JP3007544B2 - 偏向電磁石 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、偏向電磁石に関し、特
に、シンクロトロン放射光（以下、ＳＲ光と呼ぶ）発生
装置に使用される偏向電磁石に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＳＲ光発生装置は、電子（陽電子を含
む。）を所定の軌道に沿って光速に近い速度で運動させ
ることにより、所定の位置からＳＲ光を取り出すように
したものであり、様々なタイプのものが提供されてい
る。特に、この種の装置は小型化の要求が強く、軌道半
径が０．５ｍ程度のものも実用化されている。

【０００３】図５は、レーストラック型と呼ばれる電子
蓄積リングを用いたＳＲ光発生装置の概略構成を示す。
２つの偏向電磁石５１ａ、５１ｂで曲率Ｒの円弧状軌道
が形成され、２つの円弧状半円軌道の間を２本の直線軌
道で連絡して真空容器内にレーストラック型の軌道５０
が形成される。直線軌道には、４つの第１の四極電磁石
５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄと、４つの第２の四極
電磁石５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄと、ＲＦ加速空
洞５４の他に、電子ビームの入射部にビーム入射用キッ
カー電磁石５５が配置されている。

【０００４】入射加速器（図示せず）でつくられた電子
ビームは、ビーム導入部５６から真空容器内に導入さ
れ、上述したＲＦ加速空洞５４及び偏向電磁石５１ａ、
５１ｂで加速あるいは所望の曲率で偏向されて軌道５０
を光速に近い速度で周回する。

【０００５】四極電磁石５２ａ〜５２ｄによって発生す
る四極磁場は、電子ビームに集束力を与える。なお、図
５には示さないが、電子ビームの収差を補正するための
六極磁場を発生する六極電磁石、及びベータトロン振動
の振幅に依存した集束力を与える八極磁場を発生する八
極電磁石を配置する場合もある。

【０００６】図６は、従来の偏向電磁石の例を示す。図
６（Ａ）は、偏向電磁石の一部の平面図、図６（Ｂ）
は、一点鎖線Ｂ６−Ｂ６に沿う断面図である。図６
（Ａ）に示すように円弧状に形成された磁極６１を取り
囲むようにコイル６３が巻かれている。

【０００７】図６（Ｂ）に示すように一対の磁極６１の
間には電子軌道が形成されるべき間隙６４が形成されて
いる。磁極６１、コイル６３の周囲には、磁極６１、間
隙６４とともに磁路６５を形成するためのヨーク６２が
配置されている。コイル６３に直流電流を流すことによ
り、間隙６４内に双極磁場を発生することができる。

【０００８】図５では、直線軌道部分に四極電磁石を配
置して電子ビームに集束力を付与する場合を示したが、
他の方法で集束力を付与することもできる。例えば、偏
向電磁石の電子ビーム入出射端面の磁場境界に軌道に対
して傾きを付ける方法、または磁場境界を２次曲面もし
くは３次曲面にする方法が知られている。

【０００９】また、図６（Ｂ）に示す間隙６４の間隙幅
を半径方向に変化させて、双極磁場に四極磁場成分、六
極磁場成分及び八極磁場成分を重畳する方法が知られて
いる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】偏向電磁石の磁場境界
に傾きを付ける方法、間隙幅を半径方向に変化させる方
法で高次の磁場成分を有する磁場を発生することができ
る。この高磁場成分は双極磁場を発生するためのコイル
により発生する。このため、高磁場成分の磁場強度を双
極磁場強度と独立に制御することができない。

【００１１】本発明の目的は、双極磁場に高磁場成分を
重畳し、各高磁場成分の磁場強度をそれぞれ独立に制御
できる偏向電磁石を提供することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の偏向電磁石は、
円弧状の荷電粒子ビーム軌道が形成される間隙を挟んで
磁極面が対向するように配置された第１及び第２の磁極
と、前記第１及び第２の磁極に接合され、前記間隙、前
記第１及び第２の磁極と共に閉じた磁路を形成するヨー
クと、前記閉じた磁路に起磁力を発生するためのコイル
と、前記第１の磁極の磁極面上に配置された第１〜第４
の導電性部材であって、該第１〜第４の導電性部材は、
前記円弧状の荷電粒子ビーム軌道に沿うように、円弧の
内周側から外周側に向かって順番に配置され、前記荷電
粒子ビーム軌道に垂直な断面を考えたとき、前記荷電粒
子ビーム軌道を通り、かつ軌道面に垂直な直線に関し
て、前記第１の導電性部材と第４の導電性部材とが対称
の関係になり、前記第２の導電性部材と第３の導電性部
材とが対称の関係になるように配置された前記第１〜第
４の導電性部材と、前記第１の磁極の磁極面よりも内周
側に、前記第１の導電性部材に沿うように配置された第
５及び第６の導電性部材であって、前記第１の導電性部
材と前記第５の導電性部材の一方の端部同士が接続され
て第１のトリムコイルを構成し、前記第２の導電性部材
と前記第６の導電性部材の一方の端部同士が接続されて
第２のトリムコイルを構成する前記第５及び第６の導電
性部材と、前記第１の磁極の磁極面よりも外周側に、前
記第４の導電性部材に沿うように配置された第７及び第
８の導電性部材であって、前記第３の導電性部材と第７
の導電性部材の一方の端部同士が接続されて第３のトリ
ムコイルを構成し、前記第４の導電性部材と第８の導電
性部材の一方の端部同士が接続されて第４のトリムコイ
ルを構成する前記第７及び第８の導電性部材と、軌道面
に関して、前記第１〜第８の導電性部材と面対称の関係
を有する第９〜第１６の導電性部材であって、前記第９
の導電性部材と前記第１３の導電性部材の一方の端部同
士が接続されて第５のトリムコイルを構成し、前記第１
０の導電性部材と前記第１４の導電性部材の一方の端部
同士が接続されて第６のトリムコイルを構成し、前記第
１１の導電性部材と第１５の導電性部材の一方の端部同
士が接続されて第７のトリムコイルを構成し、前記第１
２の導電性部材と第１６の導電性部材の一方の端部同士
が接続されて第８のトリムコイルを構成する前記第９〜
第１６の導電性部材と、前記第１〜第８のトリムコイル
に、それぞれ電流を供給する複数の電流源とを有する。

【００１３】

【作用】間隙を挟んで配置された磁極により、間隙内に
双極磁場が発生する。荷電粒子ビーム軌道が形成される
平面に関して面対称の位置に、荷電粒子ビーム軌道にほ
ぼ平行に電流を流すと、間隙内に電流による磁場が発生
する。この電流の大きさ及び向きを適切に選ぶことによ
り、間隙の中心（荷電粒子ビームの理想軌道位置）近傍
に四極磁場、六極磁場及び八極磁場等の多極磁場に近似
した磁場を発生することができる。

【００１４】偏向電磁石内に配置した磁場発生手段によ
り多極磁場を発生することができるため、偏向電磁石の
外部に多極電磁石を配置する必要がなくなる。このた
め、荷電粒子蓄積リングを小型化することができる。

【００１５】

【実施例】図１を参照して、本発明の実施例による偏向
電磁石の構成を説明する。図１（Ａ）は、偏向電磁石の
電子軌道に垂直な面における断面図、図１（Ｂ）は、図
１（Ａ）の一点鎖線Ｂ１−Ｂ１における断面図を示す。

【００１６】図１（Ａ）に示すように、電子軌道が形成
される間隙２０を挟んで磁極面がほぼ平行に対向するよ
うに磁極１ａ、１ｂが配置されている。磁極１ａ、１ｂ
の背面は相互にヨーク３により接続され、磁路２１が形
成されている。磁極１ａ、１ｂにはそれぞれ主コイル２
ａ、２ｂが巻かれており、主コイル２ａ、２ｂに電流を
流すことにより、磁路２１に起磁力が発生する。この起
磁力により間隙２０内に双極磁場が発生する。

【００１７】間隙２０のほぼ中心を紙面に垂直な方向に
進む電子ビームは、双極磁場からその進行方向に垂直な
向きに力を受け進行方向が曲げられる。このようにし
て、磁極１ａ、１ｂの磁極面に平行な軌道面を有する円
弧状の電子軌道が形成される。

【００１８】磁極１ａの磁極面には、電子軌道に沿う方
向に長い導体板５ａ、６ａ、７ａ及び８ａが取り付けら
れている。導体板５ａと８ａ、及び６ａと７ａは、それ
ぞれ電子軌道を含み軌道面に垂直な円筒状の曲面に関し
て対称な位置に設けられている。導体板５ａ〜８ａは、
例えば銅板で形成され相互に絶縁されている。

【００１９】図１（Ｂ）に示すように、導体板５ａ〜８
ａは、電子軌道に沿う円弧状形状を有する。導体板５ａ
の内周側には、導体板５ａに沿うように円弧状形状を有
する導体板９ａ及び１０ａが配置されている。導体板８
ａの外周側には、導体板８ａに沿うように円弧状形状を
有する導体板１１ａ及び１２ａが配置されている。導体
板５ａ及び９ａの一端は相互に接続され巻数１回のトリ
ムコイルを形成している。同様に、導体板６ａと１０
ａ、導体板７ａと１２ａ、及び導体板８ａと１１ａの一
端は、それぞれ相互に接続され巻数１回のトリムコイル
を形成している。

【００２０】磁極１ｂ側にも、軌道面に関して導体板５
ａ〜１２ａと面対称となる位置に、それぞれ導体板５ｂ
〜１２ｂが配置され、同様に巻数１回のトリムコイルを
形成している。各巻数１回のトリムコイルの両端は、そ
れぞれ図には示さない電流源に接続されている。

【００２１】次に、図２〜図４を参照して、トリムコイ
ルに電流を流したときに発生する磁場の様子を説明す
る。図２は、四極磁場に相当する磁場を発生した場合の
磁力線を示す。導体板５ａ〜８ａ及び５ｂ〜８ｂに、そ
れぞれ裏面から表面に向かう向きに１００Ａの電流を流
す。導体板９ａ〜１２ａ及び９ｂ〜１２ｂには、それぞ
れ表面から裏面に向かう向きに１００Ａの電流が流れ
る。このとき、図２の矢印付き曲線で示す磁力線で表さ
れる磁場が発生する。

【００２２】間隙２０の中心点（理想的な電子軌道通過
点）を原点Ｏとし、軌道面内の半径方向をＸ軸、軌道面
に垂直な方向をＹ軸とする。原点Ｏにおける磁場の強さ
は０である。Ｘ軸上の磁場方向は軌道面に対して垂直で
あり、その向きは原点Ｏの両側で相互に逆向きになって
いる。Ｙ軸上の磁場はＸ軸方向を向き、その向きは原点
Ｏの両側で相互に逆向きになっている。また、磁場の強
さは中心点Ｏから遠くなるほど強くなっている。この磁
場は、原点Ｏの近傍において、四極磁場に近似するもの
と考えることができる。

【００２３】図３（Ａ）は、六極磁場に相当する磁場を
発生した場合の磁力線を示す。図３（Ｂ）は間隙２０の
中心点近傍の磁力線の様子をより詳細に示す。導体板５
ａ、５ｂ、８ａ及び８ｂに２００Ａ、導体板６ａ、６
ｂ、７ａ及び７ｂに１００Ａの電流を流す。導体板５
ａ、５ｂ、６ａ、６ｂの電流は、表面から裏面に向か
い、導体板７ａ、７ｂ、８ａ及び８ｂの電流は裏面から
表面に向かう。

【００２４】このとき、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）の矢
印付き曲線で示す磁力線で表される磁場が発生する。こ
の磁場は、図３（Ｂ）に示すように中心点近傍で六極磁
場に近似するものと考えることができる。

【００２５】図４（Ａ）は、八極磁場に相当する磁場を
発生した場合の磁力線を示す。図４（Ｂ）は間隙２０の
中心点近傍の磁力線の様子をより詳細に示す。導体板５
ａ、５ｂ、８ａ及び８ｂに、裏面から表面に向かう向き
に１００Ａの電流を流す。導体板６ａ、６ｂ、７ａ及び
７ｂに、表面から裏面に向かう向きに約０．３７Ａの電
流を流す。

【００２６】このとき、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）の矢
印付き曲線で示す磁力線で表される磁場が発生する。な
お、磁極面の端部近傍においては磁力線が密集するた
め、概略を点線で示している。この磁場は、図４（Ｂ）
に示すように中心点近傍で八極磁場に近似するものと考
えることができる。

【００２７】このように、トリムコイルに所定の電流を
流すことにより、間隙２０の中心点近傍に、四極磁場、
六極磁場、または八極磁場に近似した磁場を発生するこ
とができる。なお、これら多極磁場成分を同時に発生す
る場合には、各多極磁場成分を発生する電流を重畳して
トリムコイルに流せばよい。また、トリムコイルは主コ
イルから分離されているため、主コイルにより発生する
双極磁場の強さとは無関係に多極磁場を発生することが
できる。

【００２８】多極磁場の磁力線の形状は、各多極磁場共
にＹ軸に関して対称である。このため、導体板５ａと８
ａ、６ａと７ａ、５ｂと８ｂ、及び６ｂと７ｂがそれぞ
れＹ軸に関して対称になるように配置することが好まし
い。また、図３で説明したように、六極磁場成分を発生
するためには、導体板５ａと６ａに逆向きの電流を流す
必要がある。従って、電子軌道を含む円筒状曲面の両側
で導体板を分離しておくことが好ましい。

【００２９】上記実施例では、巻数１回のトリムコイル
を４組配置した場合を説明したが、巻数は１回に限ら
ず、また組数も４組に限らない。例えば、導線を複数回
巻いて図１（Ａ）の導体板と同等の断面を有するコイル
としてもよい。また、組数を増加してそれぞれのトリム
コイルに適切な電流を流すことにより、多極磁場の近似
精度を高めることができる。

【００３０】偏向電磁石にトリムコイルを設けて多極磁
場成分を発生することにより、電子軌道の直線部分に多
極電磁石を配置する必要がなくなる。これにより、電子
蓄積リングの小型化を図ることが可能になる。

【００３１】また、従来の多極電磁石による多極磁場
は、軌道上の電子に作用する時間が短いため、磁場の強
さを大きくする必要があった。これに対し、トリムコイ
ルにより発生した多極磁場は電子に作用する時間が比較
的長い。このため、磁場の強さを弱くしても従来と同様
の効果を得ることができる。強い磁場を発生すると磁場
端面の乱れが大きくなり、軌道上の電子はこの乱れの影
響を受けやすくなる。磁場を弱くすることにより磁場の
乱れが少なくなり、磁場の乱れによる影響を受けにくく
なるという効果もある。

【００３２】なお、上記実施例では、電子の軌道を形成
する場合を説明したが、他の荷電粒子軌道を形成する場
合にも適用できることは当業者に自明であろう。以上実
施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制
限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組
み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
偏向電磁石中の双極磁場に、双極磁場と独立に多極磁場
成分を重畳することができる。このため、偏向電磁石の
外部に配置する多極電磁石を省略することができ、荷電
粒子蓄積リングを小型化することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による偏向電磁石の電子軌道に
垂直な面における断面図、及び軌道面における断面図で
ある。

【図２】図１に示す偏向電磁石で四極磁場成分を発生し
たときの磁力線の様子を示す図である。

【図３】図１に示す偏向電磁石で六極磁場成分を発生し
たときの磁力線の様子を示す図である。

【図４】図１に示す偏向電磁石で八極磁場成分を発生し
たときの磁力線の様子を示す図である。

【図５】従来のレーストラック型電子蓄積リングの平面
図である。

【図６】従来の偏向電磁石の平面図、及び電子軌道に垂
直な面における断面図である。

【符号の説明】

１ａ、１ｂ 磁極 ２ａ、２ｂ コイル ３ ヨーク ５ａ〜１２ａ、５ｂ〜１２ｂ 導体板 ２０ 間隙 ２１ 磁路

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】円弧状の荷電粒子ビーム軌道が形成される
   間隙を挟んで磁極面が対向するように配置された第１及
   び第２の磁極と、 前記第１及び第２の磁極に接合され、前記間隙、前記第
   １及び第２の磁極と共に閉じた磁路を形成するヨーク
   と、 前記閉じた磁路に起磁力を発生するためのコイルと、 前記第１の磁極の磁極面上に配置された第１〜第４の導
   電性部材であって、該第１〜第４の導電性部材は、前記
   円弧状の荷電粒子ビーム軌道に沿うように、円弧の内周
   側から外周側に向かって順番に配置され、前記荷電粒子
   ビーム軌道に垂直な断面を考えたとき、前記荷電粒子ビ
   ーム軌道を通り、かつ軌道面に垂直な直線に関して、前
   記第１の導電性部材と第４の導電性部材とが対称の関係
   になり、前記第２の導電性部材と第３の導電性部材とが
   対称の関係になるように配置された前記第１〜第４の導
   電性部材と、 前記第１の磁極の磁極面よりも内周側に、前記第１の導
   電性部材に沿うように配置された第５及び第６の導電性
   部材であって、前記第１の導電性部材と前記第５の導電
   性部材の一方の端部同士が接続されて第１のトリムコイ
   ルを構成し、前記第２の導電性部材と前記第６の導電性
   部材の一方の端部同士が接続されて第２のトリムコイル
   を構成する前記第５及び第６の導電性部材と、 前記第１の磁極の磁極面よりも外周側に、前記第４の導
   電性部材に沿うように配置された第７及び第８の導電性
   部材であって、前記第３の導電性部材と第７の導電性部
   材の一方の端部同士が接続されて第３のトリムコイルを
   構成し、前記第４の導電性部材と第８の導電性部材の一
   方の端部同士が接続されて第４のトリムコイルを構成す
   る前記第７及び第８の導電性部材と、 軌道面に関して、前記第１〜第８の導電性部材と面対称
   の関係を有する第９〜第１６の導電性部材であって、前
   記第９の導電性部材と前記第１３の導電性部材の一方の
   端部同士が接続されて第５のトリムコイルを構成し、前
   記第１０の導電性部材と前記第１４の導電性部材の一方
   の端部同士が接続されて第６のトリムコイルを構成し、
   前記第１１の導電性部材と第１５の導電性部材の一方の
   端部同士が接続されて第７のトリムコイルを構成し、前
   記第１２の導電性部材と第１６の導電性部材の一方の端
   部同士が接続されて第８のトリムコイルを構成する前記
   第９〜第１６の導電性部材と、 前記第１〜第８のトリムコイルに、それぞれ電流を供給
   する複数の電流源とを有する偏向電磁石。