイズの調整方法では、請求項１乃至３のいずれかに記
載のスキュー６極磁場発生装置を備えた電子蓄積リング
において、前記スキュー６極磁場発生装置で所望のスキ
ュー６極磁場を発生させて、蓄積電子（陽電子を含む）
のビームサイズを調整するようにした。

【００３５】このようにすると、電子蓄積リング全体の
消費電力量を抑えられ、電子蓄積リングの維持コストを
低減することができる。また、スキュー６極磁場発生装
置自体が小型化されるので、電子蓄積リングのスペース
を有効利用することが可能になり、電子蓄積リング本体
の小型化にも寄与できるようになる。

【００３６】

【発明の実施の形態】本願発明のスキュー６極磁場発生
装置（以下、簡単に「磁場発生装置」とのみいう場合が
ある。）及び、この磁場発生装置を用いて所望のスキュ
ー６極磁場を発生させるスキュー６極磁場発生方法と、
このスキュー６極磁場発生装置を備えた電子蓄積リング
のビームサイズの調整方法を、図１乃至図７を用い、図
８を参照して、順次説明する。

【００３７】本願発明のスキュー６極磁場発生装置の一
実施の形態について、図１乃至図７を用いて説明する。
先ず、本願発明の磁場発生装置の基本構成を図１及び図
２を用いて説明する。図１は、本願発明のスキュー６極
磁場発生装置１０の概略構成を示す縦断側面図である。
また、図２は、ビームダクト１３０に本願発明の磁場発
生装置１０を取り付けた状態を示す縦断側面図である。

【００３８】本願発明の磁場発生装置１０は、夫々２個
の内磁極２２Ａ、２２Ｂと、２個の外磁極２４Ａ、２４
Ｂを左右対称に備えた２つの鉄心２０Ａ、２０Ｂを上下
対称に配置し、各々計４つの内磁極２２Ａ、２２Ｂに、
内磁極励磁用コイル２６Ａ、２６Ｂ、各々計４つの外磁
極２４Ａ、２４Ｂに、外磁極励磁用コイル２８Ａ、２８
Ｂを巻回した構成である。また、図２に示すように、本
願発明の磁場発生装置１０では、２つの鉄心２０Ａ、２
０Ｂを上下対称に配置する構成としたために、２つの鉄
心２０Ａ、２０Ｂのギャップを、扁平なビームダクト１
３０の形状に適合させて、最小限に設計することが可能
になっている。

【００３９】なお、鉄心２０Ａ、２０Ｂ及び内磁極２２
Ａ、２２Ｂ、外磁極２４Ａ、２４Ｂは、鉄又は強磁性体
で構成される。また、３０は、鉄心２０Ａ、２０Ｂを側
面から固定支持する支持材であるが、特に、鉄又は強磁
性体で構成する必要はない。

【００４０】次に、本願発明の磁場発生装置１０を用い
て、所望のスキュー６極磁場を発生させる方法につい
て、図１乃至図３を用いて説明する。図３は、本実施の
形態で各内外磁極２２Ａ、２２Ｂ、２４Ａ、２４Ｂを励
磁した場合の磁束の流れの計算結果を示す側面図であ
る。

【００４１】ところで、図１に示す上下左右対称の磁極
２２Ａ、２２Ｂ、２４Ａ、２４Ｂに、上下対称で、左右
反対称の励磁電流を流して磁場を形成すると、任意の磁
場分布にはならず、図３の磁束の流れ図に示すように、
上下左右対称の磁場分布になる。図２には、ＮＳの極性
が左右反対称になることが、図３には上下対称で左右反
対称に励磁された磁極２２Ａ、２２Ｂ、２４Ａ、２４Ｂ
の磁束の流れが示されている。また、一般に、このよう
な対称磁場は、スキュー（４ｎ＋２）極磁場の重ね合わ
せになることが知られている。但し、ここでｎは０以上
の整数である。

【００４２】即ち、上記励磁電流の励磁条件で本願発明
の磁場発生装置１０で磁場を発生させると、その磁場Ｂ
_X（ｘ，ｙ）、Ｂ_Y（ｘ，ｙ）は、式（３）、（４）に示
すようにスキュー多磁極成分の総和で表すことができ
る。 Ｂ_X（ｘ，ｙ）＝Ｂ_X ²（ｘ，ｙ）＋Ｂ_X ⁶（ｘ，ｙ）＋Ｂ_X ¹⁰（ｘ，ｙ） ＋Ｂ_X ¹⁴（ｘ，ｙ）＋・・・ （３） Ｂ_Y（ｘ，ｙ）＝Ｂ_Y ²（ｘ，ｙ）＋Ｂ_Y ⁶（ｘ，ｙ）＋Ｂ_Y ¹⁰（ｘ，ｙ） ＋Ｂ_Y ¹⁴（ｘ，ｙ）＋・・・ （４）

【００４３】ここで、Ｂ_X ^m（ｘ，ｙ）、Ｂ_Y ^m（ｘ，ｙ）
は、スキューｍ極磁場の夫々Ｘ方向（水平方向）、Ｙ方
向（垂直方向）成分である。但し、ｍ＝２、６、１０、
１４・・・である。なお、スキューｍ極磁場とは、ｍ個
の磁極を有するスキューｍ極電磁石が発生する磁場であ
り、ｍ＝６については図９に示されているスキュー６極
電磁石２００が生成する磁場であるので、他のスキュー
多極磁場についても容易に理解されよう。

【００４４】また、各スキューｍ極磁場の各成分は、具
体的には以下のように示される。スキュー２極磁場（ス
キューダイポール磁場）の場合 Ｂ_X ²（ｘ，ｙ）＝ｋ₂ （５） Ｂ_Y ²（ｘ，ｙ）＝０ （６） スキュー６極磁場の場合（再掲） Ｂ_X ⁶（ｘ，ｙ）＝ｋ₆（ｘ²−ｙ²） （７） Ｂ_Y ⁶（ｘ，ｙ）＝−２ｋ₆ｘｙ （８）

【００４５】 スキュー１０極磁場の場合 Ｂ_X ¹⁰（ｘ，ｙ）＝ｋ₁₀（ｘ⁴−６ｘ²ｙ²＋ｙ⁴） （９） Ｂ_Y ¹⁰（ｘ，ｙ）＝−４ｋ₁₀（ｘ³ｙ−ｘｙ³） （１０） スキュー１４極磁場の場合 Ｂ_X ¹⁴（ｘ，ｙ）＝ｋ₁₄（ｘ⁶−１５ｘ⁴ｙ²＋１５ｘ²ｙ⁴−ｙ⁶） （１１） Ｂ_Y ¹⁴（ｘ，ｙ）＝−２ｋ₁₄（３ｘ⁵ｙ−１０ｘ³ｙ³＋３ｘｙ⁵） （１２）

【００４６】式（５）乃至（１２）が示すように、磁極
の極数ｍが高くなるほど、ｘやｙの次数も高くなる。こ
のことは、電子ビームの中心となる原点近傍には、磁極
数が高い磁場は殆ど現れないことを示している。

【００４７】ところで、図２に示すように、実際に電子
蓄積リングに蓄積される電子ビームでは、ビームサイズ
は、同図にＢで示すように水平方向、垂直方向で１〜
０．１ｍｍ程度以内であり、ビーム軌道はベータトロン
振動等を考慮しても同図にＴで示すように精々±１ｃｍ
以内には収まる。従って、本願発明のスキュー６極磁場
発生装置１０を実際に利用したときは、スキュー１０極
磁場以上の多極磁場成分は殆ど問題にならないことにな
る。なお、このことについては、後の磁場計算により検
証を行う。

【００４８】従って、主として、スキュー２極磁場（ス
キューダイポール磁場）とスキュー６極磁場について検
討すればよいことが理解される。ところで、スキュー２
極磁場は、磁場成分を式（５）、（６）に表すように、
荷電粒子である電子の軌道を偏向させる磁場であり、こ
の成分が残留すると電子軌道を変化させ、不都合が生じ
る。

【００４９】従って、スキュー２極磁場を残留させる
と、本願発明のスキュー６極磁場発生装置１０を実際に
電子蓄積リングに利用できなくなるという問題が生じ
る。しかし、図１に示す内磁極励磁用コイル２６Ａ、２
６Ｂに流す励磁電流量、外磁極励磁用コイル２８Ａ、２
８Ｂに流す励磁電流量を調整すれば、このスキュー２極
磁場を打ち消して、所望のスキュー６極磁場だけを選択
して発生させることが可能となる。

【００５０】即ち、本願発明のスキュー６極磁場発生装
置１０を用いると、４個の内磁極２２Ａ、２２Ｂと４個
の外磁極２４Ａ、２４Ｂを夫々上下対称で、左右反対称
に励磁すると共に、スキュー２極磁場成分が発生しない
ように、各電源（図示せず）を独立にして、内磁極励磁
用コイル２６Ａ、２６Ｂに流す励磁電流量、外磁極励磁
用コイル２８Ａ、２８Ｂに流す励磁電流量を調整すれ
ば、所望のスキュー６極磁場を発生させることができ
る。

【００５１】上記考察に基づき、具体的なスキュー６極
磁場発生装置１０を用いて磁場計算を行ったが、その計
算結果について図４乃至図７を用いて説明する。図４
は、本実施の形態のスキュー６極磁場発生装置１０が実
際に生成する磁場の計算結果を示す特性図である。図５
は、図４に基づいたスキュー６極磁場成分の分布を示す
特性図である。図６は、図４に基づいたスキュー１０極
磁場成分の分布を示す特性図である。図７は、図４に基
づいたスキュー１４極磁場成分の分布を示す特性図であ
る。なお、図６及び図７において、スキュー１０極磁場
成分及びスキュー１４極磁場成分の特性図を示したの
は、設計軌道中心ではこれらのスキュー多極成分は、電
子ビームに殆ど影響を与えないことを示すためである。

【００５２】上記したスキュー６極磁場発生方法に基づ
いて、内磁極励磁用コイル２６Ａ、２６Ｂに、７４０Ａ
Ｔ［アンペア・ターン］の励磁用電流を、外磁極励磁用
コイル２８Ａ、２８Ｂに２２８０ＡＴの励磁用電流を流
した具体例について説明する。この条件において、Ｘ方
向（水平方向）については０．１ｃｍ刻みで、Ｙ方向
（垂直方向）については０．５ｃｍ刻みで磁場を計算し
た。

【００５３】この結果を図４に示すが、曲線は、軌道
中心より垂直方向に±０．０ｃｍ地点において、水平方
向（Ｘ方向）の磁場の変化を関数フィッティングさせた
結果求められた特性曲線である（図中「ＦＩＴ（Ｙ＝
０．０）と記されている）。以下、〜についても、
Ｙを０．５ｃｍ移動させて、同様の特性曲線を求めてい
る。

【００５４】この特性曲線を解析することにより、各ス
キュー多極磁場成分の係数ｋ_mを算出することができる
が、その結果を以下に示す。 ｋ₂＝０．３５４６５Ｇ［ガウス］ ｋ₆＝−９３．８１０Ｇ／ｃｍ² ｋ₁₀＝４．６２１２Ｇ／ｃｍ⁴ ｋ₁₄＝−０．０４２８２４Ｇ／ｃｍ⁶

【００５５】上記のように、内磁極励磁用コイル２６
Ａ、２６Ｂ及び外磁極励磁用コイル２８Ａ、２８Ｂに流
す励磁用電流を調整することにより、スキュー２極磁場
成分が、ｋ₂＝０．３５４６５Ｇと殆ど問題にならない
ほどの小さな値にでき、スキュー２極磁場を消すことが
できたことが示されている。

【００５６】また、この結果に基づいて、他の各スキュ
ー多極磁場成分を求めたが、各スキュー多極磁場成分の
分布を図５乃至図７に示す。図５には、スキュー６極磁
場成分分布を示す特性曲線〜が、垂直方向（Ｙ方
向）に０．５ｃｍ刻みで示されている。図６には、スキ
ュー１０極磁場成分分布を示す特性曲線〜が、垂直
方向（Ｙ方向）に０．５ｃｍ刻みで示されている。ま
た、図７には、スキュー１４極磁場成分分布を示す特性
曲線〜が、垂直方向（Ｙ方向）に０．５ｃｍ刻みで
示されている。

【００５７】図５乃至図７を分析して結論できること
は、先ず、ビーム軌道の範囲内での水平、垂直方向で±
１ｃｍの範囲内では、図９に示す従来のスキュー６極電
磁石２００と等価のスキュー６極磁場を発生させること
ができたことであり、また、スキュー１０極磁場成分と
スキュー１４極磁場成分は合算しても２０Ｇ程度であ
り、スキュー６極磁場成分の多くても数パーセント程度
の範囲内に収まり、殆ど影響を及ぼさないことである。
なお、スキュー１０極磁場成分とスキュー１４極磁場成
分について付言すれば、この程度の多極磁場成分は、図
９に示す従来のスキュー６極電磁石２００でも発生して
おり、実用には何ら支障がない程度のものである。

【００５８】以上、所望のスキュー６極磁場を発生させ
る方法について、具体例を用いて説明したが、電子蓄積
リングの運転状況によって、スキュー６極磁場自体の強
度を調整する必要がある場合がある。このときは、上述
した内磁極励磁用コイル２６Ａ、２６Ｂ及び外磁極励磁
用コイル２８Ａ、２８Ｂに流す励磁用電流の比を固定し
て、各励磁用電流量を調節すれば容易に実現できる。即
ち、本願発明のスキュー６極磁場発生装置１０を用いれ
ば、磁極２２Ａ、２２Ｂ、２４Ａ、２４Ｂの磁気飽和に
よる上限はあるものの、所望のスキュー６極磁場を容易
に発生させることができる理解される。

【００５９】以上が、本願発明のスキュー６極磁場発生
装置１０によるスキュー６極磁場発生方法の原理である
が、以下、磁場発生装置１０の細部について検討する。
先ず、本願発明のスキュー６極磁場発生装置１０の形状
を考慮すると、磁極２２Ａ、２２Ｂ、２４Ａ、２４Ｂ間
ギャップが、扁平なビームダクト１３０の垂直方向の幅
に合わせて形成することが可能である。これにより、従
来、扁平な形状に起因して発生していたデッドスペース
を無くすことができ、スキュー６極磁場発生装置１０自
体の大きさをコンパクトにできることになる。

【００６０】また、磁場発生装置１０自体の大きさをコ
ンパクトにできる結果、各磁極２２Ａ、２２Ｂ，２４
Ａ、２４Ｂを励磁する励磁電流量も削減できるので、大
型電源を用いる必要もなく、励磁用コイルの発熱の問題
もなく、エネルギー消費量を低減したスキュー６極磁場
発生装置とすることができる。

【００６１】更に、図１に示すように、本願発明のスキ
ュー６極磁場発生装置１０では、外磁極２４Ａ、２４Ｂ
の磁極幅を内磁極２２Ａ、２２Ｂの磁極幅よりも大きく
なるように磁極を形成している。図２に示すように、外
磁極２４Ａ、２４Ｂの磁極幅は４０ｍｍ、内磁極２２
Ａ、２２Ｂの磁極幅は１５ｍｍである。これは、内磁極
２２Ａ、２２Ｂは軌道中心に近く、大きな磁場を発生さ
せる必要はないが、外磁極２４Ａ、２４Ｂでは、スキュ
ー２極磁場成分を打ち消すように磁場を強くしなければ
ならないためである。従って、このように磁極２２Ａ、
２２Ｂ、２４Ａ、２４Ｂを形成すると、磁場成分の調整
が容易になり、操作性に優れたスキュー６極磁場発生装
置１０とすることができる。

【００６２】なお、上記実施の形態では、磁場の水平方
向の成分について説明したが、垂直成分についても全く
同様であり、説明は割愛している。また、上記実施の形
態では、説明の便宜上、磁場の計算シミュレーションで
説明した。実際のスキュー６極磁場発生装置１０に適用
する場合でも、内磁極励磁用コイル２６Ａ、２６Ｂ及び
外磁極励磁用コイル２８Ａ、２８Ｂに流す励磁用電流の
比は、例えば、一方の励磁電流量を固定し、ホール素子
等の磁場測定器で磁場を測定しながら、他方の励磁電流
量を変化させる方法を用いれば、スキュー２極磁場成分
が打ち消される励磁電流量は簡単に求められるので、実
用に際しては何ら問題になることはない。

【００６３】最後に、本願発明のスキュー６極磁場発生
装置１０を備えた電子蓄積リングにおいて、この磁場発
生装置１０を用いて、電子蓄積リングのビームサイズを
調整する方法について、図８を参照して簡単にコメント
する。

【００６４】従来の方法と同様に、本願発明のスキュー
６極磁場発生装置１０を用いて所望のスキュー６極磁場
を発生させれば、ベータトロンチューンの共鳴を利用し
てビームサイズを調整できるので、ここで改めて説明し
ない。一方、本願発明の磁場発生装置１０を、図８に示
す電子蓄積リング１００に用いると、電子蓄積リング１
００全体の消費電力量を抑えられ、電子蓄積リング１０
０の維持コストを低減することができる。また、スキュ
ー６極磁場発生装置１０自体が小型化されるので、電子
蓄積リング１００のスペースを有効利用すること、及
び、電子蓄積リング１００自体の小型化が可能になると
いう効果が得られ、実用面では計り知れないメリットが
挙げられる。

【００６５】本願発明のスキュー６極磁場発生装置は上
記各実施の形態に限定されず種々の変更が可能である。
例えば、上記実施の形態では、磁極数が上下各４個のも
ので説明したが、磁極数が上下各４以上の偶数存在すれ
ば同様に各磁極への励磁電流量を調整することにより、
所望のスキュー６極磁場を発生させることができるのは
勿論のことである。

【００６６】また、磁極幅についても、上記実施の形態
で説明したように、外磁極の幅が、内磁極の幅よりも広
いことが望ましい。しかし、励磁電流量を調整すればス
キュー２極磁場成分を打ち消すことが可能であるので、
この条件は必ずしも本願発明のスキュー６極磁場発生装
置の構成要件としなくても良い。

【００６７】

【発明の効果】（１）本願発明のスキュー６極磁場発生
装置は、請求項１に記載したように、２ｎ個の磁極を左
右対称に具備すると共に、所定の間隙を隔ててこの２ｎ
個の磁極が上下対称となるように配置された２つの鉄心
と、上下４ｎ個の磁極を夫々励磁する励磁用コイルとを
備えた構成とすると、ビームダクトの扁平な形状に合わ
せて磁極形状を形成することが可能となるので、ビーム
ダクトの形状に起因する無駄なデッドスペースを無くす
ことができる。 （２）また、従来のスキュー６極電磁石に比較して、磁
極間ギャップを小さく設計できる結果、各磁極を励磁す
る励磁電流量も削減できるので、大型電源を用いる必要
もなく、励磁用コイルの発熱の問題もなく、エネルギー
消費量を低減したスキュー６極磁場発生装置とすること
ができる。

【００６８】（３）請求項２に記載したように、２個の
内磁極と、２個の外磁極を左右対称に具備すると共に、
所定の間隙を隔ててこの２個の内磁極と２個の外磁極が
夫々上下対称になるように配置された２つの鉄心と、内
外磁極合計８個の磁極を夫々励磁する励磁用コイルとを
備えた構成すると、最も簡単な構成のスキュー６極磁場
発生装置とすることができ、スキュー６極磁場発生装置
の製造コストを削減することができる。

【００６９】（４）請求項３に記載したように、外磁極
の磁極幅を内磁極の磁極幅よりも大きくなるように磁極
を形成した構成とすると、励磁電流量の調整が容易にな
り、操作性に優れたスキュー６極磁場発生装置とするこ
とができる。

【００７０】（５）本願発明のスキュー６極磁場発生方
法では、請求項４に記載したように、請求項１に記載の
スキュー６極磁場発生装置において、４ｎ個の磁極を夫
々上下対称で、左右反対称に、所定の励磁電流量で励磁
することにより、所望のスキュー６極磁場を発生させる
ようにすると、コンパクトなスキュー６極磁場発生装置
を用いて所望のスキュー６極磁場を正確に発生させるこ
とができるようになり、スペース、電源、励磁用コイル
の発熱の問題を一括して解決できる。

【００７１】（６）請求項５に記載したように、請求項
２又は３に記載のスキュー６極磁場発生装置において、
４個の内磁極と４個の外磁極を夫々上下対称で、左右反
対称に所定の励磁電流量で励磁することにより、所望の
スキュー６極磁場を発生させるようにすると、最も構成
が簡単なスキュー６極磁場発生装置を用いて簡易にスキ
ュー６極磁場を正確に発生させることができる。

【００７２】（７）本願発明の電子蓄積リングのビーム
サイズの調整方法では、請求項６に記載したように、本
願発明のスキュー６極磁場発生装置を備えた電子蓄積リ
ングにおいて、このスキュー６極磁場発生装置で所望の
スキュー６極磁場を発生させて、蓄積電子のビームサイ
ズを調整するようにすると、電子蓄積リング全体の消費
電力量を抑えられ、電子蓄積リングの維持コストを低減
することができる。 （８）また、スキュー６極磁場発生装置自体が小型化さ
れるので、電子蓄積リングのスペースを有効利用するこ
とが可能になり、電子蓄積リング本体の小型化にも寄与
できるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本願発明のスキュー６極磁場発生装置の概略構
成を示す縦断側面図である。

【図２】ビームダクトに本願発明の磁場発生装置を取り
付けた状態を示す縦断側面図である。

【図３】本願発明のスキュー６極磁場発生装置で各内外
磁極を励磁した場合の磁束の流れの計算結果を示す側面
図である。

【図４】本願発明のスキュー６極磁場発生装置が実際に
生成する磁場の計算結果を示す特性図である。

【図５】スキュー６極磁場成分の分布を示す特性図であ
る。

【図６】スキュー１０極磁場成分の分布を示す特性図で
ある。

【図７】スキュー１４極磁場成分の分布を示す特性図で
ある。

【図８】小型電子蓄積リングの基本構成を示す平面図で
ある。

【図９】従来のスキュー６極電磁石の概略構成を示す縦
断側面図である。

【図１０】ビームダクトの一例を示す縦断側面図であ
る。

【符号の説明】

１０：スキュー６極磁場発生装置 ２０Ａ、２０Ｂ：鉄心 ２２Ａ、２２Ｂ：内磁極 ２４Ａ、２４Ｂ：外磁極 ２６Ａ、２６Ｂ：内磁極励磁用コイル ２８Ａ、２８Ｂ：外磁極励磁用コイル １００：電子蓄積リング

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２ｎ個の磁極を左右対称に具備すると共
   に、所定の間隙を隔ててこの２ｎ個の磁極が上下対称と
   なるように配置された２つの鉄心と、 前記上下４ｎ個の磁極を夫々励磁する励磁用コイルとを
   備えたことを特徴とするスキュー６極磁場発生装置。但
   し、ｎは２以上の自然数とする。
2. 【請求項２】 ２個の内磁極と、２個の外磁極を左右対
   称に具備すると共に、所定の間隙を隔ててこの２個の内
   磁極と２個の外磁極が夫々上下対称になるように配置さ
   れた２つの鉄心と、 前記内外磁極合計８個の磁極を夫々励磁する励磁用コイ
   ルとを備えたことを特徴とするスキュー６極磁場発生装
   置。
3. 【請求項３】 上記外磁極の磁極幅を上記内磁極の磁極
   幅よりも大きくなるように磁極を形成したことを特徴と
   する請求項２に記載のスキュー６極磁場発生装置。
4. 【請求項４】 請求項１に記載のスキュー６極磁場発生
   装置において、 上記４ｎ個の磁極を夫々上下対称で、左右反対称に、所
   定の励磁電流量で励磁することにより、所望のスキュー
   ６極磁場を発生させるようにしたことを特徴とするスキ
   ュー６極磁場発生方法。
5. 【請求項５】 請求項２又は３に記載のスキュー６極磁
   場発生装置において、 上記４個の内磁極と上記４個の外磁極を夫々上下対称
   で、左右反対称に所定の励磁電流量で励磁することによ
   り、所望のスキュー６極磁場を発生させるようにしたこ
   とを特徴とするスキュー６極磁場発生方法。
6. 【請求項６】 請求項１乃至３のいずれかに記載のスキ
   ュー６極磁場発生装置を備えた電子蓄積リングにおい
   て、 前記スキュー６極磁場発生装置で所望のスキュー６極磁
   場を発生させて、蓄積電子（陽電子を含む）のビームサ
   イズを調整するようにしたことを特徴とする電子蓄積リ
   ングのビームサイズの調整方法。