JP4000555B2

JP4000555B2 - 周期磁場発生装置

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Publication number: JP4000555B2
Application number: JP2001339523A
Authority: JP
Inventors: 義彦栗山
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 2001-11-05
Filing date: 2001-11-05
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2021-11-05
Also published as: JP2003142300A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子加速器や電子蓄積リングからの電子ビームを利用する高強度挿入光源装置（アンジュレータ）に関し、さらに詳しくは永久磁石を複数個配列し直線上に周期的な磁場を発生させる周期磁場発生装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
アンジュレータは周期磁場発生装置から構成されており、アンジュレータ中に電子を入射して蛇行運動を行わせ、各蛇行毎に放射される放射光を干渉させることにより、高輝度な放射光を発生させることが出来る。しかし、電子の蛇行軌道に少しでも歪みがある場合は、各蛇行毎に放射される放射光の干渉が不充分となり、放射光の輝度は極端に低下する。このためアンジュエレータの周期磁場は高い精度が要求される。
従来のアンジュレータは、図１３に示すように矩形の永久磁石を９０度づつ磁化方向を変えて４個で１周期の組み合わせとなし、これを規則的に複数個配列し架台に固定した磁石列Ａ、Ｂを形成し、この磁石列Ａ、Ｂをギャップｇを介して対向配置させたものである。ギャップ内には真空の導波管が挿入され内部を電子蓄積リングからの電子ビームが通過する。このような磁気回路により直線上に周期的な磁場を発生させ、ギャップ間の導波管に、ほぼ光速に加速された電子ビームを通過させることにより、電子ビームと磁場との共鳴的な相互作用によってコヒーレントな電磁波を発生することができる。このときアンジュレータのギャップ長を変え、その磁場強度を変化させることにより、発生する電磁波の波長を変えることができる。その波長は、磁場調整範囲から０．１μmから５０μmのオーダで変化できる。しかしながら、ギャップ長を変動させることで磁場精度が悪化し、各波長での出力が十分確保できなくなるため、１台の装置あたりに発生する波長の範囲が狭く、複数台のアンジュレータが必要となっていた。
【０００３】
また、アンジュレータ内で発生した電磁波または光は、アンジュレータを挟む一対のミラーにより共振し、レーザー発振する。このとき、アンジュレータ内に集郡化した電子は、上記の矩形の永久磁石を配列した磁気回路のものにおいては、電子ビームの進行方向と垂直で、永久磁石表面と平行な方向に磁場勾配をもっているため、その磁場勾配方向に徐々に中心からずれてしまい、異なった波長の光を発生する。そのため、異なる波長の光どうしで減衰するため、レーザー発振の出力を低下させてしまう。
より高強度の電磁波を発振するための手段としては、中心磁場の分布を正弦波にすることが良いことが知られている。従来の矩形の永久磁石を使用し磁気回路を構成する場合、水平方向に配置する永久磁石間に高飽和磁化の軟磁性材料を挟んだハイブリッド型構成や水平型ハルバッハ磁気回路構成にて正弦波に近い分布にすることが提案されている（特開平９−９２４９８号公報、特開平１０−２８９８００号公報）。しかし、この場合、中心磁場強度を高くするためには、アンジュレータのギャップ長を小さく、永久磁石の厚みを厚く、周期長を長くする必要があり、そのためアンジュレータ装置は大きくなってしまう。
【０００４】
また、発生する電磁波の波長を変化させるには、前述のようにアンジュレータのギャップ長を変化させるのであるが、高強度の電磁波を発生するために磁場の均一度を通常１％以下の高精度に調整し保つ必要がある。しかしギャップ長を一旦変化させてしまうと磁場の均一度は悪化し、発生する電磁波の強度も低下してしまう。そのため、最低限の電磁波の強度を維持しようとすると、ギャップの可変範囲は機械的な調整範囲より小さくなってしまうといった問題がある。もっとも、ギャップ内には導波管が挿入されるので、導波管の外径（20mm程度）によって最小幅は制限される。
【０００５】
一方、磁場強度を適宜変更する手段として永久磁石を用いた円形型ハルバッハ磁気回路を構成したものがある。「ＩＥＥＥＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳＯＮＭＡＧＮＥＴＩＣＳ．ＶＯＬ．３５．ＮＯ．５．ＳＥＰＴＥＭＢＥＲ１９９９」あるいは特開平６−２２４０２７号公報などにその一例が記載されており、この円形型ハルバッハ磁気回路の一例として、図１４に示すように磁化方向が２種類以上異なる複数の永久磁石を組み合わせたものがある。図１４のハルバッハ磁気回路構成では外側リング磁気回路と内側リング磁気回路から構成されており、内側リング磁気回路と外側リング磁気回路が互いに回動可能な構造となっている。
内側リングと外側リングの磁気回路を図１４（ａ）に示すように回転させた状態では、各磁石の磁化方向の角度から内側リング磁気回路の磁場方向と外側リング磁気回路の磁場方向とが一致するため、内側リング磁気回路の中央空洞部では内側リング磁気回路が発生する磁場と外側リング磁気回路が発生する磁場を合わせた強度の磁場が発生する。一方、図１４（ｂ）に示すように（ａ）から１８０度回転させた状態では、内側リング磁気回路と外側リング磁気回路が個々に発生する磁場強度が同じとき、中央空洞部では逆に磁場が略０になる。よって、両リングの回転角度により磁場が０〜ＭＡＸまで調整できるものである。以上により、このハルバッハ磁気回路では、内側リング磁気回路単体の場合に形成される複数の永久磁石による磁気回路に対して、外側リング磁気回路に設けられた複数の永久磁石の磁化方向を前記内側リング磁気回路の磁気回路を妨げる方向に配置しているものであり、外側リング磁気回路が発生する磁場強度が磁場調整範囲となって作用する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
以上、従来技術を述べてきたが、結局上述した矩形の永久磁石を配列した周期磁場発生装置においては、装置が大型化すると共に、４極以上のものでギャップ調整機構を含めて製作することは構造的に困難があり、結局、磁場分布は正弦波分布からずれてしまうため電子ビームの拡散も抑えることができず、出力低下を招くと言う問題があった。例えば、図１３に示すように矩形の永久磁石を向かい合わせて配置し、水平方向に周期的な磁場を発生させているが、この装置に電子ビームを入射すると、電子ビーム方向の進行方向に対し水平方向で、かつ永久磁石のギャップ面に水平な方向に電子ビームは拡散する。そのため、１周期内に永久磁石を水平に配列したものと垂直に配列したものを交互に配置するいわゆる４極のヘリカルな磁場を発生することにより、水平方向への拡散を防止することが行えるが、この場合においても磁場分布は磁場強度の低い４５°方向に電子ビームは拡散してしまう。これは、軸方向と垂直な磁気回路の面内（１極の磁気回路）方向の磁場均一性が悪いために起きている現象と考えられる。
【０００７】
本発明は上記のような課題を解決するものであり、従来にない磁場精度を有し、軽量小型で、設備コストが安価である周期磁場発生装置を、なお且つ磁場調整範囲が広くとれて中心磁場分布が正弦波分布となり、発生電磁波の波長のチューニング範囲が広い周期磁場発生装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本願発明者は、この永久磁石を用いた周期磁場発生装置を製造するに際し、下記のような最適な構造を考察し、本発明に至った。即ち、４極のヘリカルな磁場を発生する磁気回路の磁場分布において、磁場強度の低い４５°方向に電子ビームが拡散してしまうと言う問題に対し、電子ビームが通過する中心軸方向に対して垂直な方向の磁場勾配が小さく、半径方向に均一な磁場を発生するリング状の磁気回路を有する構成とすることにより解決した。即ち、互いに異なる磁化方向を有する２種類以上の永久磁石を複数組み合わせてリング状に構成したリング磁気回路をその軸方向に複数個重ねることにより中心軸上に正弦波状周期磁場を発生するようにした。ここで、中心軸方向に正弦波状の磁場分布を発生させるため、１周期あたりの磁極数を４極以上で構成するように前記リング磁気回路を軸方向に重ねていく周期磁場発生装置とした。
【０００９】
また、このとき磁気回路の構成は、異なる磁化方向をもつ２種類以上の永久磁石を左右上下対称に配置し、磁化方向を連続的に変化させ、リング状磁気回路の内径側（中央空洞部）において特定な直径方向に磁束の向きが発生するようにリング状磁気回路内の永久磁石の磁化方向を配置し、結果的に中心軸に精度の高い正弦波周期磁場を発生させるようにした。すなわち、互いに異なる磁化方向を有する２種類以上の永久磁石を複数組み合わせてリング状に構成したリング磁気回路をその軸方向に複数個重ねると共に、中心軸上に正弦波状周期磁場を発生するように、１周期内にリング磁気回路の磁極を４個以上有し、その中心軸上にておのおのが発生する磁場の主方向が、軸方向断面において互いに１８０°以下の角度でずれるようにした。
【００１０】
本発明の周期磁場発生装置において、リング磁気回路の軸方向の厚さｔと、周期長を磁極数で割った値（リング磁気回路の１極あたりの軸方向の取り付けピッチ）ｐとの比ｔ／ｐを５０〜１００％にした。
【００１１】
本発明の周期磁場発生装置は、上記したリング状の磁気回路を内側リング磁気回路となし、当該内側リング磁気回路の外周側にこの内側リング磁気回路と同様のリング状の磁気回路を外側リング磁気回路として配置した２重リング磁気回路構造を有し、さらに内側リング磁気回路を構成するリング磁気回路の軸方向の取り付けピッチｐ２と外側リング磁気回路を構成するリング磁気回路の軸方向の厚みｔ２とを同一寸法に形成し、内側リング磁気回路は回転させずに固定し、外側リング磁気回路を回転させて磁場調整を行うことを特徴とする。
即ち、この２重リング磁気回路構造の周期磁場発生装置は、内側リング磁気回路を固定し、外側リング磁気回路を回転させて、中心磁場のピーク値を０〜２．０Ｔまで調整できるようにしたものが望ましい。
さらに、本発明の周期磁場発生装置において、内側リング磁気回路を真空チャンバー内に設置し、その真空チャンバーの外側に外側リング磁気回路を設け、この外側リング磁気回路を回転させる回転機構を具備させることが望ましい。
また、本発明の周期磁場発生装置において、外側リング磁気回路に使用する永久磁石は１．２Ｔ以上の残留磁束密度及び１１１４ｋＡ／ｍ以上の保磁力を有し、内側リング磁気回路に使用する永久磁石はＳｍ−Ｃｏ系希土類磁石であることが望ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について作用と共に説明する。
まず、従来の矩形の永久磁石を使用する場合は、向かい合わせた永久磁石のギャップ長を変化させて磁場調整を行うが、この場合ギャップ長を変化させると、磁場分布は正弦波状の分布からずれてしまう。このものでは軸方向の磁石の厚みとギャップ長から正弦波に近くなるよう磁石形状を設定及び高精度な調整を行っているため、初期調整時のギャップ長に対しては正弦波に近い分布となっているが、その後ギャップ調整をすれば磁場分布が次第に正弦波分布からずれていく。それゆえ、ギャップ長の変化に伴って電磁波の発生出力も低下し、高出力を保ちながら発生できる波長の範囲は小さくなってしまう。この点本発明では、ギャップ長を変化させるメカニズムではなく、先ず、互いに異なる磁化方向を有する２種類以上の永久磁石を複数組み合わせた磁気回路をリング状に構成することとし、このリング状磁気回路をその軸方向に複数個重ねて配置することにより中心軸上に正弦波状周期磁場を発生するように構成した。そして磁気回路を回転させることで磁場を調整可能としたことにより、幾何学的な磁気回路の変動をなくす機構となったものである。即ち、磁場調整時にギャップ変動しないため、中心軸からの距離が相対的に変動しないことにより磁気的エネルギーの移動がなくなり高精度な調整を行った状態を維持できるため、磁場調整を行った後も精度の高い正弦波分布が実現できる。
【００１３】
磁場強度の調整については、リング状磁気回路の更に外周側に内側リング磁気回路と同じ磁化方向を持ち、内側リング磁気回路より大きい外側リング磁気回路を配置し、この外側リング磁気回路を、固定した内側リング磁気回路に対して回転させることにより、中心軸上の磁場精度を保ちながら磁場調整を可能とした。これにより中心軸上の磁場は０〜２．０Ｔまで調整できることが解った。
前記外側リング磁気回路を、固定した内側リング磁気回路に対して回転させた場合は、後述の通り、中央空洞部に発生する磁場の方向は、相対的に方向が変わらないことが解った。周期磁場発生装置では発生する電磁波の波長を変えるため磁場を変化させる。その際の磁場の変化を詳細に測定した結果、内側リング内の中央空洞部の磁場方向は内側リング磁気回路に同期し、中心軸上の磁場が変化することが解った。
図１０は内側リング磁気回路を固定した上で外側リング磁気回路を回転させたときの内側と外側の磁気回路の合成磁場を表しており、縦軸が合成磁場の磁束密度を、横軸は外側リングの回転角度である。このように外側リング磁気回路の回転角調整によって正弦波周期磁場が得られることが確認された。従って、これとは逆に例えば、磁場を最大にした状態から前記外側リング磁気回路を固定しながら前記内側リング磁気回路を回転させて中央空洞部の磁場を変化させようとすると、中心軸上に発生する磁場方向は前記内側リング磁気回路が発生する磁場方向と同期して回転しながら磁場強度が低下する。このような周期磁場発生装置に電子ビームを入射すると、第１番目の前記内側リング磁気回路の磁場強度に応じ電子ビームが曲げられるため、電子ビームを磁気回路の中心軸上を通過させるためには、前記内側リング磁気回路の発生磁場方向に対して常に一定の角度を保ちながら電子ビームを入射する必要があり、そのため、前記第１番目の内側リング磁気回路の磁場発生方向に同期し、電子入射角度も変化させる必要がある。したがって、電子ビーム入射系装置を簡素化するため、内側リング磁気回路は回転させず、外側リング磁気回路を回転させて磁場調整を行うことが必要である。
【００１４】
ところで、２重のリング状磁気回路を軸方向に重ねる構造の一例が、「Ｊ.Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．６４．ＮＯ．１０,１５Ｎｏｖｅｍｂｅｒ１９８８」に記載されている。しかしながら、これは１周期を２分割し、２つの磁極により構成する２極の周期磁場発生装置でありヘリカル磁場を得るものではない。すなわち、この構成では中心軸上の磁場分布は正弦波分布から著しくずれているため、当然電磁波の出力は低下してしまう。これを改善するため１周期を４分割以上、すなわち磁極数を４極以上とすることで、中心軸上の磁場分布を正弦波との誤差が最大２０％以下に近づけることができ、特に磁極数が１２極以上において、ほぼ正弦波と一致することがわかった。また、ハルバッハ磁気回路を用いることにより軸方向と垂直な磁気回路の面内方向の磁場分布均一性が改善され、さらにギャップ変動しないことにより磁気エネルギーを変化させないで磁場調整が可能である。よって、電子ビームの拡散を抑えて高強度で高範囲の波長の光を発生させることができる。
【００１５】
本発明の周期磁場発生装置は、従来の矩形型永久磁石を上下に分けて磁気回路を構成していたものに比べ、一体の磁気回路と同じことになり、磁気抵抗が少なく、磁石パーミアンスが上がるため外形を小さくできる。また、小さくできることから本装置全体を真空チャンバー内に納めることも容易である。例えば、内側リング磁気回路のみを真空チャンバー内に封入し、外側リング磁気回路は真空チャンバー外に設置し、外側リング磁気回路の回転機構も真空チャンバー外に設置することができる。この場合、真空チャンバーの容積を小さくし、装置の立ち上げ時間を短くすることができると共に、真空引きに要する電力を低減することができる。
内側リング磁気回路、外側リング磁気回路に用いる永久磁石の組成は、Ｂａフェライト系、Ｓｒフェライト系、ＬａおよびＣｏ添加のフェライト系、希土類系のＳｍ−Ｃｏ系、Ｓｍ−Ｆｅ−Ｎ系等公知のものが全て適用できるが、磁気特性に優れたＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系であることが好ましい。Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石は温度特性に問題が有り、従来構造では真空装置内に設置するためにはギャップ調整機構も含むため装置が複雑なものになっていたが、上記したようなチャンバーの外に外側リング磁気回路及び回転機構を配置する構成とすることで真空装置の構造を簡素化できると共にＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石の使用が容易となる。以上よりリングの中央空洞部に必要とする磁場強度、熱影響等により適宜選択可能であり、焼結体だけでなく樹脂等と混合させたボンド磁石としてもよい。
また、真空装置内に設置される永久磁石は脱ガス処理を行うため、２００℃以上の高温にさらされる。そのため、永久磁石は、その固有保磁力ＨｃＪは１５００ｋＡ／ｍ以上が必要である。よって内側リング磁気回路のみＳｍ−Ｃｏ系希土類磁石を使用してもよい。
【００１６】
以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて説明する。
（参考例１）
図１は参考例の周期磁場発生装置におけるリング状磁気回路の一例を示す斜視図である。図１では周期磁場発生装置の磁気回路部の１周期分を示しており、図中１はリング磁気回路を示し、各セグメントはＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系の永久磁石４（図２の斜線部）で構成している。この永久磁石４の磁気特性を測定したところ、残留磁束密度＝１．３７Ｔ、保磁力＝１１３０ｋＡ／ｍであった。図２は、周期磁場発生装置の磁気回路として組み立てた断面構成図（一部省略）であり、各リング磁気回路１は、保持部材１１に接着等により固着されている。保持部材１１はＳＵＳ３０４からなり、他にアルミニウム、エポキシ樹脂などの非磁性材料から形成することができる。さらにリング磁気回路１が固着された保持部材１１は管状の固定部材１２に固定ピン１３により機械的に固定して組み立てている。固定部材１２や固定ピン１３は、保持部材１１と同様に非磁性材料から形成する。またこの図に示した構造にこだわるものではないが、例えば固定ピン１３はボルトねじ、平行ピン、テーパーピンなどを用いてもよく、これにより中心軸方向のリング磁気回路１の固定ピッチを精度よく行うことができる。
【００１７】
さて、本参考例では３種類の磁化方向を有するセグメント状の永久磁石４を円周方向に８等分割してリング磁気回路１をそれぞれ構成している。１周期あたり８極の磁極で構成した８極用リング磁気回路１の１周期の構成例である。各々の磁石４の磁化方向は図１に示すように中央空洞部５内に一方向の磁場６が発生するように左右上下に対象性を持たせており、これによって隣接する８極用リング磁気回路１が中央空洞部５の中心軸上に発生する磁場の方向は、全て一様に４５°づつずれている。よって、本例はそれぞれのリング磁気回路１を４５°づつずらして８極を重ねて１周期を構成したものである。具体的にはリング磁気回路１の内径Ｄ_０は２０ｍｍで半径方向の幅は８ｍｍ（外径Ｄ_１＝３６ｍｍ）とした。また、１周期１１０ｍｍを８極の磁極にて構成しており、リング磁気回路１の１極あたりの取り付けピッチｐは１３．７５ｍｍである。ここで、リング磁気回路１の軸方向の厚さｔを１０．７５ｍｍとした。よって本例の磁極の軸方向の厚さｔと、周期長を磁極数で割った値（リング磁気回路１の取り付けピッチ）ｐとの比ｔ／ｐは７８％である。この値はより大きい方が好ましく、５０％を下回ると磁場強度が実用レベルに達しないため不都合である。
リング磁気回路１の取り付けピッチｐとリング磁気回路１の軸方向の厚みｔは、等しい方がより強い中心磁場が得られるため、リング磁気回路１の外周側に十分な空間が有る場合は、図３に示すように保持部材１１’を、図２のように各リング磁気回路１の間に設置する構造ではなく、リング磁気回路１’の外周側に同じ幅で設置する構造としてもよい。
また、リング磁気回路１の内径側空洞部には電子ビームを通過させるための導波管を設置する。
【００１８】
（参考例２）
図４は、参考例１と同様のセグメント状の永久磁石４を円周方向に８等分割し、１周期あたり１２極の磁極で構成した１２極用リング磁気回路２の１／２周期の構成例である。したがって隣接する１２極用リング磁気回路２が中央空洞部５に発生する磁場６の方向は、全て一様に３０°づつずれている。各永久磁石の磁気特性及び固定方法等は参考例１と同様である。また各々の磁石の磁化方向は図４に示す通りであり、１２極用リング磁気回路２の内径Ｄ_０及び外径Ｄ_１も参考例１と同じであるが、リング磁気回路２の１極あたりの取り付けピッチｐは９．１６ｍｍで、リング磁気回路２の軸方向の厚さｔを９．１６ｍｍとし、磁極の軸方向の厚さｔと、周期長を磁極数で割った値ｐとの比ｔ／ｐは１００％となした。すなわち図３の構造とした。また参考例１と同様にリング磁気回路２の内径側空洞部には電子ビームを通過させるための導波管を設置している。
【００１９】
参考例１と参考例２において中央空洞部の内部の磁場を測定したところ、半径方向に対し中心軸から５ｍｍ（φ１０）の範囲内において±１％以下の均一磁場強度が得られていることを確認した。また、参考例１について軸方向の磁場分布を１／４周期について測定した結果を図８に、同様に参考例２の１２極の場合の測定結果を図９に示す。図８、９から、８極と１２極でともに点線で示した正弦波分布に近い波形が得られているが、１２極にすることでより正弦波分布に一致することが確認できた。
【００２０】
（実施例１）
図５は、参考例１のリング磁気回路１の外周側に外側リング磁気回路３を配置した周期磁場発生装置３０の例である。外側リング磁気回路３は、内側リング磁気回路１と同様に永久磁石を円周方向に８等分割してなり、周期磁場発生装置３０は、内側リング磁気回路１、外側リング磁気回路３を有して構成したものである。
外側リング磁気回路３の磁化方向は図１に示す通りであり、内側リング磁気回路１の内径Ｄ_０は２０ｍｍで半径方向の幅は８ｍｍ（外径Ｄ_１＝３６ｍｍ）とし、外側リング磁気回路３の外径Ｄ_３は１２０ｍｍで半径方向の幅は４０ｍｍ（内径Ｄ_２＝４０ｍｍ）とした。さらに内側リング磁気回路１の軸方向の厚さｔ１は８極の極数から１周期１１０ｍｍを８等分した厚み１３.７５ｍｍに対し、保持部材１１の厚み３ｍｍを配置するため、１０．７５ｍｍとした。一方、外側リング磁気回路３の厚みｔ２は、内側リング磁気回路１と同じでもよいが、外側リング磁気回路３の外側に外側リング磁気回路保持部材１４を設置する構造であれば、本図のように外側リング磁気回路３の軸方向の厚みｔ２は内側リング磁気回路１の取り付けピッチｐ２と同じにすることができる。
内側リング磁気回路１または外側リング磁気回路３の中心軸上の磁場強度をあげるためには、外径を大きくするか、または軸方向の厚みを大きくすることが有効である。また、内側磁石４の軸方向厚みより外側磁石７の厚みを大きくすることにより、磁場調整範囲を大きくすることができる。よって、外側リング磁気回路３の発生する磁場強度は内側リング磁気回路１の取り付けピッチｐ２と外側リング磁気回路３の軸方向の厚みを同じにすることにより、中心磁場を高めることができ、前述のように外径を大きくしたことと同じ効果が得られる。そのため外側リング磁気回路３は内側リング磁気回路１の取り付けピッチｐ２と等しくし、装置の小型化を図ることが好ましい。
また、図示はしていないが外側リング磁気回路３を駆動させるための駆動手段として、外側リング磁気回路３の外周側のケース１４の外側にギアを構成し、モータにより内側リング磁気回路１に対して回転可能にしている。また参考例１と同様に内側リング磁気回路１の中央空洞部には電子ビームを通過させるための導波管を設置する。
【００２１】
（実施例２）
図６は、参考例１のリング磁気回路１を真空チャンバー１７内に設置し、真空チャンバー１７の外側に実施例１の外側リング磁気回路３を設置した例である。外側リング磁気回路３の磁石を回転する機構は、実施例１と同様である。本実施例では、真空チャンバー１７内に設置した内側リング磁気回路１の形状等は、参考例１と同様であるが、真空チャンバー１７内に内側リング磁気回路１を封入することで、内側リング磁気回路１の内径をφ２０ｍｍよりさらに小さくすることが可能であり、中央空洞部６の中心軸上の磁場強度をさらに強くすることができる。これにより発生する電磁波の波長をさらに短くでき、発生波長範囲も広くすることができる。
【００２２】
上記した参考例１から実施例２において、内側リング磁気回路１、２及び外側リング磁気回路３に使用したセグメント磁石４は、磁化方向が３種類のものを適宜組み合わせたが、本発明では図１１に示すように磁化方向が２種類の永久磁石を用いて磁気回路を構成することも出来る。また、上記した例では同心円状の略扇形状としたが、永久磁石の製造を容易にするために、略台形の形状にしてもよい。また、セグメント磁石４を略扇形状とした場合のリング磁気回路に使用する構成例を図７に示す。セグメント磁石４の形状が大きくなると、一体で構成することは永久磁石の製造上困難である。そこで図７に示すように磁石を分割することにより形状的には２種類の第１の小磁石４１、第２の小磁石４２に分割したものを組み合わせて構成することができる。また、本実施例では分割数は１つの磁石は偶数分割されているが、組立しやすいように両側に置いた磁石の間にもう１つの磁石を挿入するような奇数分割を行ってもよい。本図の矢印は各小磁石の磁化方向を示す。
また、参考例１から実施例２における内側リング磁気回路１、２及び外側リング磁気回路３では、円周方向に８分割に等分し同形状のセグメント磁石４により構成しているが円周方向の分割数は８分割以上であればよく、分割数を８分割から１２分割にすることで図１２に示すように５％程度中心磁場が増加することもわかった。
【００２３】
（比較例）
図１３に従来の矩形型永久磁石を用いて平面型ハルバッハ磁気回路を使用し構成した例の断面を示す。周期長は３８ｍｍ、ギャップ長は２０ｍｍ、極数は２極である。この周期磁場発生装置の発生磁場強度は、０．４Ｔである。永久磁石の形状は、幅１４０ｍｍ、高さ７０ｍｍ、磁化方向の厚さ９．５である。したがって１極あたりに使用する永久磁石の重量は、約１．４ｋｇであるのに対し、本発明の参考例１にて発生する磁場強度は０．５Ｔであり、また１極あたりに使用する永久磁石の重量は０．１ｋｇ以下であり、１０分の１以下の体積で同等の特性を得ることが可能であることがわかった。このことから装置として従来に比べてかなりの軽量化をできることがわかった。
【００２４】
【発明の効果】
以上のように本発明の周期磁場発生装置は、中心軸上にておのおのが発生する磁場の主方向（磁極）が順次１８０°以下の角度でずれて１周期を構成し、１周期を４極以上のリング磁気回路の磁極で構成した内側リング磁気回路及び外側リング磁気回路を配置した二重リング磁気回路構造であって、かつ内側リング磁気回路は回転させずに固定し、外側リング磁気回路を回転させる構成を採用したので、電子ビーム入射系装置を簡素化することができる。即ち、磁場精度を保ったまま磁場調整が可能となることから、磁場調整範囲を広くすることができ、広範囲の波長を高出力で発生することが可能な周期磁場発生装置を提供できる。また、電子ビームの拡散を防ぐために中心軸上の磁場分布を正弦波状にすることも１周期あたりの極数を任意にすることができるため、４極以上の極数にすることで容易に可能となる。
さらに、従来の矩形型永久磁石を用いた平面型の周期磁場発生装置では４極以上の多極で磁場調整可能な構造にすることは困難であったのに対し、本発明ではその各々の極数の磁気回路は磁場調整が可能であり、同じ磁場強度を得るための永久磁石の体積も小さくできることから、小型、軽量、安価な周期磁場発生装置を提供することができる。また、特に内側のリング磁気回路を真空チャンバー内に設置することでさらに広範囲な波長で高出力の電磁波を発生することも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】参考例による８極周期磁場発生装置のリング磁気回路の一例を示す分解斜視図である。
【図２】参考例の周期磁場発生装置であって、リング磁気回路の支持構造を示す要部断面図である。
【図３】リング磁気回路の他の支持構造を示す要部断面図である。
【図４】参考例による１２極周期磁場発生装置のリング磁気回路の一例を示す分解斜視図である。
【図５】本発明による２重リングタイプ８極周期磁場発生装置の一例である要部断面図である。
【図６】本発明の２重リングタイプ８極周期磁場発生装置の一部を真空チャンバー内に設置した場合の一例である要部断面図である。
【図７】本発明の各磁気回路に使用できるセグメント磁石の構成例である。
【図８】参考例による８極周期磁場発生装置の中心軸上の磁場強度の１／４周期の測定結果である。
【図９】参考例による１２極周期磁場発生装置の中心軸上の磁場強度の１／４周期の測定結果である。
【図１０】内側リング磁気回路を固定し、外側リング磁気回路を回転して磁場調整した場合の磁束密度の変化を示す図である。
【図１１】磁化方向が２種類の永久磁石を用いた場合の例を示す図である。
【図１２】円周方向の永久磁石の分割数を変えた場合の中心磁場の影響を示す図である。
【図１３】従来の水平型ハルバッハ型磁気回路を用いた周期磁場発生装置用磁気回路の斜視図である。
【図１４】リング型ハルバッハ型磁気回路を用いた周期磁場発生装置用磁気回路の説明図である。
【符号の説明】
１：８極用リング磁気回路、２：１２極用リング磁気回路、３：外側リング磁気回路、４：分割した永久磁石、５：中央空洞部、６：磁場方向、１１,１１’：保持部材、１２,１２’：支持部材、１３,１３’：固定ピン、１４：外側リング磁気回路保持部材、１５：外側リング磁気回路支持部材、１６：外側リング磁気回路用固定ピン、１７：真空チャンバー、４０：セグメント磁石、４１：第１の小磁石、４２：第２の小磁石

Claims

セグメント磁石を複数個組み合わせてリング状に構成したものであって組み合わせた前記セグメント磁石同士の磁化方向が順次ずれて配置されたことによりこのリング状に構成したものの中央空洞部に主方向の磁場が発生するリング磁気回路を、その軸方向に複数個重ねたリング状磁気回路を有し、前記リング状磁気回路の中心軸上に正弦波状周期磁場を発生するようにした周期磁場発生装置であって、
前記リング状磁気回路を構成するリング磁気回路は、中心軸上にておのおのが発生する磁場の主方向（磁極）が順次１８０°以下の角度でずれて１周期を構成し、１周期を４極以上のリング磁気回路の磁極で構成し、リング磁気回路の軸方向の厚さｔと１極あたりの軸方向の取り付けピッチｐとの比ｔ／ｐを５０〜１００％とし、
前記リング状磁気回路を内側リング磁気回路となし、更に内側リング磁気回路の外周側に内側リング磁気回路と同様のリング状の磁気回路を外側リング磁気回路として配置してなり、
内側リング磁気回路を構成するリング磁気回路の軸方向の取り付けピッチｐ２と外側リング磁気回路を構成するリング磁気回路の軸方向の厚みｔ２とを同一寸法に形成し、
内側リング磁気回路は回転させずに固定し、外側リング磁気回路を回転させて磁場調整を行うことを特徴とする周期磁場発生装置。
請求項１に記載の周期磁場発生装置において、中心磁場のピーク値を０〜２．０Ｔまで調整できるようにしたことを特徴とする周期磁場発生装置。
請求項１又は２に記載の周期磁場発生装置において、外側リング磁気回路に使用する永久磁石は１．２Ｔ以上の残留磁束密度及び１１１４ｋＡ／ｍ以上の保磁力を有し、内側リング磁気回路に使用する永久磁石はＳｍ−Ｃｏ系希土類磁石であることを特徴とする周期磁場発生装置。
請求項１乃至３のいずれかに記載の周期磁場発生装置において、内側リング磁気回路を真空チャンバー内に設置し、その真空チャンバーの外側に外側リング磁気回路及び外側リング磁気回路を回転させる回転機構を具備することを特徴とする周期磁場発生装置。