JP2658491B2 - Deflection magnet for charged particle devices - Google Patents
Deflection magnet for charged particle devicesInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、例えばシンクロトロン放射光発生装置な
どにおいて、荷電粒子の進行方向を曲げるために使用す
る荷電粒子装置用偏向マグネットに関するものである。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a deflection magnet for a charged particle device used for bending a traveling direction of a charged particle in, for example, a synchrotron radiation light generator.
第６図は、「中田他“ベクトルポテンシャル法による
超電導180°偏向マグネットの三次元磁界解析”」、コ
ンファレンス オン コンピューテーション オブ エ
レクトロマグネティック フィールド、コンピューマ
グ、1989年９月、321頁〜324頁、（J,NAKATA他、“THRE
E−DIMENSIONAL MAGNETIC FIELD ANALYSYS OF SUPERCON
DUCTING180° BENDING MAGNETS BY VECTOR POTENTIAL F
EMUSING SUPERCOMPUTERS",CONFERENCE ON COMPUTATION
OF ELECTOROMAGNETIC FIELDS、COMPUMAG SEPTEMBER 3−
7,1989,TOKYO,JAPAN）に示された従来の超電導偏向マグ
ネットを分解して一部断面で示す分解斜視図第７図はこ
の縦断面図である。図において、（１）は外径側コイル
巻線（２）、内径側コイル巻線（３）及びこれらをつな
ぐ、はね上げ形状の端部コイル巻線（４）からなるコイ
ル、（５）はクライオスタット、（６）は荷電粒子、
（11）は鉄などの強磁性体で構成されるリターンヨー
ク、（51）はビームダクトを通す窓であり、面（12）で
対称に構成されている。Fig. 6 shows "Nakata et al." Three-dimensional magnetic field analysis of superconducting 180 ° deflection magnet by vector potential method ", Conference on Computation of Electromagnetic Field, Computermag, September 1989, pp. 321 to 324, (J, NAKATA and others, “THRE
E-DIMENSIONAL MAGNETIC FIELD ANALYSYS OF SUPERCON
DUCTING180 ° BENDING MAGNETS BY VECTOR POTENTIAL F
EMUSING SUPERCOMPUTERS ", CONFERENCE ON COMPUTATION
OF ELECTOROMAGNETIC FIELDS, COMPUMAG SEPTEMBER 3−
7,1989, TOKYO, JAPAN) is an exploded perspective view showing a partial cross section of the conventional superconducting deflection magnet shown in FIG. In the figure, (1) is a coil composed of an outer-diameter coil winding (2), an inner-diameter coil winding (3), and a flip-up end coil winding (4) connecting these, and (5) is a cryostat. , (6) are charged particles,
(11) is a return yoke made of a ferromagnetic material such as iron, and (51) is a window through which a beam duct passes, which is symmetrical with respect to the plane (12).
次に動作について説明する。主としてコイル（１）が
発生する垂直方向の磁界（１対の相対するコイル（１）
に鎖交する磁界）によって荷電粒子（６）は180度偏向
される。この時、荷電粒子（６）は半径方向に力を受け
るから、それと直交する方向（ビーム軌道の接線方向）
に放射光を発生する。高エネルギービームを小半径で設
計軌道どおり曲げるには高均一な高磁界が必要である。
コイル（１）の端部をはね上げ状の端部コイル巻線
（４）でつなぐことにより、高均一な磁界を得ることが
できる。Next, the operation will be described. Vertical magnetic field mainly generated by the coil (1) (a pair of opposing coils (1)
The charged particles (6) are deflected by 180 degrees by the magnetic field interlinking with the charged particles. At this time, the charged particles (6) receive a force in the radial direction, and therefore, a direction orthogonal to the force (tangential direction of the beam orbit).
Generates synchrotron radiation. In order to bend a high-energy beam with a small radius according to a designed orbit, a high uniform high magnetic field is required.
A highly uniform magnetic field can be obtained by connecting the ends of the coil (1) with a flip-up end coil winding (4).
クライオスタット（５）は各コイル（１）を極低音に
保持するための低温容器であるクライオスタット（５）
は低温ぜい性を防ぐためやコイルから発生する磁界を歪
せないために、通常ステンレス鋼などの非磁性金属で作
られる。又、高磁界が発生すると、周辺に大きな漏れ磁
界が発生し、周辺機器に影響を及ぼすため、通常、強磁
性体を用いたリターンヨーク（11）により、コイル
（１）をシールドする。The cryostat (5) is a cryostat (5) that is a low-temperature container for keeping each coil (1) at an extremely low frequency.
Is usually made of a non-magnetic metal, such as stainless steel, to prevent low temperature brittleness and to not distort the magnetic field generated by the coil. Further, when a high magnetic field is generated, a large leakage magnetic field is generated in the periphery, which affects peripheral devices. Therefore, the return yoke (11) using a ferromagnetic material is usually used to shield the coil (1).
リターンヨーク（11）は、荷電粒子（６）の通過する
高真空のビームダクトを通す窓（51）が設けられた内径
側リターンヨーク（11c）、上側天板（11b）、側辺部リ
ターンヨーク（11a）より構成されている。The return yoke (11) includes an inner diameter side return yoke (11c) provided with a window (51) through which a high vacuum beam duct through which the charged particles (6) pass, an upper top plate (11b), and a side portion return yoke. (11a).
従来の荷電粒子装置用偏向マグネットは以上のように
構成されているので、内径側コイル巻線及び端部コイル
巻線と内側リターンヨーク間に生じるマクスウェルの応
力と、外径側コイル巻線と側辺部リターンヨーク間に生
じる同応力がつり合わず、側辺部又は内側のリターンヨ
ークにコイル全体が引き寄せられる。そのため、強大な
応力をサポートする支持材が必要で、偏向マグネットの
構造が複雑になり、また、全重量が重くなる、液体ヘリ
ウムなどの寒剤の消費量が増すなどの問題点があった。Since the conventional deflection magnet for a charged particle device is configured as described above, the Maxwell stress generated between the inner diameter return coil winding and the end coil winding and the inner return yoke, and the outer diameter coil winding and the The same stress generated between the side return yokes does not balance, and the entire coil is drawn to the side or inner return yoke. Therefore, there is a problem that a supporting member that supports a large stress is required, the structure of the deflection magnet becomes complicated, the total weight becomes heavy, and the consumption of a cryogen such as liquid helium increases.
この発明は上記のような問題点を解消するためになさ
れたもので、内径側コイル及び端部コイルと内側リター
ンヨーク間に生じるマクスウェルの応力と外径側コイル
巻線と側辺部リターンヨーク間に生じる応力をつり合わ
せ、コイル全体にかかる径方向の応力が働かないように
構成できる荷電粒子装置用偏向マグネットを得ることを
目的とする。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-described problems. The stress of Maxwell generated between the inner diameter side coil and the end coil and the inner return yoke and the stress between the outer diameter side coil winding and the side side return yoke are solved. It is an object of the present invention to obtain a deflection magnet for a charged particle device which can be configured so that the stress generated in the coil is balanced and the radial stress applied to the entire coil does not act.
この発明に係る荷電粒子装置用偏向マグネットは、内
径側及び端部コイル巻線と内側リターンヨーク間に働く
応力と、外径側コイル巻線と側辺部リターンヨーク間に
働く応力をつり合わすことにより、コイル全体とリター
ンヨーク間に働く径方向の応力を実質的にゼロにしたも
のである。In the deflection magnet for a charged particle device according to the present invention, the stress acting between the inner and outer coil windings and the inner return yoke is balanced with the stress acting between the outer coil winding and the side return yoke. Thus, the radial stress acting between the entire coil and the return yoke is substantially reduced to zero.
また、請求項２の発明における荷電粒子装置用偏向マ
グネットは、コイルとリターンヨークとの間に径方向の
応力が働くのを防止するために、コイルに対し、偏向マ
グネットの曲率半径ρから決まる一定距離をおいてリタ
ーンヨークを設置したものである。Further, in the deflection magnet for a charged particle device according to the second aspect of the present invention, in order to prevent a radial stress from acting between the coil and the return yoke, the deflection magnet is fixed to the coil by a radius of curvature ρ of the deflection magnet. A return yoke is installed at a distance.
この発明における荷電粒子装置用偏向マグネットは、
内径側コイル巻線及び端部コイル巻線と内側リターンヨ
ーク間に生じる応力と、外径側コイル巻線と側辺部リタ
ーンヨーク間に生じる応力がつり合っているので、コイ
ルがリターンヨークに引き寄せられることもなく、電磁
力をサポートする支持材を減少させることができる。The deflection magnet for a charged particle device according to the present invention includes:
Since the stress generated between the inner and outer coil windings and the inner return yoke and the stress generated between the outer coil winding and the side return yoke are balanced, the coil is drawn to the return yoke. Without the need to support the electromagnetic force.
以下、この発明の一実施例を図について説明する。第
１図は、この発明の一実施例による荷電粒子装置用偏向
マグネットを示す平面図、第２図は第１図のＩ−Ｉ線断
面図である。An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a plan view showing a deflection magnet for a charged particle device according to one embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line II of FIG.
図において、（11）はリターンヨークで、上部リター
ンヨーク（11a），側辺部リターンヨーク（11b），内側
リターンヨーク（11c）で構成される。また、（１）は
主コイル、ρは荷電粒子の曲率半径、οは曲率中心、
（５）はクライオスタット、（６）は荷電粒子である。In the figure, (11) is a return yoke, which is composed of an upper return yoke (11a), a side return yoke (11b), and an inner return yoke (11c). (1) is the main coil, ρ is the radius of curvature of the charged particle, ο is the center of curvature,
(5) is a cryostat, and (6) is a charged particle.
第３図はマグネットの外観を示す斜視図であり、図
中、（51）はビームダクトを通す窓である。FIG. 3 is a perspective view showing the appearance of the magnet, in which (51) is a window through which the beam duct passes.
以下、この荷電粒子装置用偏向マグネットの動作を説
明する。コイル（１）に対して通電すると、磁界が発生
する。この磁界によるローレンツ力を利用して、入射ビ
ームラインから入射される荷電粒子（６）を曲げる。即
ち、ビーム通過付近に磁界が発生すると、上下の各コイ
ル（１）がリターンヨーク（11）に引き寄せられる応力
が発生する。外径側コイル巻線（２）と側辺部リターン
ヨーク（11b）間で引き合う応力Ｘと、内径側及び端部
コイル巻線（３），（４）と内側リターンヨーク（11
c）間で引き合う応力Ｙとが働き、応力の大きい方向へ
コイル全体（１）が引き寄せられる。この実施例では、
内径側及び外径側コイル巻線（２），（３）と上部リタ
ーンヨーク（11a）との距離α，外径側コイル巻線
（２）と側辺部リターンヨーク（11b）との距離β，上
部リターンヨーク（11a）の厚さW1，側辺部リターンヨ
ーク（11b）の厚さW2の各値を、曲率半径ρに基いて一
定距離に定めている。このようなリターンヨーク（11）
を設置することにより、各応力X,Yをつり合わせ、コイ
ル全体（１）に働く応力をほとんどゼロにすることがで
きる。このため、サポートする支持材を極めて小さくで
き、この偏向マグネットの構成を簡易にすることができ
る。α，β，W1，W2を変えたときのコイル全体にかかる
径方向の応力の絶対値|F|を従来例と比較して表に示
す。Hereinafter, the operation of the deflection magnet for a charged particle device will be described. When a current is supplied to the coil (1), a magnetic field is generated. The charged particles (6) incident from the incident beam line are bent using the Lorentz force due to the magnetic field. That is, when a magnetic field is generated near the beam passage, a stress is generated that causes the upper and lower coils (1) to be attracted to the return yoke (11). The stress X attracted between the outer-side coil winding (2) and the side return yoke (11b), the inner-side and end coil windings (3) and (4) and the inner return yoke (11).
c), the stress Y attracts between them, and the entire coil (1) is drawn in the direction of larger stress. In this example,
Distance α between the inner and outer diameter coil windings (2), (3) and the upper return yoke (11a), distance β between the outer diameter coil winding (2) and the side return yoke (11b) the thickness W 1 of the upper return yoke (11a), the values of the thickness W 2 of the side portions return yoke (11b), and defines a fixed distance based on the radius of curvature [rho. Such a return yoke (11)
By setting the stresses, the stresses X and Y are balanced, and the stress acting on the entire coil (1) can be reduced to almost zero. For this reason, the supporting material to be supported can be made extremely small, and the configuration of the deflection magnet can be simplified. The absolute value | F | of the radial stress applied to the entire coil when α, β, W 1 , and W 2 are changed is shown in the table in comparison with the conventional example.
このように、リターンヨークをコイルから荷電粒子の
曲率半径ρより決まる距離をおいて設置し、リターンヨ
ーク厚さをρより決まる厚さに構成したので、コイルに
かかる径方向の応力をほとんどかからないようにできる
効果がある。 As described above, the return yoke is installed at a distance determined by the radius of curvature ρ of the charged particles from the coil, and the thickness of the return yoke is determined by ρ, so that almost no radial stress is applied to the coil. There is an effect that can be.
径方向の電磁力が、マグネットの製作誤差や冷却時の
位置のずれなどの小さな偏心に対応するだけとなるの
で、電磁力支持材を十分細くできる。このため液体ヘリ
ウムなどの寒剤の消費量が激減し、マグネットの運転経
費が極めて安価となった。Since the electromagnetic force in the radial direction only corresponds to a small eccentricity such as a manufacturing error of the magnet or a displacement during cooling, the electromagnetic force supporting member can be made sufficiently thin. As a result, the consumption of cryogen such as liquid helium has been drastically reduced, and the operating cost of the magnet has become extremely low.
第４図および第５図はそれぞれこの発明の他の実施例
による荷電粒子装置用偏向マグネットを示す斜視図であ
り、内側リターンヨーク（11c）を半円状にくり抜き、
リターンヨーク（11）の取り除く量を変化させたもので
ある。第４図に示したものはくり抜いた部分に窓を設け
てあり、ここから支持材を挿入できる。また、第４図、
第５図に示すものは、くり抜いた部分に構造物を入れる
ことができ、このことは荷電粒子装置として用いた場
合、有用なことである。もちろん上記実施例と同様の効
果を奏することは言うまでもない。4 and 5 are perspective views showing a deflection magnet for a charged particle device according to another embodiment of the present invention, wherein the inner return yoke (11c) is hollowed out in a semicircular shape.
The amount of removal of the return yoke (11) is changed. In FIG. 4, a window is provided in the hollowed out portion, from which a support material can be inserted. Also, FIG.
The structure shown in FIG. 5 allows a structure to be placed in the hollowed out part, which is useful when used as a charged particle device. Of course, it goes without saying that the same effects as those of the above embodiment can be obtained.
上記実施例ではリターンヨーク（11）をクライオスタ
ット（５）の外部に設置したが、リターンヨーク（11）
を極低温部に設置してクライオスタット中に入れたもの
にも適用できる。In the above embodiment, the return yoke (11) is installed outside the cryostat (5).
Can also be applied to those placed in a cryostat by installing in a cryogenic part.
さらにコイル（１）は超電導および常電導のいずれも
使用することができる。Further, the coil (1) can use both superconducting and normal conducting.
また、上記一実施例は偏向角度が180度のものを示し
たが、他の角度にも適用でき、この場合、上記のα／
ρ，β／ρ，W1／ρ，W2／ρの値は上記実施例のものか
らはずれた値で最適値になることもある。In the above embodiment, the deflection angle is 180 degrees. However, the present invention can be applied to other angles.
The values of ρ, β / ρ, W 1 / ρ, and W 2 / ρ may deviate from those of the above-described embodiment and become optimal values.
また、上記一実施例では、α／ρ，β／ρ，W1／ρ，
W2／ρの４つの値によってリターンヨーク（11）とコイ
ル（１）との距離を決定しているが、これに限るもので
はなく、数値の個数は４つでなくてもよく、また、荷電
粒子の極率半径ρに基いた数値でなくても、リターンヨ
ーク（11）とコイル（１）間の径方向の応力がつり合う
ように構成すればよい。In the above embodiment, α / ρ, β / ρ, W 1 / ρ,
The distance between the return yoke (11) and the coil (1) is determined by the four values of W 2 / ρ, but is not limited to this, and the number of numerical values may not be four. Even if the numerical value is not based on the polarizability radius ρ of the charged particles, the configuration may be such that the radial stress between the return yoke (11) and the coil (1) is balanced.
以上のように、この発明によれば、外径側コイル巻
線、内径側コイル巻線、及びこれらのコイル巻線を接続
する端部コイル巻線からなるコイルを１対と、これらの
コイルを一定の距離をおいて取り囲むリターンヨークと
を備えた荷電粒子装置用偏向マグネットにおいて、内径
側及び端部コイル巻線と内側リターンヨーク間に働く応
力と、外径側コイル巻線と側辺部リターンヨーク間に働
く応力をつり合わすことにより、コイルとリターンヨー
ク間に働く径方向の応力を実質的にゼロにできる。この
ため、支持材を減少させることができ、装置の構成が容
易にできる荷電粒子装置用偏向マグネットが得られる効
果がある。As described above, according to the present invention, a pair of a coil including an outer diameter coil winding, an inner diameter coil winding, and an end coil winding connecting these coil windings, In a deflection magnet for a charged particle device having a return yoke surrounding at a fixed distance, stress acting between the inner and outer coil windings and the inner return yoke, the outer coil winding and the side portion return. By balancing the stress acting between the yokes, the radial stress acting between the coil and the return yoke can be made substantially zero. Therefore, the number of supporting members can be reduced, and there is an effect that a deflection magnet for a charged particle device in which the configuration of the device can be easily obtained can be obtained.
また、コイル巻線と上部リターンヨーク間距離α，外
径側コイル巻線と側辺部リターンヨーク間距離β，上部
リターンヨーク厚さW1，側辺部リターンヨーク厚さW2を
荷電粒子の曲率半径ρに対し、α／ρが0.573,β／ρが
0.675,W1／ρが0.506,W2／ρが0.590となるようにリタ
ーンヨークを設置することにより、コイルにかかる径方
向の応力を実質的にゼロにすることができる効果があ
る。The distance α between the coil winding and the upper return yoke, the distance β between the outer diameter side coil winding and the side return yoke, the upper return yoke thickness W 1 , and the side return yoke thickness W 2 are defined as the values of the charged particles. For the radius of curvature ρ, α / ρ is 0.573 and β / ρ is
By installing the return yoke so that 0.675, W 1 / ρ is 0.506 and W 2 / ρ is 0.590, there is an effect that the radial stress applied to the coil can be made substantially zero.
第１図はこの発明の一実施例による荷電粒子装置用偏向
マグネットを示す平面図、第２図は第１図のＩ−Ｉ線断
面図、第３図は第１図の斜視図、第４図および第５図
は、この発明の他の実施例を示す斜視図、第６図は従来
の荷電粒子装置用偏向マグネットを一部断面で示す分解
斜視図、第７図は第６図の第１図におけるＩ−Ｉ断面相
当部分の断面図である。 図において、（１）はコイル、（２）は外径側コイル巻
線、（３）は内径側コイル巻線、（５）はクライオスタ
ット、（６）は荷電粒子、（11）はリターンヨークであ
る。 なお、図中、同一符号は同一、または相当部分を示す。FIG. 1 is a plan view showing a deflection magnet for a charged particle device according to one embodiment of the present invention, FIG. 2 is a sectional view taken along line II of FIG. 1, FIG. 3 is a perspective view of FIG. 5 and 5 are perspective views showing another embodiment of the present invention, FIG. 6 is an exploded perspective view showing a partial cross section of a conventional deflection magnet for a charged particle device, and FIG. FIG. 2 is a sectional view of a portion corresponding to the II section in FIG. 1. In the figure, (1) is a coil, (2) is an outer coil winding, (3) is an inner coil winding, (5) is a cryostat, (6) is charged particles, and (11) is a return yoke. is there. In the drawings, the same reference numerals indicate the same or corresponding parts.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松田 哲也 兵庫県尼崎市塚口本町８丁目１番１号 三菱電機株式会社中央研究所内 (56)参考文献 特開 昭63−226900（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−183956（ＪＰ，Ａ) ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (72) Inventor Tetsuya Matsuda 8-1-1 Tsukaguchi Honcho, Amagasaki City, Hyogo Prefecture Inside the Central Research Laboratory of Mitsubishi Electric Corporation (56) References JP-A-63-226900 (JP, A) Kaihei 2-183956 (JP, A)
Claims (2)
びこれらのコイル巻線を接続する端部コイル巻線からな
るコイルを１対と、上記コイルを一定の距離をおいて取
り囲むリターンヨークとを備えた荷電粒子装置用偏向マ
グネットにおいて、上記内径側及び端部コイル巻線と上
記内側リターンヨーク間に働く応力と、上記外径側コイ
ル巻線と上記側辺部リターンヨーク間に働く応力をつり
合わすことにより、上記コイルと上記リターンヨーク間
に働く径方向の応力を実質的にゼロにしたことを特徴と
する荷電粒子装置用偏向マグネット。1. A pair of coils each including an outer diameter coil winding, an inner diameter coil winding, and an end coil winding connecting these coil windings, and surrounding the coil at a predetermined distance. In the deflection magnet for a charged particle device having a return yoke, the stress acting between the inner diameter side and end coil windings and the inner return yoke, and the stress acting between the outer diameter side coil windings and the side side return yoke. A deflecting magnet for a charged particle device, wherein the radial stress acting between the coil and the return yoke is made substantially zero by balancing the acting stresses.
α，外径側コイル巻線と側辺部リターンヨーク間距離
β、上記上部リターンヨーク厚さW1、上記側辺部リター
ンヨーク厚さW2を荷電粒子の曲率半径ρに対し、α／ρ
が0.573,β／ρが0.675、W1／ρが0.506、W2／ρが0.59
0となるように上記リターンヨークを設置したことを特
徴とする特許請求の範囲第１項記載の荷電粒子装置用偏
向マグネット。2. The distance α between the coil winding and the upper return yoke, the distance β between the outer diameter coil winding and the side return yoke, the upper return yoke thickness W 1 , and the side edge return yoke thickness W 2 is α / ρ for the radius of curvature ρ of the charged particle.
Is 0.573, β / ρ is 0.675, W 1 / ρ is 0.506, and W 2 / ρ is 0.59
2. The deflection magnet for a charged particle device according to claim 1, wherein the return yoke is set to be zero.
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| JPH045599A JPH045599A (en) | 1992-01-09 |
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