JP2971179B2

JP2971179B2 - ウィグラー磁石

Info

Publication number: JP2971179B2
Application number: JP12603791A
Authority: JP
Inventors: 貞雄中井; 圀興三間; 一夫今崎; 明小林; 憲一井上; 豊川田
Original assignee: REEZAA GIJUTSU SOGO KENKYUSHO; Kobe Steel Ltd
Current assignee: REEZAA GIJUTSU SOGO KENKYUSHO; Kobe Steel Ltd
Priority date: 1991-05-29
Filing date: 1991-05-29
Publication date: 1999-11-02
Anticipated expiration: 2014-11-02
Also published as: JPH05258899A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は，例えば電子工業におけ
るリソグラフィ，工業化学，医療分野における分光分
析，光励起反応プロセス等に利用することを目的とした
産業用自由電子レーザ装置に好適なウィグラー磁石に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年，電磁波の利用は基礎研究にとどま
らず，計測・検査機器から微細加工・反応装置等の産業
分野に至るまで広がり，これに伴い，単色，コヒーレン
トでかつ強力な電磁波に対する利用ニーズが急速な高ま
りをみせてきている。とりわけ，レーザは強力な単色コ
ヒーレント光の光源として，各種の分光分析をはじめ計
測・加工に数々の技術革新をもたらしてきた。ところ
が，従来のレーザは，原子・分子もしくは固体中の電子
準位間の遷移の誘導放射を利用した一種の増幅器なの
で，それぞれの媒質固有のきまった発振波長の電磁波し
か得られないという問題点がある。また，従来のレーザ
は，原理的に気体または固体媒質の中を透過させて増幅
する機構に依存していることから，媒質の冷却や損傷の
問題が存在し，その出力には上限がある。また，色素レ
ーザは，ある範囲で波長可変という特長をもつが，同様
の理由にて実用的な出力が得られていない。他方，実証
レベルではあるが，新材料分野ではレーザプロセッシン
グ，光化学反応，原子力分野ではレーザ核融合，同位体
分離，また，医学・生体分野では外科手術，生体計測等
広範な応用分野が開けてきており，それらの実用化のた
めに，任意の波長（特に短波長領域），大出力，
高効率という要請に応えられる新しいレーザ光源の出現
が待たれている。この動向に対して自由電子レーザは，
上記の従来のレーザ方式とは発振機構が異なり，高エネ
ルギーの電子ビームがウィグラー磁場の中で蛇行する時
に生じるシンクロトロン放射と，その電磁波が電子の進
行方向の密度分布に変調を与える効果とが一種の共鳴現
象を起こすことによって，一種の誘導放射作用が生じる
ことを利用したものである。

【０００３】この場合，発振波長はウィグラー周期に比
例し，電子ビームのエネルギーの２乗に反比例するの
で，適切な加速器の選択と運転条件の設定によって任意
の波長を得ることができるという特長をもつ。また，飽
和時の出力は電子の電流値に比例し，電磁波が伝搬する
のは真空空間であることから，原理的にスケーリング則
が成り立ち，出力に制限がない。このような特質から，
次世代の産業用光源として期待され，開発が進められて
いる。ここで，図１２に従来のウィグラー磁石を示す。
このウィグラー磁石Ａは，同図に示す如く，直方体形の
磁極形状を有し，その長手方向に向けて，周期的に磁場
が正・負を繰り返す互いに対向した２組の磁石列を配設
することにより構成されている。上記のようなウィグラ
ー磁石Ａに，その上流側より入射された高エネルギーの
電子ビームは，周期的磁場の作用により蛇行しながら進
行する。この蛇行運動により放出される電磁波は，電子
ビームと適当な共鳴条件を満たす波長で発振することか
ら，この電磁波を光共振器に蓄え，電子ビームと干渉さ
せて増幅することにより，レーザ発振を起こすことがで
きる。しかしながら，上記のような直方体形の磁極は，
入射する電子ビームに対して磁極面と垂直方向（Ｙ方
向）には収束力を有するが，磁極面に対して平行方向
（Ｘ方向）には力が作用しないことから，なんらかの収
束力を重畳して作用させないと電子ビームはＸ方向に発
散することとなる。これは，Ｙ方向に関しては磁極端部
でのいわゆるエッジフォーカス効果が収束力として作用
するのに対し，Ｘ方向に関しては，エッジフォーカス効
果による発散力と偏向部での収束力とが互いに打ち消し
合うことによる。上記のようなウィグラー磁石Ａに対
し，図１３に示すウィグラー磁石Ｂでは，磁極形状が横
方向（Ｘ方向）にテーパをつけた台形を呈しており，電
子ビームのエネルギーに対応したテーパ角度をつけるこ
とにより，Ｘ・Ｙの両方向に対して収束力を有するウィ
グラー磁石を構成することができる。これは，テーパを
付けることにより，エッジフォーカス効果を調整し，Ｘ
方向での発散力を弱め，収束効果をもたらしたものであ
る。ただし，同時にＹ方向に関する収束力も減少する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが，図１３に示
すような磁極形状を備えたウィグラー磁石Ｂでは，電子
ビームのエネルギーが低い場合には，Ｘ・Ｙ両方向に対
して収束力を有するが，ビームエネルギーが大きくなる
につれて，Ｙ方向に関する収束力が徐々に弱まり，所定
のエネルギー以上の場合にはＹ方向に発散力となるとい
う，収束効果に関するエネルギー依存性がある。このた
め，自由電子レーザにおいて発振波長を変化させるため
に，ビームエネルギーを広い範囲で変化させて使用する
場合，高エネルギー領域でＹ方向に電子ビームが発散し
てしまう。そのため，電子ビームを安定的に輸送するた
めには，収束用のマグネット等を設ける必要がある。そ
こで，本発明が目的とするところは，電子ビームに対す
るエネルギー依存性がなく，常に収束効果をもたらすこ
とのできる構造のウィグラー磁石を提供することであ
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に，本発明が採用する第１の手段は，その要旨とすると
ころが，対向配備された磁極列により周期的交替磁場を
発生させて該磁極列間をその軸芯方向に進行する電子ビ
ームから放射光を誘起させるウィグラー磁石において，
上記軸芯方向に並設されて交替磁場を発生させる磁極
を，上記軸芯方向に垂直な面に対して傾斜したテーパ面
を備えた台形形状に形成されて通過する電子ビームを該
台形形状の幅が狭くなる方向へ蛇行させる磁場を有する
第１の磁極と，上記軸芯方向に垂直な面に対して傾斜し
たテーパ面を備えた台形形状に形成されて通過する電子
ビームを該台形形状の幅が広くなる方向へ蛇行させる磁
場を有する第２の磁極と，平面視で矩形形状に形成され
た第３の磁極とにより構成すると共に，上記第１の磁極
及び上記第３の磁極を１組以上連続的に並設してなる磁
極列と，上記第２の磁極及び上記第３の磁極を１組以上
連続的に並設してなる磁極列とを交互に繰り返して組合
わせてなる点に係るウィグラー磁石である。更に，上記
目的を達成するために，本発明が採用する第２の手段
は，その要旨とするところが，対向配備された磁極列に
より周期的交替磁場を発生させて該磁極列間をその軸芯
方向に進行する電子ビームから放射光を誘起させるウィ
グラー磁石において，上記軸芯方向に並設されて交替磁
場を発生させる磁極を，上記軸芯方向に垂直な面に対し
て傾斜したテーパ面を備えた台形形状に形成されて通過
する電子ビームを該台形形状の幅が狭くなる方向へ蛇行
させる磁場を有する第１の磁極と，上記軸芯方向に垂直
な面に対して傾斜したテーパ面を備えた台形形状に形成
されて通過する電子ビームを該台形形状の幅が広くなる
方向へ蛇行させる磁場を有する第２の磁極とにより構成
すると共に，上記第１の磁極同志を１組以上連続的に並
設してなる磁極列と，上記第２の磁極同志を１組以上連
続的に並設してなる磁極列とを交互に繰り返して組合わ
せてなる点に係るウィグラー磁石である。

【０００６】

【作用】本発明に係るウィグラー磁石においては，当該
ウィグラー磁石を構成する各磁極に対し，Ｘ方向に収
束，Ｙ方向に発散作用のある磁極と，Ｘ方向に発散，Ｙ
方向に収束作用のある磁極が適宜組み合わせられてお
り，このことにより，電子ビームに対し，エネルギー依
存性がなく常に収束効果をもたらすことができる。

【０００７】

【実施例】以下添付図面を参照して，本発明を具体化し
た実施例につき説明し，本発明の理解に供する。尚，以
下の実施例は，本発明を具体化した一例であって，本発
明の技術的範囲を限定する性格のものではない。ここ
に，図１は本発明の一実施例に係るウィグラー磁石の構
造を示す側面図，図２は上記ウィグラー磁石の平面図，
図３は上記ウィグラー磁石を構成する磁極と電子軌道と
の関係を示す説明図，図４は従来のウィグラー磁石にお
ける電子の設計軌道に対するずれの状態を示すグラフ，
図５は他の従来のウィグラー磁石における電子の設計軌
道に対するずれの状態を示すグラフ，図６は本発明の一
実施例に係るウィグラー磁石における電子の設計軌道に
対するずれの状態を示すグラフ，図７は本発明の他の実
施例に係るウィグラー磁石の構造を示すものであって図
２の相当図，図８は図７に示した他の実施例に係るウィ
グラー磁石における電子の設計軌道に対するずれの状態
を示すグラフ，図９〜図１１はそれぞれ本発明の更に他
の実施例に係るウィグラー磁石の構造を示すものであっ
て図１の相当図である。図１，図２に，永久磁石にて構
成した本発明の一実施例に係るウィグラー磁石Ｃの構造
を示す。なお，座標系は，電子の入射方向（当該ウィグ
ラー磁石の軸芯方向であってウィグラー軸方向に相当す
る）をＺ，磁極平面に対しこれと直交する方向をＹ，磁
極平面に対しこれと平行な方向をＸとする。このウィグ
ラー磁石Ｃでは，Ｘ軸正方向にテーパ角が拡開するよう
に形成された台形型の磁極１，Ｘ軸負方向にテーパ角が
拡開するように形成された台形型の磁極２および平面視
で矩形形状に形成された磁極３がＺ軸方向に対して一方
にのみ傾斜面を有する中間磁石４を介して交互にＺ軸方
向に向けて並設されている。そして，これらにより磁極
列５，５´が構成され，上記Ｚ軸方向に向けて対向配備
され，交替磁場を発生させる。この場合，上記磁極１
が，通過する電子ビームを台形形状の幅が狭くなる方向
へ蛇行させる磁場を有する第１の磁極に相当し，上記磁
極２が，通過する電子ビームを台形形状の幅が広くなる
方向へ蛇行させる磁場を有する第２の磁極に相当する。

【０００８】なお，上記構成においては，磁極１，磁極
３及び磁極２，磁極３をそれぞれ１組として交互にＺ軸
方向に向けて並設した場合を例に説明しているが，それ
ぞれ２組以上連続的に並設してなる磁極列を交互に繰り
返して組み合わせることにより構成してもよい。上記の
ように構成されたウィグラー磁石Ｃでは，電子６は，磁
極列５，５´の中心軸上をＺ軸方向に向けて入射され
て，当該ウィグラー磁石Ｃにより形成される交替磁場の
作用により，電子軌道７にて示されるように蛇行した軌
道を通る。このとき，この電子軌道７は，磁極１の領域
ではテーパの幅の狭くなる方向に蛇行し，磁極２の領域
では，テーパの幅の広くなる方向に蛇行する。ここで，
電子に対するウィグラー磁場の収束・発散効果につい
て，以下に考察する。図３に台形型の磁極と電子軌道と
の関係を示す。簡単化のため，磁極外部では磁場を０，
磁極間では一定磁場Ｂ₀の一種のベンディングマグネッ
トを仮定する。そして，テーパ角度をα，ビームエネル
ギーＥによって決定される電子の磁極端部への入射時に
おける電子軌道とウィグラー中心軸（Ｚ軸）とのなす角
度をψとし，電子の軌道半径をρとする。ここで，テー
パ角αの正負は，電子が磁極の幅の広くなる方向に向け
て蛇行する場合を正，幅の狭くなる方向に蛇行する場合
を負とする。この条件でのＸおよびＹ方向のトランスフ
ァーマトリックスＭ_x，Ｍ_yはエッジフォーカス効果と
偏向部での収束力を考慮し，次式のように表される。

【０００９】

【数１】そして，各マトリックスＭ_x，Ｍ_yの（２，１）要素に
注目し，その正負より以下の表１に示すような収束，発
散条件が得られる。

【表１】上記の表１を基に，当該ウィグラー磁石Ｃを構成する磁
極の形状によるウィグラーの収束・発散効果について以
下に説明する。（１）図１２に示した前記従来のウィグラー磁石Ａで
は，表１におけるケース２に相当している。この場合，
Ｘ方向に関しては収束・発散力は作用せず，Ｙ方向に関
してのみ収束力が作用する。そこで，この効果を調べる
ために，トランスファーマトリックスを用いて電子ビー
ムの設計軌道からのずれを計算する。この場合，計算条
件として，磁極のＺ軸方向に関するピッチを２cm，中心
磁場Ｂ₀＝３kgauss，テーパ角α＝０°とし，ビームエ
ネルギーＥを１ＭｅＶ〜１０ＭｅＶの間で変化させ，設
計軌道から２mmずれた位置から設計軌道と平行に電子を
入射させる。その結果を図４に示す。この場合，同図
（Ａ）はＥ＝１ＭｅＶ，同図（Ｂ）はＥ＝２ＭｅＶ，同
図（Ｃ）はＥ＝５ＭｅＶ，同図（Ｄ）はＥ＝１０ＭｅＶ
の場合にそれぞれ相当する（以下のグラフにおいても同
様）。そして，各図において縦軸はＸ，Ｙ軸方向での電
子の設計軌道からのずれ，横軸は電子のＺ軸方向に関す
る位置を示す。同図からも明らかなように，Ｘ軸方向で
は，収束・発散効果がないことから，設計軌道と平行に
電子は進行するが，Ｙ方向に関しては，収束力の作用に
より，設計軌道を中心としてベータトロン振動をしなが
ら進行する。（２）図１３に示した前記従来のウィグラー磁石Ｂ
（磁極のテーパ方向がＸ方向に正負を繰り返す構造）の
場合，表１におけるケース３に相当する。ここでψ＞α
の条件を満たす場合にＸ・Ｙ方向に収束効果をしめす
が，ビームエネルギーが大きくなってψが小さくなる
と，ケース４，５の条件に相当することとなりＹ方向に
発散する。また，高エネルギービームで収束効果を得よ
うとすると，テーパ角αを小さくせざるを得ないことか
ら，寸法公差の条件が厳しくなって加工が困難となる。

【００１０】従って，広い範囲でビームエネルギーを変
化させて使用するような場合には不敵当な構造であると
言える。そして，前記と同様にトランスファーマトリッ
クスによりビーム軌道の設計軌道からのずれを計算した
結果を図５に示す。この場合，計算条件としては，テー
パ角α＝５°とし，他は（１）の条件と同様である。同
図からも明らかなように，低エネルギーでは，Ｘ，Ｙ両
方向に収束しているが，５ＭｅＶ以上の高エネルギーに
対しては，Ｙ方向に発散してしまう。（３）そこで，図１，図２に示した本発明の一実施例
に係るウィグラー磁石Ｃにおける収束効果について説明
する。これは，表１におけるケース１，２，５の各条件
の組合せ，即ち，フォーカシングマグネットとデフォー
カシングマグネットとを周期的に並設することにより，
いわゆる強収束効果を実現し，エネルギー依存性がな
く，Ｘ，Ｙ両方向に収束効果を得るものである。上記ウ
ィグラー磁石Ｃにおいて，磁極１は表１におけるケース
１，磁極２はケース５，磁極３はケース２の効果を有
し，これらの磁極を周期的に組み合わせることによりウ
ィグラー磁石を構成している。このウィグラー磁石Ｃに
おける電子の設計軌道からのずれを計算した結果を図６
に示す。計算条件としては，磁極１のテーパ角α₁＝−
５°，磁極２のテーパ角α₂＝５．２°，磁極３のテー
パ角α₃＝０°とし，他は（１）と同条件である。同図
からも明らかなように，電子ビームはＸ，Ｙ両方向にエ
ネルギーに無関係に収束されていることが判る。（４）図７に本発明の他の実施例に係るウィグラー磁
石Ｄを示す。同図に示すウィグラー磁石Ｄでは，前記ウ
ィグラー磁石Ｃにおける磁極３が省略され，表１におけ
るケース１に相当する磁極１´と，ケース５に相当する
磁極２´とが繰り返し並設された構造を有している。

【００１１】ここで，磁極１´のテーパ角α₁は表１に
おけるケース１の条件と同様であり，磁極２´のテーパ
角α₂はケース５における条件と同様であることから，
強収束効果を有するウィグラー磁石を実現できる。そし
て，設計軌道からのずれを計算した結果を図８に示す。
この場合の条件は，α₁＝−５°，α₂＝５°であっ
て，他は（１）と同条件である。そして，同図からも明
らかなように，Ｘ，Ｙ両方向に関して収束効果のあるこ
とが確認できる。なお，上記のようなウィグラー磁石Ｄ
においては，各磁極１´，２´をそれぞれ連続的に並設
して磁極列を構成し，この磁極列を交互に繰り返して組
み合わせて構成しても，同様の効果を得ることがてき
る。図９〜図１１に，本発明の更に他の実施例に係るウ
ィグラー磁石Ｅ，Ｆ，Ｇを示す。ウィグラー磁石Ｅで
は，磁極１´，２´，３´が電磁軟鉄，フェライトある
いはパーメンジュール等の磁性体により構成され，それ
ぞれの間に永久磁石４´が介在されて構成されている。
ウィグラー磁石Ｆでは，前記したような磁極構成となる
ように磁性体１２にコイル８が巻回されて電磁石型の装
置として構成されている。更に，ウィグラー磁石Ｇで
は，磁性体１２と，超電導コイル９と，クライオスタッ
ト１１とにより超電導型のウィグラーとして構成されて
いる。

【００１２】

【発明の効果】本発明に係るウィグラー磁石は上記した
ように構成されている。従って，それ自身に収束効果を
有するウィグラー磁石を構成することができ，例えば四
極磁石等の収束用の外部磁場を流用する必要がなくな
り，装置構成が簡略化される。更に，当該ウィグラー磁
石においては，電子ビームに対するエネルギー依存性が
なく，常に収束効果をもたらすことができ，自由電子レ
ーザのように，エネルギーを変化させることにより発振
波長を変える装置に対しても好適である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係るウィグラー磁石の構
造を示す側面図。

【図２】上記ウィグラー磁石の平面図。

【図３】上記ウィグラー磁石を構成する磁極と電子軌
道との関係を示す説明図。

【図４】従来のウィグラー磁石における電子の設計軌
道に対するずれの状態を示すグラフ。

【図５】他の従来のウィグラー磁石における電子の設
計軌道に対するずれの状態を示すグラフ。

【図６】本発明の一実施例に係るウィグラー磁石にお
ける電子の設計軌道に対するずれの状態を示すグラフ。

【図７】本発明の他の実施例に係るウィグラー磁石の
構造を示すものであって図２の相当図。

【図８】図７に示した他の実施例に係るウィグラー磁
石における電子の設計軌道に対するずれの状態を示すグ
ラフ。

【図９】それぞれ本発明の更に他の実施例に係るウィ
グラー磁石の構造を示すものであって図１の相当図。

【図１０】それぞれ本発明の更に他の実施例に係るウ
ィグラー磁石の構造を示すものであって図１の相当図。

【図１１】それぞれ本発明の更に他の実施例に係るウ
ィグラー磁石の構造を示すものであって図１の相当図。

【図１２】従来のウィグラー磁石の構造を示す斜視
図。

【図１３】他の従来のウィグラー磁石の構造を示す平
面図。

【符号の説明】

１，１´，２，２´，３，３´…磁極５，５´…磁極列６…電子７…電子軌道Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ…ウィグラー磁石

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者中井貞雄茨木市北春日丘３−６−45 (72)発明者三間圀興高槻市奥天神町１−15−30 (72)発明者今崎一夫箕面市粟生間谷東７丁目23−21 (72)発明者小林明神戸市垂水区福田４−６−23 農住団地Ｃ−503 (72)発明者井上憲一神戸市東灘区本山南町３丁目３−２, 4303 ジークレフ本山南 (72)発明者川田豊神戸市西区狩場台５丁目二−四 (56)参考文献特開平４−134300（ＪＰ，Ａ) 特開平４−42988（ＪＰ，Ａ) 特開平４−31800（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H05H 13/04 G21K 1/093 H05H 7/04

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】対向配備された磁極列により周期的交替
磁場を発生させて該磁極列間をその軸芯方向に進行する
電子ビームから放射光を誘起させるウィグラー磁石にお
いて，上記軸芯方向に並設されて交替磁場を発生させる
磁極を，上記軸芯方向に垂直な面に対して傾斜したテー
パ面を備えた台形形状に形成されて通過する電子ビーム
を該台形形状の幅が狭くなる方向へ蛇行させる磁場を有
する第１の磁極と，上記軸芯方向に垂直な面に対して傾
斜したテーパ面を備えた台形形状に形成されて通過する
電子ビームを該台形形状の幅が広くなる方向へ蛇行させ
る磁場を有する第２の磁極と，平面視で矩形形状に形成
された第３の磁極とにより構成すると共に，上記第１の
磁極及び上記第３の磁極を１組以上連続的に並設してな
る磁極列と，上記第２の磁極及び上記第３の磁極を１組
以上連続的に並設してなる磁極列とを交互に繰り返して
組合わせてなることを特徴とするウィグラー磁石。
【請求項２】対向配備された磁極列により周期的交替
磁場を発生させて該磁極列間をその軸芯方向に進行する
電子ビームから放射光を誘起させるウィグラー磁石にお
いて，上記軸芯方向に並設されて交替磁場を発生させる
磁極を，上記軸芯方向に垂直な面に対して傾斜したテー
パ面を備えた台形形状に形成されて通過する電子ビーム
を該台形形状の幅が狭くなる方向へ蛇行させる磁場を有
する第１の磁極と，上記軸芯方向に垂直な面に対して傾
斜したテーパ面を備えた台形形状に形成されて通過する
電子ビームを該台形形状の幅が広くなる方向へ蛇行させ
る磁場を有する第２の磁極とにより構成すると共に，上
記第１の磁極同志を１組以上連続的に並設してなる磁極
列と，上記第２の磁極同志を１組以上連続的に並設して
なる磁極列とを交互に繰り返して組合わせてなることを
特徴とするウィグラー磁石。