JP3956285B2 - ウィグラリング - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、産業上利用しやすい小型の放射光発生用蓄積リングを挿入光源を主体として形成したウィグラリングとそれに用いられる挿入光源に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の放射光発生用荷電粒子蓄積リングは、電子ビームを周回させるために偏向磁石を備え、電子ビームを収束させるために４極磁石を備え、さらに電子ビームのクロマティシティを小さな正の値に調整するために６極磁石を備えている。
偏向磁石からも放射光が発生するが、放射光を利用する立場からはより強力な放射光やより波長の短いＸ線が要求されるので、放射光発生用蓄積リングでは一般にウィグラなど強い磁場を発生する挿入光源を設けて、強力な放射光を発生させて利用する。
【０００３】
図４は、従来の放射光発生用蓄積リングの概念を示す構成図である。
放射光は電子蓄積リングを周回する電子や陽電子のような荷電粒子ビームにより生成する。荷電粒子ビームの軌道は直線部と弧状部からなり、２極の偏向磁石が弧状部に配置されて荷電粒子ビームを偏向させて周回軌道を形成する。また、直線部には４極磁石、ＲＦキャビティ、６極磁石、荷電粒子入射装置、挿入光源など色々な装置が配置される。
４極磁石は縦横の収束力を交互に与え、荷電粒子ビームを発散させることなく封じ込めるレンズのような働きをする。ＲＦキャビティは、放射光を発生して失ったエネルギを荷電粒子ビームに補充する装置である。なお、荷電粒子ビームの軌道は真空ダクト内に設定されていて、ダクト内を１０^−９Torr以下の高真空に保持し走行中に残留ガス分子と衝突して分散するのを抑制し蓄積ビームが減衰しないようにしている。
【０００４】
図５は、挿入光源として使用される従来の３極ウィグラの１例を示す平面配置図、図６はその側面断面図である。
挿入光源は、放射光を発生させるだけの目的で強い磁場を発生させるもので、偏向磁石の間に形成される直線部に配置され、電子ビームが挿入光源を通過した後には電子ビームが再び同じ方向に進行するように構成され、また磁石が調整される。
図５および図６に示した従来のウィグラーは、主コイルと２個のサブコイルを一直線上に配置して構成される。第１サブコイルは、入射するビームに対して垂直な入射面を有し入射面と平行な出射面を有する磁場を形成する。主コイルは、第１サブコイルの出射面と平行な入射面と入射面に平行な出射面を有しサブコイルの磁場と反対の方向の磁場を形成する。第２サブコイルは、第１サブコイルと同じものである。
【０００５】
ウィグラーに入射するビームは、第１サブコイル中で偏向し、主コイルに入射して強い磁場で逆方向に偏向し、さらに第２サブコイルに入射して主コイルと反対の方向に偏向し、第２サブコイルから出射する。
主コイルの磁場を強くすれば、強い放射光を得ることができる。
主コイルの磁場に対してサブコイルの磁場を適当に選択して、ビームの軌道に沿った磁場の１回積分値および２回積分値がゼロになるようにする。すると、ビームの軌道が主コイルの中心面を挟んで対称になり、ウィグラーの出射ビームの軸を入射ビームの軸の延長に合致するようになって、電子蓄積リングにおける荷電粒子ビームの周回運動を乱さないようになる。
【０００６】
このように、従来の放射光発生用蓄積リングでは、荷電粒子ビームを周回させる偏向磁石と放射光を発生させる挿入光源で役割を分担していた。蓄積リングの直線部は偏向磁石の間に存在するが、挿入光源は一部の直線部にしか設置されず、放射光を発生させる挿入光源より偏向磁石の方が多かった。
蓄積する荷電粒子ビームをエネルギー１ＧｅＶの電子ビームとし、偏向磁石の強さを１．３Ｔ程度として、図４に示すような楕円配置にしたときに、長辺部に約４ｍの直線部を形成して、挿入光源を設置するとすれば、対辺側の直線部には電子入射部やＲＦキャビティを設置することになる。この従来例では、偏向磁石を６式用い周長が約３７ｍもある蓄積リングであるにもかかわらず挿入光源が１個しか設置できない。
【０００７】
また、４極磁石や６極磁石は電子ビームの質を維持して循環蓄積するために必須ではあるが、放射光を発生するわけではないので放射光を利用する上で直接に必要なものではない。放射光発生装置を産業上利用しようとすると、装置の小型化と低コスト化が重要な要件になるが、４極磁石や６極磁石を多数設けることは電子蓄積リングの大型化と高コスト化を招き、装置の利用領域を拡大する上に障害になる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、蓄積リングの構成部品を削減した経済的な放射光発生用蓄積リングを提供して、放射光の工業的な利用を可能にすることである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の放射光発生用蓄積リングは、Ｎ個の挿入光源を用いた蓄積リングであって、挿入光源の荷電粒子ビームの入射方向と出射方向の角度差の合計が３６０°になるように構成することを特徴とする。このように構成することにより荷電粒子ビームを周回させることができる。したがって、蓄積リングに偏向磁石を用いる必要が無く、製作のコストが小さくなる。また、蓄積リングの構成部品が少なくなる分リングも小さくなるので、工業的な利用がより容易になる。
また、Ｎ個の挿入光源は全て同じ構造を有し、挿入光源を形成する磁石による荷電粒子ビームの偏向角の合計が３６０°／Ｎになるように構成することが好ましい。このように同じ構造の挿入光源を利用することにより蓄積リングの設計と製作がより容易になる。
【００１０】
さらに、挿入光源構成磁石が形成する磁場領域における荷電粒子ビームの入射面と出射面が荷電粒子ビームに対して傾斜を持つように構成しエッジフォーカス効果により荷電粒子ビームを縦方向と横方向に収束させるようにすることが好ましい。磁石のエッジフォーカス効果を利用することにより、４極電磁石と同じ作用を得ることができるので、蓄積リングの４極磁石を削減したり完全に省略したりすることが可能となる。
またさらに、挿入光源を形成する磁石への荷電粒子ビームの入射角を調整することにより荷電粒子ビームのクロマティシティを調整することができる。入射角によりクロマティシティを調整することにより６極磁石を省略することができる。
【００１１】
また、本発明の挿入光源は、１個の主コイルとこれを挟んで対称に配設される２個のサブコイルからなり、サブコイル同士が同じ構造を有し発生する磁場の向きが主コイルの磁場と逆であって、挿入光源に入射する荷電粒子ビームが所定の偏向角をもって出射するように構成されることを特徴とする。
挿入光源に対するビームの入射方向と出射方向の偏差を所定の値とすることにより、挿入光源を従来の偏向磁石の役割を兼ねさせることができるようになる。
さらに、主コイルとサブコイルにおける荷電粒子ビームの入射面と出射面が荷電粒子ビームに対して傾斜を持ちエッジフォーカス効果を有するようにすることが好ましい。このような挿入光源を蓄積リングに使用することにより、４極磁石や６極磁石を省略することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の放射光発生用蓄積リングについて実施例に基づき図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の１実施例における放射光発生用蓄積リングの構成図、図２は使用されるウィグラの磁石配置図、図３は本実施例におけるリング１周に亘るビームパラメータを示す図面である。
【００１３】
本実施例の蓄積リング１は、電子ビームを４５°ずつ偏向する能力を有する挿入光源２を正８角形の頂点位置に配備して電子の周回軌道を形成したものである。
蓄積リング１の１個の直線部に電子入射装置３を配置し、その対偶に当たる直線部にＲＦキャビティ４を配置してある。
電子ビームの軌道５は真空チャンバで真空状態に保持されている。
放射光は各挿入光源２で発生しそれぞれ実験室に導かれて、そこで医療、化学反応、分析、微細加工など各種分野における放射光利用に供される。
【００１４】
挿入光源２は、１個の主コイル２１とこれを挟んで対称に配設される２個のサブコイル２２，２３からなるウィグラーである。主コイル２１とサブコイル２２，２３は発生する磁場の向きが逆になっている。
従来の挿入光源は、電子ビーム５の軌道に沿った磁場の積分値がゼロでなければならなかった。しかし、本実施例の挿入光源２では磁場の積分値がゼロではなく、磁場積分値に対応する偏向角が所定の値になるように調整されている。
【００１５】
本実施例の主コイル２１は、磁場強さを７Ｔとし、エネルギー１ＧｅＶの電子ビームに対して６７．５°偏向させるだけの幅を持たせてある。一方、サブコイル２２，２３は、磁場強度３Ｔとし、同じ電子ビームをそれぞれ−１１．２５°偏向させるようにする。サブコイル２２，２３は対称形とし設計製作上の便宜を図っている。
このように、挿入光源２の偏向角が４５°になるようにしたので、８基の挿入光源の偏向角を合計すると３６０°となり、電子ビーム軌道は閉曲線を形成する。
なお、３個のコイル２１，２２，２３を組み合わせた外側面は互いに平行になっていて、挿入光源の長さはほぼ１ｍになる。
【００１６】
従来の挿入光源を用いるときは、外側コイルに対する電子ビームの入射角と出射角は共に０°とする。
しかし、本実施例では、上流側のサブコイル２２への入射角と下流側のサブコイル２３からの出射角を偏向角の半分にすると共に、主コイルとの接続面の角度を適当な値に取っている。
コイルが形成する磁場の端部には境界面に対して垂直の方向に円弧状に張り出した漏れ磁束が存在するため、境界面に対して斜めに運動する電子ビームに対して収束力や発散力を及ぼす、いわゆるエッジフォーカス効果が発生する。
【００１７】
このエッジフォーカス効果は、磁極が形成する磁場の端面に斜めに入射する電子ビームに磁極面に対して垂直方向と平行方向に収束力もしくは発散力を生じる。コイルの形成する磁場の片面から入射して反対の面から出射する電子ビームに対しては、縦方向と横方向の両方に収束力を持つようにすることができる。収束力は、磁場方向、磁束密度、電子ビームエネルギー、入射角度もしくは出射角度に対応して決まる。
本実施例では、上流側のサブコイル２２の形成する磁場の入射面に対する電子ビーム５の入射角と下流側のサブコイル２３の磁場の出射面からの出射角を偏向角の半分である２２．５°としている。
さらに、サブコイル２２，２３と主コイル２１の接続面も電子ビームの進行方向に対してたとえば１３．５°など適当な傾きを持つように構成して、電子ビームの縦横両方向に適当な収束力を与えている。
【００１８】
本実施例の挿入光源２を用いることにより、従来の蓄積リングで必須とされてきた４極磁石を省略して、良質な電子ビームを維持することができるようになった。
図１に示した蓄積リングは、この挿入光源２を８個用い直線部の長さが１ｍになるように構成したもので、周長が１６ｍ、平均半径が約２．５ｍとなる。この蓄積リング１は、図４に示した従来例において電子ビームエネルギーとウィグラ磁場を同じ程度にしたものと比較すると、ほぼ４分の１の面積で設置が可能となる。しかも、従来型ではウィグラが１台しか設置されないのに対して、本実施例ではウィグラが８台設けられるので、同時に多数の放射光利用設備を稼働させることができる。
【００１９】
なお、図１の蓄積リングについて、高エネルギー加速器研究機構で開発された加速器設計コード（ＳＡＤ）によりビームパラメータを計算した結果、自然エミッタンスが約１×１０^−６m-rad、モーメンタムコンパクションファクタが０．１２４４、クロマティシティが縦横それぞれ−１．９、−３．７となった。
また、蓄積リング中のベータ関数βｘ，βｙと分散関数ηｘの分布は図３に示すとおりになった。
図３は、横軸に電子ビームの軌道に沿った距離、上段の縦軸にベータ関数の平方根、下段の縦軸に分散関数をとったものである。図の下に蓄積リング中のウィグラの位置を示した。
図３から分かるように、本実施例における条件では、ベータ関数と分散関数はそれぞれ発散することなく蓄積リング内で安定している。
【００２０】
なお、上記実施例の説明では、挿入光源を構成する磁石の側面の傾きを上記の通り選択したが、この他にも本発明の技術的思想に沿って偏向磁石の機能を兼用させることができる角度の組合せがあることはいうまでもない。
また、図２ではサブコイルと主コイルの磁場領域の接続面が平行になっているが、サブコイル側の面と主コイル側の面の間に角度があっても良い。
さらに、上記実施例の説明では、８台のウィグラで正８角形配置の蓄積リングを構成したが、正多角形でなくても良い。また、一部に長い直線部を形成してＲＦキャビティなどを配置してもよい。
ウィグラにおける偏向角の合計が３６０°になるようにした３以上の適当な整数Ｎ台のウィグラによりＮ角形の蓄積リングを構成することもできる。
なお、ウィグラの主コイルの数は１でない奇数ｎであって、その各コイルの磁場は交互に逆になっているものであってもかまわない。この場合、放射光の強さは１個の場合のｎ倍になる。
さらに、従来の偏向磁石で構成する蓄積リングにおいて偏向磁石の一部のみを本実施例の挿入光源で置き換えた構成にしても良いことはいうまでもない。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明の挿入光源を偏向磁石の位置に配置して形成した蓄積リングは、構成部品が少ないため小型で経済的に製作することができ、しかも放射光を発生する場所が多いので、放射光を工業的に利用するときに有利である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施例における放射光発生用蓄積リングの構成図である。
【図２】本実施例に使用されるウィグラの磁石配置図である。
【図３】本実施例における蓄積リング１周に沿ったビームパラメータを示す図面である。
【図４】従来の放射光発生用蓄積リングの概念を示す構成図である。
【図５】従来の３極ウィグラの１例を示す平面配置図である。
【図６】従来の３極ウィグラ例の側面断面図である。
【符号の説明】
１ 蓄積リング
２ 挿入光源
３ 電子入射装置
４ ＲＦキャビティ
５ 電子ビーム
２１ 主コイル
２２，２３ サブコイル

Claims (7)

1. 主コイルとこれを挟んで配設された入射サブコイルと出射サブコイルで構成された挿入光源をＮ個用いた蓄積リングであって、荷電粒子ビームが該入射サブコイルの入射面に対して所定の角度をもって入射し、かつ荷電粒子ビームが該出射サブコイルの出射面に対して所定の角度をもって出射するもので、該Ｎ個の挿入光源における荷電粒子ビームの入射方向と出射方向の角度差の合計が３６０°になるように構成して、該Ｎ個の挿入光源のみの作用で荷電粒子ビームを周回させることを特徴とするウィグラリング。
2. 前記Ｎ個の挿入光源が全て同じ構造を有し、該挿入光源を形成する前記主コイルとサブコイルの磁場による荷電粒子ビームの偏向角の合計が３６０°／Ｎになるように構成することを特徴とする請求項１記載のウィグラリング。
3. さらに、前記挿入光源を構成する主コイル及びサブコイルにおける荷電粒子ビームの入射面と出射面が荷電粒子ビームに対して傾斜を持つように構成しエッジフォーカス効果により４極電磁石を用いずに荷電粒子ビームを縦方向と横方向に収束させるようにしたことを特徴とする請求項１または２記載のウィグラリング。
4. さらに、前記挿入光源を形成する主コイル及びサブコイルへの荷電粒子ビームの入射角を調整することにより６極磁石を用いずに荷電粒子ビームのクロマティシティを零に近い値にすることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のウィグラリング。
5. 奇数個の主コイルとこれを挟んで対称に配設された入射サブコイルと出射サブコイルからなる挿入光源であって、該入射サブコイルと出射サブコイルが同じ構造を有し発生する磁場の向きが前記主コイルの磁場と逆であって、前記入射サブコイルに入射する荷電粒子ビームが該入射サブコイルの入射面に対して所定の角度をもって入射し、前記出射サブコイルを出射する荷電粒子ビームが該出射サブコイルの出射面に対して同じ所定の角度をもって出射するように構成されることを特徴とする挿入光源。
6. 前記主コイルとサブコイルのそれぞれにおける荷電粒子ビームの入射面と出射面が荷電粒子ビームに対して傾斜を持ちエッジフォーカス効果を有するようにしたことを特徴とする請求項５記載の挿入光源。
7. 前記主コイルの数が１でない奇数個であって、その各コイルの磁場が交互に逆になっていることを特徴とする請求項５または６記載の挿入光源。12

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