JP4613289B2 - 磁場発生方法および磁場発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、磁場発生方法および磁場発生装置に関し、さらに詳細には、永久磁石や電磁石などの磁石や高透磁率高飽和磁束密度特性を有する磁性体よりなる磁極材を対向して配置することにより、対向した磁石や磁極材の磁極の間の間隙に磁場を発生する種類の磁場発生方法および磁場発生装置に関する。

従来より、永久磁石や電磁石などの磁石や高透磁率高飽和磁束密度特性を有する磁性体よりなる磁極材を対向して配置することにより、対向した磁石や磁極材の磁極の間の間隙に磁場を発生するタイプの磁場発生装置が知られている。

ところで、この種の従来の磁場発生装置においては、対向する磁極の間の間隙、即ち、磁極間隔（以下、適宜に「ギャップ」と称する。）が大きくなるに従って、急激に磁場（磁束密度）が減少するという原理的な特性があることが知られている。

こうした特性から生ずる問題点の典型的な例が、以下に説明するように、放射光発生のためのシンクロトロン放射光源として利用されている挿入光源と称される装置において見られる（非特許文献１参照）。

なお、挿入光源とは、加速器における蓄積リングの偏向磁石の間にある直線スペースに挿入された周期的な磁場構造をもつ装置であって、電子ビームが通過することにより偏向磁石からのシンクロトロン放射光よりさらに質の高い強力な放射光を発生させる光源装置である。こうした挿入光源には、大別してアンジュレータおよびウィグラと称される２つの種類があるが、本願出願人が所有するＳＰｒｉｎｇ−８をはじめとする現在の放射光施設においては、光の干渉効果を利用して高輝度光を発生させるアンジュレータが主に用いられている。

上記したように、挿入光源には周期的な磁場構造が形成されているが、こうした周期的な磁場構造は、上記した従来の磁場発生装置、即ち、永久磁石や電磁石などの磁石や高透磁率高飽和磁束密度特性を有する磁性体よりなる磁極材を対向して配置することにより、対向した磁石や磁極材の磁極の間のギャップに磁場を発生するタイプの磁場発生装置を用いて構成されている。

即ち、挿入光源においては、磁極を対向させて周期的に並べて周期的な磁場構造を形成するようになされており、こうして形成された周期的な磁場構造により周期磁場を発生し、その周期磁場中を電子が運動するときに各周期磁場から発生した光が重なることにより、高強度の光が得られることになる。

従って、こうした挿入光源においては、電子を通過させるために、対向させた磁極のギャップを大きくする必要がある。

しかしながら、従来の磁場発生装置においては、上記したようにギャップを大きくするに従って急激に磁場（磁束密度）が減少してしまう特性があるため、このことが挿入光源において発生可能な磁場の上限を定めることとなっていたという問題点があった。

また、こうした問題点は、周期磁場の周期長が短くなった場合に、特に顕著に顕現されるものであった。
Ｔ．Ｈａｒａ， Ｔ．Ｔａｎａｋａ， Ｈ．Ｋｉｔａｍｕｒａ， Ｔ．Ｂｉｚｅｎ， Ｘ． Ｍａｒｅｃｈａｌ， Ｔ．Ｓｅｉｋｅ， Ｔ．Ｋｏｈｄａ ａｎｄ Ｙ．Ｍａｔｓｕｕｒａ， "Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｕｎｄｕｌａｔｏｒｓ"， Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｅｗ ＳＴ−ＡＢ ７ （２００４）０５０７０２

本発明は、上記した従来の技術の有する問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、間隔（ギャップ）を大きくしても高い磁場を発生することを可能にして、発生する磁場の強度の向上を図るようにした磁場発生方法および磁場発生装置を提供しようとするものである。

上記目的を達成するために、本発明による磁場発生方法および磁場発生装置は、対向させた一対の超伝導体の配列に一様な外部磁場をかけて（印加して）、当該一様な外部磁場により超伝導体を着磁するようにしたものである。

即ち、上記した一様な外部磁場により着磁された超伝導体は、永久磁石として作用することになるので、超伝導体の配列の構造を反映した周期的磁場を発生することができるものである。

ここで、超伝導体の臨界電流密度が十分に大きい場合には、超伝導体の配列の構造を反映して発生される周期的磁場の振幅は、希土類永久磁石によるものに比べて高くすることが可能であり、また原理的に上限がない。

従って、本発明による磁場発生方法および磁場発生装置によれば、磁極間隔を大きくしても高い磁場を発生することが可能になり、発生する磁場の強度の向上を図ることができるようになる。

なお、本発明による磁場発生方法および磁場発生装置においては、対向させた超伝導体の配列を構成するためには、例えば、バルク型高温超伝導体を一列に配置すればよい。

こうした本発明による磁場発生方法および磁場発生装置は、アンジュレータやウィグラといった挿入光源などにおける磁場発生のために用いることができるものである。

以下に、本発明による磁場発生方法および磁場発生装置の原理について、図を参照しながら詳細に説明する。

まず、図１に示すような、複数の同寸法かつ同形状の超伝導体１２を一列に並べたもの（以下、「複数の同寸法かつ同形状の超伝導体を一列に並べたもの」を「超伝導体配列」と適宜に称する。）を検討する。

より詳細には、この図１に示す超伝導体配列１０は、同寸法かつ同形状の直方体形状を備えた９個の超伝導体１２を同一平面上に順次隣接して一列に配置したものである。

なお、直方体形状の超伝導体１２の電子ビームの進行方向における一辺長さをλ_ｕ（λ_ｕは磁場の周期である。）とし、直方体形状の超伝導体１２の電子ビームの進行方向における一辺長さ（各永久電流ループの幅）をＷとし、直方体形状の超伝導体１２の厚さをＬとする。後述する超伝導体１１２、１２２のそれぞれの長さについても、上記した超伝導体１２と同様に表すものとする。

ここで、超伝導体１２が第二種超伝導体であるならば、一様な外部磁場を適用することにより着磁することができる。こうした超伝導体１２の磁化は、例えば、超伝導体１２を超伝導転移温度Ｔｃよりも高い温度に保った状態において外部磁場をかけて、その後に超伝導転移温度Ｔｃ以下の温度に冷却することにより達成することができる。

このように、超伝導体１２の磁化された場合には、永久電流ループが各超伝導体１２内部にそれぞれ生成されることになる。

このような各超伝導体１２内部でそれぞれ生成された永久電流ループ列が形成する磁場は、永久電流ループにより決定される極性を有する一様な磁場（磁場オフセット）と、超伝導体１２の寸法・形状・個数を反映した周期的な磁場、即ち、超伝導体配列１０の周期的構造を反映した周期的な磁場とにより構成されている。

従って、超伝導体配列１０において、磁場オフセットを除去することにより、残された超伝導体配列１０の周期的構造を反映した周期的な磁場を得ることができ、その周期的な磁場を、例えば、アンジュレータやウィグラといった挿入光源などにおける磁場発生に適用することができるものである。

本発明は、上記したような超伝導体配列の着磁の手法ならびに磁場オフセットの除去の手法を提供し、対向した超伝導体配列の間の間隙に周期的な磁場を発生することを可能にした磁場発生方法および磁場発生装置を提供する。

即ち、本発明のうち請求項１に記載の発明は、複数の同寸法かつ同形状の超伝導体を一列に並べた超伝導体配列を所定の間隔を開けて対向して配置し、上記対向して配置した超伝導体配列の間の間隙に周期的磁場を発生する磁場発生方法であって、上記超伝導体配列に対して一様な外部磁場を印加することにより、上記超伝導体配列を着磁させ、外部磁場を調節することにより、上記着磁させた上記超伝導体配列から磁場オフセットを除去するようにしたものである。

また、本発明のうち請求項２に記載の発明は、複数の同寸法かつ同形状の超伝導体を一列に並べた一対の超伝導体配列を所定の間隔を開けて対向して配置し、上記対向して配置した一対の超伝導体配列の間の間隙に周期的磁場を発生する磁場発生方法であって、上記一対の超伝導体配列の温度を超伝導転移温度より高い温度に保持した状態において、上記一対の超伝導体配列に同一の極性の一様な外部磁場を印加する第１のステップと、上記一対の超伝導体配列を冷却して、上記一対の超伝導体配列の温度を超伝導転移温度より低くする第２のステップと、上記一対の超伝導体配列に磁場を印加することを停止して、上記一対の超伝導体配列を着磁させる第３のステップと、上記一対の超伝導体配列に上記極性とは逆の極性に磁場を印加する第４のステップとを有するようにしたものである。

また、本発明のうち請求項３に記載の発明は、複数の同寸法かつ同形状の超伝導体を一列に並べた一対の超伝導体配列を所定の間隔を開けて対向して配置し、上記対向して配置した一対の超伝導体配列の間の間隙に周期的磁場を発生する磁場発生方法であって、上記一対の超伝導体配列の間の間隙を所定の大きさに開き、上記一対の超伝導体配列の温度を超伝導転移温度より高い温度に保持した状態において、上記一対の超伝導体配列に互いに逆極性の一様な外部磁場を印加する第１のステップと、上記一対の超伝導体配列を冷却して、上記一対の超伝導体配列の温度を超伝導転移温度より低くする第２のステップと、上記一対の超伝導体配列に磁場を印加することを停止して、上記一対の超伝導体配列を着磁させる第３のステップとを有するようにしたものである。

また、本発明のうち請求項４に記載の発明は、本発明のうち請求項３に記載の発明において、さらに、上記一対の超伝導体配列の間の間隙を所定の大きさに閉じる第５のステップとを有するようにしたものである。

また、本発明のうち請求項５に記載の発明は、本発明のうち請求項３または４のいずれか１項に記載の発明において、上記一対の超伝導体配列は、互いに対向する上記超伝導体が半周期分シフトされて配置されているようにしたものである。

また、本発明のうち請求項６に記載の発明は、本発明のうち請求項１、２、３、４または５のいずれか１項に記載の磁場発生方法において、上記超伝導体は、バルク型高温超伝導体であるようにしたものである。

また、本発明のうち請求項７に記載の発明は、複数の同寸法かつ同形状の超伝導体を一列に並べた一対の超伝導体配列を所定の間隔を開けて対向して配置し、上記対向して配置した一対の超伝導体配列の間の間隙に周期的磁場を発生する磁場発生方法であって、上記一対の超伝導体配列の一方の外周を囲むようにして配置された第１のコイルと、上記一対の超伝導体配列の他方の外周を囲むようにして配置された第２のコイルとを有し、上記第１のコイルと上記第２のコイルとを励磁して、上記一対の超伝導体配列にそれぞれ一様な外部磁場を印加するようにしたものである。

また、本発明のうち請求項８に記載の発明は、本発明のうち請求項７に記載の発明において、 上記第１のコイルと上記第２のコイルとを同一の極性で励磁するようにしたものである。

また、本発明のうち請求項９に記載の発明は、本発明のうち請求項７に記載の発明において、上記一対の超伝導体配列は、互いに対向する上記超伝導体が半周期分シフトされて配置されていて、上記第１のコイルと上記第２のコイルとに互いに逆極性で励磁するようにしたものである。

また、本発明のうち請求項９に記載の発明は、本発明のうち請求項７、８または９のいずれか１項に記載の発明において、上記超伝導体は、バルク型高温超伝導体であるようにしたものである。

本発明は、以上説明したように構成されているので、磁極間隔を大きくしても高い磁場を発生することを可能にして、発生する磁場の強度の向上を図ることのできる磁場発生方法および磁場発生装置を提供することができるという優れた効果を奏する。

以下、添付の図面を参照しながら、本発明による磁場発生方法および磁場発生装置の実施の形態の一例を詳細に説明するものとする。

図２には、本発明の実施の形態の一例による磁場発生装置の概念構成斜視説明図が示されている。

この磁場発生装置１００は、同寸法かつ同形状の直方体形状を備えた複数の超伝導体１１２を同一平面上に順次隣接して一列に配置した第１の超伝導体配列１１０と、超伝導体１１２と同寸法かつ同形状の直方体形状を備えた複数の超伝導体１２２を同一平面上に順次隣接して一列に配置した第２の超伝導体配列１２０とよりなる、ギャップｇをあけて対向して配置された一対の超伝導体配列を備えている。電子ビームは、この第１の超伝導体配列１１０と第２の超伝導体配列１２０との間のギャップｇを通過する。

これら第１の超伝導体配列１１０と第２の超伝導体配列１２０との一対の超伝導体配列は、それぞれギャップ幅可変駆動機構１３０に配設されており、ギャップ幅可変駆動機構１３０を矢印Ａ方向に移動することにより、ギャップｇの大きさを任意に可変することができるようになされている。

また、この磁場発生装置１００には、第１の超伝導体配列１１０の外周を囲むようにして配置された第１の一様磁場発生用コイル１５０と、第２の超伝導体配列１２０の外周を囲むようにして配置された第２の一様磁場発生用コイル１５２とよりなる、一対の一様磁場発生用コイルが設けられている。

さらに、磁場発生装置１００には、第１の超伝導体配列１１０と第２の超伝導体配列１２０とをそれぞれ冷却するための冷却装置１４０が配設されている。

なお、超伝導体１１２、１２２は、例えば、バルク型高温超伝導体により構成することができる。

ここで、上記した第１の超伝導体配列１１０と第２の超伝導体配列１２０とよりなる一対の超伝導体配列の着磁の手法ならびに磁場オフセットの除去の手法としては、次の２つの手法がある。

即ち、第１の手法は、第１の超伝導体配列１１０の外周を囲むようにして配置された第１の一様磁場発生用コイル１５０および第２の超伝導体配列１２０の外周を囲むようにして配置された第２の一様磁場発生用コイル１５２のみを利用する手法である。一方、第２の手法は、第１の一様磁場発生用コイル１５０および第２の一様磁場発生用コイル１５２ならびに着磁のためのギャップｇの開閉運動を利用する手法である。

以下、これら第１の手法ならびに第２の手法を詳細に説明する。

（１）第１の手法
図３（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）には、第１の手法による第１の超伝導体配列１１０と第２の超伝導体配列１２０とよりなる一対の超伝導体配列の着磁の手法ならびに磁場オフセットの除去の手法の処理手順の説明図が示されている。

まず、初期状態においては、一対の第１の超伝導体配列１１０および第２の超伝導体配列１２０の温度Ｔは、超伝導転移温度Ｔｃより高い温度に保たれており、この状態において、第１の一様磁場発生用コイル１５０および第２の一様磁場発生用コイル１５２を同一の極性で励磁して、第１の超伝導体配列１１０および第２の超伝導体配列１２０に一様な外部磁場をかける（印加する）（図３（ａ））。

その後に、第１の超伝導体配列１１０および第２の超伝導体配列１２０を冷却して、それらの温度Ｔを超伝導転移温度Ｔｃより低く設定する（図３（ｂ））。

こうした後に、第１の一様磁場発生用コイル１５０および第２の一様磁場発生用コイル１５２の励磁を遮断して、第１の超伝導体配列１１０および第２の超伝導体配列１２０に一様な外部磁場をかけることを停止すると、磁束を第１の超伝導体配列１１０および第２の超伝導体配列１２０の内部に保持するために、第１の超伝導体配列１１０および第２の超伝導体配列１２０が着磁され（図３（ｃ））、着磁された第１の超伝導体配列１１０および第２の超伝導体配列１２０は、磁場オフセットが加わった周期的磁場を発生する。

最後に、第１の一様磁場発生用コイル１５０および第２の一様磁場発生用コイル１５２を最初とは逆の極性に励磁することにより、第１の超伝導体配列１１０および第２の超伝導体配列１２０に最初とは逆の極性の一様な外部磁場をかけて磁場オフセットを除去する（図３（ｄ））。

上記したような処理手順により、対向して配置された第１の超伝導体配列１１０と第２の超伝導体配列１２０との間のギャップｇに周期的な磁場を発生することができる。

なお、この第１の手法においては、図３（ｄ）に示す磁場オフセットを除去する工程を良好に行うために、第１の一様磁場発生用コイル１５０および第２の一様磁場発生用コイル１５２により最初に生成された一様な外部磁場は、着磁された第１の超伝導体配列１１０および第２の超伝導体配列１２０の電流密度が臨界電流密度ｊ_ｃに達する程度に高くすることが好ましい。

（２）第２の手法
図４（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）には、第２の手法による第１の超伝導体配列１１０と第２の超伝導体配列１２０とよりなる一対の超伝導体配列の着磁の手法ならびに磁場オフセットの除去の手法の処理手順の説明図が示されている。

この第２の手法を用いる際には、上側に位置する第１の超伝導体配列１１０と下側に位置する第２の超伝導体配列１２０とは、電子ビームの進行方向に沿って、超伝導体１１２、１２２の電子ビームの進行方向における長さの半分たるλｕ／２（半周期）の距離だけ互いにシフトされて配設されている。即ち、上側に位置する第１の超伝導体配列１１０と下側に位置する第２の超伝導体配列１２０とは、互いに対向する位置にある超伝導体１１２と超伝導体１２２とが半周期分シフトされて配置されているものである。

まず、初期状態においては、第１の超伝導体配列１１０と第２の超伝導体配列１２０との間のギャップｇは、所定の大きさ、例えば、最大に開かれている（ｇ＝最大値）。そして、第１の超伝導体配列１１０および第２の超伝導体配列１２０の温度Ｔを超伝導転移温度Ｔｃより高い温度に保ち、第１の一様磁場発生用コイル１５０と第２の一様磁場発生用コイル１５２とを互いに逆極性で励磁する（図４（ａ））。

このようにギャップｇが十分に開放され、第１の一様磁場発生用コイル１５０と第２の一様磁場発生用コイル１５２とが互いに逆極性で励磁されるため、ギャップｇの中心に磁場をもたらすことはないが、第１の超伝導体配列１１０と第２の超伝導体配列１２０とは着磁することができる。即ち、第１の超伝導体配列１１０と第２の超伝導体配列１２０とはギャップｇの中心から遙かに離れて配置され、その一方で、第１の超伝導体配列１１０は第１の一様磁場発生用コイル１５０に近接しており、第２の超伝導体配列１２０は第２の一様磁場発生用コイル１５２近接しているからである。

次に、第１の超伝導体配列１１０および第２の超伝導体配列１２０を冷却して、それらの温度Ｔを超伝導転移温度Ｔｃより低く設定する（図４（ｂ））。

こうした後に、第１の一様磁場発生用コイル１５０および第２の一様磁場発生用コイル１５２の励磁を遮断して、第１の超伝導体配列１１０および第２の超伝導体配列１２０に一様な外部磁場をかけることを停止すると、磁束を第１の超伝導体配列１１０および第２の超伝導体配列１２０の内部に保持するために、上側の第１の超伝導体配列１１０および下側の第２の超伝導体配列１２０が着磁されるが、その極性が逆であるため、ギャップｇの中心（電子ビームが通過する場所）では磁場オフセットは相殺され、また、第１の超伝導体配列１１０と第２の超伝導体配列１２０とがλｕ／２だけシフトされていることにより、磁場オフセットを伴わない周期的な磁場が形成される（図４（ｃ））。

そして、ギャップｇを所定大きさ、例えば、最小値まで閉じていくと、対向した第１の超伝導体配列１１０と第２の超伝導体配列１２０とが発生する磁場が互いに逆極性であるため、互いに相手の磁束の進入を抑制しようとして永久電流が増加し、磁場がさらに増強される。この永久電流の増加は、第１の超伝導体配列１１０および第２の超伝導体配列１２０の臨界電流密度ｊ_ｃに達するか、ギャップｇが最小値に到達するまで続く（図４（ｄ））。

上記したような処理手順により、対向して配置された第１の超伝導体配列１１０と第２の超伝導体配列１２０との間のギャップｇに周期的な磁場を発生することができる。

ここで、第２の手法においてギャップｇを変更する間の着磁のプロセスについて検討するが、説明を簡略化して理解を容易にするために、図５に示すように、上側の第１の超伝導体配列１１０と下側第２の超伝導体配列１２０とをそれぞれ流れる永久電流ループを、上側と下側とに配置された２個の長い電流ループと概括して説明する。

対称性から、２個の長いコイルたる第１の一様磁場発生用コイル１５０および第２の一様磁場発生用コイル１５２内を流れる電流Ｉは、極性を除き同一である。２個の長いコイルたる第１の一様磁場発生用コイル１５０および第２の一様磁場発生用コイル１５２の自己インダクタンスおよび相互インダクタンスを、それぞれ自己インダクタンスＬおよび相互インダクタンスＭとする。なお、相互インダクタンスＭおよび電流Ｉは、ギャップｇの関数である。

ここで、ギャップｇの値をｇ_１からｇ_２に変更する際には、磁束変化を示すための下記の式を用いる。

この式において、左辺および右辺は、それぞれ自己インダクタンスおよび相互インダクタンスに起因する磁束変化を示す。従って、電流変化は、以下の式で与えられる。

ここで、ｇ_２が０に近づくと、Ｍ（ｇ_２）はＬに接近する。このようにして、第１の超伝導体配列１１０と第２の超伝導体配列１２０とに流れる永久電流、即ち、磁場の顕著な強化が期待される。

次に、図２に示す磁場発生装置の性能を検討するために、ギャップｇを開けて対向して配置された第１の超伝導体配列１１０と第２の超伝導体配列１２０とにより生成される磁場を計算する。

なお、こうした磁場計算を簡略化するために、電流ループの幅（ｗ）は無限に長いものと仮定する。このような場合には、以下の「式の導出のための説明」から導出されるように、磁場を二次元近似の下で計算することができる。

〔式の導出のための説明〕
ここで、図６に示すように規則的に配置された無限に長いコイルにより生成される磁場を計算する場合を説明する。

まず、ａ→０そしてｂ→０で、コイル内部の電流Ｉが一定である場合を検討すると、このようなコイルにおける電流密度分布は、以下のように表される。

ｙ−ｚ面において生成される磁場は、ビオ・サバールの法則の二次元形式により次のように表される。

なお、式（Ａ．１）中のμ_０は真空の透磁率である。

ｊ（ξ）はｚ軸に沿って周期的であるので、ｋ_ｕ＝２π／λ_ｕによりフーリエ級数に展開することができる。

式（Ａ．２）を式（Ａ．１）に代入すれば、無限に微細なコイルにより生成される垂直磁場ｂ_ｙを得ることができる。

ここで、ａおよびｂが有限値を有する場合を検討すると、このような場合の磁場は、コイルの横断面について式（Ａ．３）を積分することにより計算される。

式（Ａ．３）を上記の式に代入し、そしてｙ＜ｇ／２と仮定すれば、次の式が得られることになる。

磁場は、奇数の高調波から構成される。それらの中で、基本成分（ｎ＝０）が最も優勢であり、そして軸（ｙ＝０）上にピーク磁場Ｂ_ｐを有する。

ギャップに対するその指数依存性は、ハルバッハ（Ｈａｌｂａｃｈ）構造を備えた希土類永久磁石を備えたアンジュレータのそれと同一である（〔式の導出のための説明〕の終了）。

ここで、図１に示す寸法を式（Ａ．５）に代入し、かつ２πＬ／λμ≫１とすれば、図２に示す磁場発生装置において達成可能なピーク磁場Ｂ_ｐを得ることができる。

なお、上記式３中のｊ_ｃは第１の超伝導体配列１１０および第２の超伝導体配列１２０の臨界電流密度である。

実用単位においては、

となる。

例えば、λ_ｕ＝１５ｍｍ、ｊ_ｃ＝２ｋＡ／ｍｍ^２、ｇ＝３ｍｍであれば、約４Ｔのピーク磁場が得られ、これは１．４Ｔの付加的磁場を備えた希土類永久磁石を備えた挿入光源よりも約３倍高い。

次に、本願発明者により行われた本発明に関する実験について説明する。即ち、本願発明者は、本発明による作用効果を実証するために、市販の材料たるＧｄ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ（Ｔ_ｃ〜９２Ｋ）から調製したバルク型高温超伝導体を用いて実験を行った。

図７（ａ）（ｂ）（ｃ）には、この実験に用いた本発明による磁場発生装置の概略構成が示されている。なお、図７（ａ）は装置全体の概略構成説明図であり、図７（ｂ）は超伝導体配列の概略構成説明図であり、図７（ｃ）は超伝導体配列と銅ホルダーとホールプローブとの関係を示す概略構成説明図である。

この磁場発生装置においては、１０ｍｍのアンジュレータ周期λ_ｕに相当する長さを有する直方体形状のバルク型高温超伝導体２０２が複数配列されて超伝導体配列２００を構成しており、超伝導体配列２００は銅ホルダー２１０に固着されている。バルク型高温超伝導体２０２の寸法は、図７（ｂ）に示されているものとした。

銅ホルダー２１０に固着された超伝導体配列２００は、電磁石（常伝導）２２０のギャップＧ内に挿入されるようにして配置されている。

一方、超伝導体配列２００を固着した銅ホルダー２１０は、クライオクーラー２３０のヘッドに接続されている。

また、銅プレート２１０上にはカートリッジ型ヒーター２４０が取り付けられており、カートリッジ型ヒーター２４０により銅ホルダー２１０の温度が制御される。

ここで、超伝導体配列２００の磁場の測定は、カンチレバー２５０に固定されたホールプローブ２６０を超伝導体配列２００に隣接するように挿入して行った。カンチレバー２５０はリニアステージ２７０に接続されており、リニアステージ２７０を駆動することにより、ｚ軸方向に沿ってホールプローブ２６０を走査することができる。これにより、ｚ軸に沿う磁場の分布を測定することができる。

なお、ホールプローブ２６０の中心から超伝導体配列２００の表面までの距離は、この実験においては１ｍｍとした。また、超伝導体配列２００の温度は、それらに取り付けられた白金の抵抗温度計により測定した。

実験に際して、電磁石２２０の鉄ヨークに起因する効果を計算により概算したところ、超伝導体配列２００の寸法が小さいために、当該効果は無視し得ることが判明した。

最初の実験としては、当該実験において使用される超伝導体配列２００を構成するバルク型高温超伝導体２０２の固有性能を測定した。この測定は、１個のバルク型高温超伝導体２０２を銅ホルダー２１０に固定し、１個のバルク型高温超伝導体２０２により生成された磁界を、電磁石２２０のコイル電流を走査しながらホールプローブ２６０によって測定することにより行った。

なお、臨界電流密度ｊ_ｃは、バルク型高温超伝導体２０２と同一寸法を有するコイルにより生成された磁場の計算結果と比較することによって決定した。

図８には、上記した実験の測定結果のグラフが示されている。なお、図８のグラフでは、横軸に温度（Ｋ）をとり、縦軸に臨界電流密度（Ａ／ｍｍ^２）をとっており、温度の関数としてバルク型高温超伝導体２０２の臨界電流密度ｊ_ｃを示している。

この実験においては、４３Ｋ未満の温度における臨界電流密度ｊ_ｃを決定することはできなかった。その理由は、バルク型高温超伝導体２０２の磁化が、電磁石２２０により供給される最大磁場を適用しても飽和しなかったからである。

ここで、図８に示された曲線は、

を用いて計算される。上記式は、経験的に臨界電流密度ｊ_ｃと温度Ｔとの関係を示す経験式である。

最小二乗法を用いて、ｊ_ｃ（０）およびｍはそれぞれ２７６０Ａ／ｍｍ^２および２．２５と決定されている。これらのパラメータによって、バルク型高温超伝導体２０２の臨界電流密度ｊ_ｃが温度３０Ｋにおいて、２１７０Ａ／ｍｍ^２に到達することが期待できる。

上記のようにして、バルク型高温超伝導体２０２の臨界電流密度ｊ_ｃを測定した後に、図７（ａ）に示すように、３個のバルク型高温超伝導体２０２を一列に並べた超伝導体配列２００を構成し、この超伝導体配列２００の磁場を測定した。

なお、超伝導体配列の着磁の手法ならびに磁場オフセットの除去の手法をシミュレートするために、以下の工程１〜５
工程１：超伝導体配列２００の温度を１００Ｋに設定
工程２：電磁石２２０を作動させて２Ｔをかける
工程３：超伝導体配列２００を目標温度に冷却
工程４：電磁石２２０の磁場（Ｂ_ｅ）を０．２Ｔだけ減少させて磁場分布を測定
工程５：電磁石２２０の磁場（Ｂ_ｅ）が−２．０Ｔに達するまで工程４を反復
の工程を行った。

図９には、温度５９Ｋにおいて測定したｚ方向の磁場分布（Ｂ_ｚ）が示されている。なお、図９のグラフでは、横軸にｚ方向の位置（ｍｍ）をとり、縦軸に磁場（Ｔ）をとっており、電磁石２２０のそれぞれ異なった磁場（Ｂ_ｅ）において温度５９Ｋで測定された磁場分布が示されている。

この図９のグラフに示す実験結果によれば、典型的な周期的磁場が発生していることがわかる。

電磁石２２０の磁場（Ｂ_ｅ）が減少すると、磁場の振幅が増大し、それに反して磁場オフセットは減少した。そして、電磁石２２０の磁場（Ｂ_ｅ）が０．２Ｔに到達した後に、その振幅の増大は停止した。これは、超伝導体配列２００の磁化が飽和したことを示している。

従って、この超伝導体配列２００を上記した「第１の手法」で作動させる場合には、磁場Ｂ_ｅ〜−０．５Ｔに設定することにより磁場オフセットの排除を実現することができる。

第二周期におけるピーク・トゥ・ピーク（ｐｅａｋ−ｔｏ−ｐｅａｋ）の磁場振幅Ｂ_ａおよび磁場オフセットＢ_ｏを、

と定義する。

図１０（ａ）は、異なった温度Ｔにおける磁場Ｂ_ｅの関数として第二周期における磁場振幅Ｂ_ａを示すグラフであり、横軸に磁場Ｂ_ｅ（Ｔ）をとり、縦軸に磁場振幅Ｂ_ａ（Ｔ）をとっている。また、図１０（ｂ）は、異なった温度Ｔにおける磁場Ｂ_ｅの関数として第二周期における磁場オフセットＢ_ｏを示すグラフであり、横軸に磁場Ｂ_ｅ（Ｔ）をとり、縦軸に磁場オフセットＢ_ｏ（Ｔ）をとっている。

この図１０（ａ）に示されているように、低温における磁場振幅Ｂ_ａの飽和には、より高い磁場Ｂ_ｅが必要である。特に、２Ｔの｜Ｂ_ｅ｜は５０Ｋにおける飽和については十分ではない。より高い磁場Ｂ_ｅをかけることによって、より大きな磁場振幅Ｂ_ａを期待することができるが、電磁石２２０の容量が十分ではなかったため、こうした実験は行わなかった。

また、図１０（ｂ）から、磁場オフセットの除去に関しては、各温度において磁場Ｂ_ｅの最適値を見い出すことができる。

さらに、本願発明者は、上記のようにして測定された２個の同一データを距離±λ_ｕ／４だけシフトして減算させることにより、上記した「第２の手法」で作動させる場合について磁場分布をシミュレートした。

図１１には、このシミュレート結果が示されており、磁場Ｂ_ｅの異なった値におけるシミュレート結果をそれぞれ示している。なお、それぞれ対向する一対の超伝導体配列について、周期λ_ｕ＝１０ｍｍとし、ギャップｇ＝２ｍｍとした。

図１１から、磁場オフセットは除去されて、１０ｍｍの周期をもって対向する一対の超伝導体配列間に典型的な周期的磁場分布がもたらされることがわかる。

以上において説明したように、本発明によれば、バルク型高温超伝導体を利用することができ、このバルク型高温超伝導体によれば、液体ヘリウム温度付近で作動する超伝導コイルにより駆動される挿入光源よりも、遙かに高い作動温度が許容されることになる。

例えば、上記した実験において使用されたＧｄ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ超伝導体の臨界電流密度ｊ_ｃは４０Ｋの温度において１．７６ｋＡ／ｍｍ^２であることが判明しており、これは周期長１５ｍｍが選択されれば、ギャップ３ｍｍにおいて３．５９Ｔのピーク磁場が期待できることを意味している。この値は、希土類永久磁石を備えたアンジュレータにおいて達成されるよりも約２．７倍高い。

なお、上記した実施の形態においては、本発明を短周期アンジュレータへ適用する場合を念頭において説明した。しかしながら、本発明は、ウィグラの構成であって、超伝導コイルにより駆動されるウィグラのそれらよりも遙かに短い周期長を伴う非常に強力なピーク磁場を有するものにも、適用することができることは勿論である。例えば、温度２９Ｋにおいて１７Ｔのピーク磁場を有する超伝導磁石が開発されている。その直径２６．５ｍｍ、厚さ１５ｍｍの円筒形状を備えているが、この種の超伝導磁石を使用することにより、ピーク磁場１０Ｔ以上で、かつ、周期長が３０ｍｍ未満であるウィグラを構成することが可能である。また、周期長を減少させることにより、周期数を増大させることができるので、結果として、より高い輝度のシンクロトロン放射を得ることができる。

本発明は、放射光発生のための挿入光源として用いることのできるアンジュレータやウィグラーといったシンクロトロン放射光源などに利用することができるものであり、放射光利用のビームラインを用いて電子ビームを光源とする放射光科学分野などにおいて利用されるものである。

図１は、複数の同寸法かつ同形状の超伝導体を一列に並べ超伝導体配列を示す構成説明図である。 図２は、本発明の実施の形態の一例による磁場発生装置の概念構成斜視説明図が示されている。 図３（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、本発明の第１の手法による第１の超伝導体配列と第２の超伝導体配列とよりなる一対の超伝導体配列の着磁の手法ならびに磁場オフセットの除去の手法の処理手順の説明図である。 図４（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、本発明の第２の手法による第１の超伝導体配列と第２の超伝導体配列とよりなる一対の超伝導体配列の着磁の手法ならびに磁場オフセットの除去の手法の処理手順の説明図である。 図５は、本発明の作用を説明するための説明図である。 図６は、規則的に配置された無限に長いコイルを示す説明図である。 図７（ａ）（ｂ）（ｃ）は、本願発明者による実験に用いた本発明による磁場発生装置の概略構成説明図であり、図７（ａ）は装置全体の概略構成説明図であり、図７（ｂ）は超伝導体配列の概略構成説明図であり、図７（ｃ）は超伝導体配列と銅ホルダーとホールプローブとの関係を示す概略構成説明図である。 図８は、本願発明者による実験の実験結果を示すグラフである。 図９は、本願発明者による実験の実験結果を示すグラフである。 図１０は、本願発明者による実験の実験結果を示すグラフである。 図１１は、本願発明者による実験の実験結果を用いて行ったシミュレーションの結果を示すグラフである。

符号の説明

１０ 超伝導体配列
１２ 超伝導体
１００ 磁場発生装置
１１０ 第１の超伝導体配列
１１２ 超伝導体
１２０ 第２の超伝導体配列
１２２ 超伝導体
１３０ ギャップ幅可変駆動機構
１４０ 冷却装置
１５０ 第１の一様磁場発生用コイル
１５２ 第２の一様磁場発生用コイル
２００ 超伝導体配列
２０２ バルク型高温超伝導体
２１０ 銅ホルダー
２２０ 電磁石
２３０ クライオクーラー
２４０ カートリッジ型ヒーター
２５０ カンチレバー
２６０ ホールプローブ
２７０ リニアステージ

Claims (8)

1. 複数の同寸法かつ同形状の超伝導体を一列に並べた超伝導体配列を所定の間隔を開けて対向して配置し、前記対向して配置した超伝導体配列の間の間隙に周期的磁場を発生する磁場発生方法であって、
   前記超伝導体配列に対して一様な外部磁場を印加することにより、前記超伝導体配列を着磁させ、
   外部磁場を調節することにより、前記着磁させた前記超伝導体配列から磁場オフセットを除去する
   ことを特徴とする磁場発生方法。
2. 複数の同寸法かつ同形状の超伝導体を一列に並べた一対の超伝導体配列を所定の間隔を開けて対向して配置し、前記対向して配置した一対の超伝導体配列の間の間隙に周期的磁場を発生する磁場発生方法であって、
   前記一対の超伝導体配列の温度を超伝導転移温度より高い温度に保持した状態において、前記一対の超伝導体配列に同一の極性の一様な外部磁場を印加する第１のステップと、
   前記一対の超伝導体配列を冷却して、前記一対の超伝導体配列の温度を超伝導転移温度より低くする第２のステップと、
   前記一対の超伝導体配列に磁場を印加することを停止して、前記一対の超伝導体配列を着磁させる第３のステップと、
   前記一対の超伝導体配列に前記極性とは逆の極性に磁場を印加する第４のステップと
   を有することを特徴とする磁場発生方法。
3. 複数の同寸法かつ同形状の超伝導体を一列に並べた一対の超伝導体配列を所定の間隔を開けて対向して配置し、前記対向して配置した一対の超伝導体配列の間の間隙に周期的磁場を発生する磁場発生方法であって、
   前記一対の超伝導体配列の間の間隙を所定の大きさに開き、前記一対の超伝導体配列の温度を超伝導転移温度より高い温度に保持した状態において、前記一対の超伝導体配列に互いに逆極性の一様な外部磁場を印加する第１のステップと、
   前記一対の超伝導体配列を冷却して、前記一対の超伝導体配列の温度を超伝導転移温度より低くする第２のステップと、
   前記一対の超伝導体配列に磁場を印加することを停止して、前記一対の超伝導体配列を着磁させる第３のステップと
   を有することを特徴とする磁場発生方法。
4. 請求項３に記載の磁場発生方法において、さらに、
   前記一対の超伝導体配列の間の間隙を所定の大きさに閉じる第５のステップと
   を有することを特徴とする磁場発生方法。
5. 請求項３または４のいずれか１項に記載の磁場発生方法において、
   前記一対の超伝導体配列は、互いに対向する前記超伝導体が半周期分シフトされて配置されている
   ことを特徴とする磁場発生方法。
6. 請求項１、２、３、４または５のいずれか１項に記載の磁場発生方法において、
   前記超伝導体は、バルク型高温超伝導体である
   ことを特徴とする磁場発生方法。
7. 複数の同寸法かつ同形状の超伝導体を一列に並べた一対の超伝導体配列を所定の間隔を開けて対向して配置し、前記対向して配置した一対の超伝導体配列の間の間隙に周期的磁場を発生する磁場発生装置であって、
   前記一対の超伝導体配列の一方の外周を囲むようにして配置された第１のコイルと、
   前記一対の超伝導体配列の他方の外周を囲むようにして配置された第２のコイルと
   を有し、
   前記第１のコイルと前記第２のコイルとを励磁して、前記一対の超伝導体配列にそれぞれ一様な外部磁場を印加し、
   前記一対の超伝導体配列は、互いに対向する前記超伝導体が半周期分シフトされて配置されていて、
   前記第１のコイルと前記第２のコイルとに互いに逆極性で励磁する
   ことを特徴とする磁場発生装置。
8. 請求項７に記載の磁場発生装置において、
   前記超伝導体は、バルク型高温超伝導体である
   ことを特徴とする磁場発生装置。

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