JPH01146300A - 荷電粒子蓄積リング - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はシンクロトロン放射光装置の荷電粒子蓄積リン
グに係り、特に粒子の軌道のずれを低減するのに好適な
偏向マグネットを有する荷電粒子蓄積リングに関するも
のである。

〔従来の技術〕

従来の偏向マグネットは常電導マグネットでフリンジ磁
場が特に問題となることはなかった。そのため特にフリ
ンジ磁場を小さくする処置はとられていない。ただ、軌
道に垂直な半径方向にはシムを付はフリンジ磁場が一様
になるようにしている。なお常電導マグネットの文献と
して高エネルギー物理学研究所の放射光リングフォトン
ファクトリ−の偏向マグネットの設計レポート（１９７
９年６月６日発行）がある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

荷電粒子蓄積リング、特に放射光発生用電子蓄積リング
では、電子を１０時時間域の長時間保存し続けなければ
ならない。そのためには電子軌道を作成するマグネット
、特に電子を偏向させる偏向マグネットに高い磁場均一
度が要求される。この高い磁場均一度が要求される範囲
は、±（７σ十Ｃ，Ｏ，Ｄ、）　　　　　　　・・・（
１）だけ必要となる。ただし、 σ：電子ビームの断面形状がガウス分布をしているとし
たときの標準偏差 Ｃ，Ｏ，Ｄ、：電子軌道の設計軌道からのずれこの高い
磁場均一が要求される一様磁場領域は、常電導マグネッ
トの場合比較的得やすい。４第２図に常電導マグネット
を示す。鉄心２２とコイル２１により構成される英常電
導マグネットの場合。

磁場強度が低いため鉄心２２は飽和しない。そのため鉄
磁極２３の形によって磁場分布がほぼ決まってしまい、
鉄磁極２３の形を第２図に示すような形状にして広い一
様磁場領域を得ている。一方、超電導マグネットでは、
ｆａ磁場強度弱い場合、磁極形状で磁場分布が決まり、
磁場強度が強い場合、鉄心は飽和してしまいコイル配置
で磁場分布が決まる。磁場強度が１．７Ｔ程度のところ
では鉄は一部が飽和し、一部は未飽和の状態にある。そ
のため低磁場から高磁場にわたって常電導マグネットの
ように広い一様磁場領域を確保することはむずかしい。

そのため超電導マグネットでは式（１）中の軌道のずれ
Ｃ，Ｏ，Ｄ、をなるべく小さくする必要がある。

第３図に超電導の１８０°偏向マグネツトを示す。鉄心
３１は、相対する鉄磁極３３を有しており、この鉄磁極
３３の回りを囲むように超電導コイルが設けられている
。

そして、第３図（ｃ）に示すように、偏向マグネットは
、コイルの起磁力を小さくする鉄心３１、磁場を発生さ
せるコイル３０、超高真空状態を保ち電子ビームを蓄積
しておく真空チェンバー３４、真空チェンバー内のビー
ム軌道面上の垂直方向の磁場分布を作る鉄磁極３３から
なる。上記の鉄心は磁場強度が弱く鉄が飽和する以前の
とき、磁場の分布形を決める。コイル部３０は外部と液
体へリウムとを断熱するための断熱真空容器部３５、真
空容器内の熱シールド３６．断熱サポート３７゜液体ヘ
リウムを入れるヘリウム容器３８、ヘリウム容器内の液
体ヘリウム３９、および液体ヘリウムにつかった超電導
コイル３２よりなる。

この偏向マグネットの軌道方向の磁場分布を３次元の磁
場プログラムで計算したものを第４図に示す。図中のＡ
点が偏向マグネット４１の終端である。このように磁場
分布は偏向マグネット終端ＡでＯにならず軌道方向に沿
ってなだらかに尾を引く。第４図に示すようにフリンジ
磁場４０がある場合について、−個の偏向マグネット５
１の偏向角が第５図に示すように、１８０°　（２分割
）、９０’　　（４分割）、４５°　（８分割）のとき
の曲率半径をパラメータとして閉軌道のずれを計算する
と第６図のようになる２尚、第５図中、５２は４極マグ
ネツトより構成される収束マグネットで入 あるゝシ４：だし閉軌道とは電子のベータトロン振動と
いわれる振動がＯの場合の電子軌道である。通常電子は
この閉軌道のまわりをベータトロン振動しながらリング
内を周回する。第６図より明らかなように閉軌道のずれ
は、偏向マグネット５１の曲率半径にはあまり依存せず
、偏向マグネットの分割数が多いほど軌道のずれが小さ
いことがわかる。従来の電子Ｖ！積リングの１台あたり
の偏向マグネットの偏向角は、４５°程度から１０°程
度と小さく、従ってマグネットの分割数も多かったため
、偏向マグネット内での軌道のずれは小さく、又常電導
マグネットのため一様磁場領域が広くとれたためフリン
ジ磁場による軌道のずれの問題はさほど重要でなかった
ことがわかる。

しかし電子？ｉｊ積リシリングネルギーは高いままで、
小型かつコンバクＩ・にするためには、超電導マグネッ
トを用いかつ可能なかぎり偏向マグネツＩ・の分割数を
小さくすることが有利である。また、偏向マグネットを
分割しない場合、電子ビームの収束作用が弱く又電子ビ
ームの性質を変えられないという欠点がある。そのため
偏向マグネットを２分割し、その間に収束マグネツ１〜
７２を置く第７図のような蓄積リングが最も小型でコン
パクトになる６しかし、この場合、上述したようにフリ
ンジ磁場による偏向マグネット７１内での軌道のずれが
大きい。

即ち、蓄積リングは第７図に示すように電子ビームを偏
向させる偏向マグネット７１、電子ビームを収束させる
収束マグネット（４極マグネツト）７２、および電子ビ
ームを発散させる非収束マグネット（４極マグネツＩ−
）７３、入射器からの電子を偏向させ電子蓄積リングに
導き入れるインフレクタ−７４、そのときの軌道をずら
すパータベイタ−７５、電子を加速する高周波加速空胴
７６゜電子ビームの位置をモニターするビーム位置モニ
ター７７、リングの真空チェンバー７８を高真空にする
真空ポンプ７９などからなる。この蓄積リング内を電子
ビームが、ある閉じた１つの軌道（閉軌道）のまわりに
ベータトロン振動といわれる振動を繰返しながら周回す
る。偏向マグネットや収束マグネットが理想的に作られ
、設置誤差なしに設置された場合の電子の閉軌道は、第
７図の実線の軌道（ずれのない閉軌道）８０となるが、
フリンジ磁場などの不整磁場が存在する場合は。

偏向マグネット内での軌道のずれが大きく、そして閉軌
道はずれて実線とは異なったものとなる。

このため式（１）に示す一様磁場範囲を大きくとらなけ
ればならないことになるが、超電導マグネットのため広
い一様磁場範囲は得にくいという問題がある。

第８図（ａ）に磁場強度３．５Ｔ　、曲率半径０．５ｍ
で第４図に示すフリンジ磁場を持つ偏向マグネット７１
の場合の閉軌道のずれを示す。横軸は、第８図（ｂ）に
示すように座標をとったＳである。即ち、４極マグネツ
トである非収束マグネット７３から偏向マグネット７１
の中心へ向う方向に座標を決めている。この場合偏向マ
グネット７１内での閉軌道のずれは１個以上になり、−
様磁場領域は±２０１ＴＩ１１程度必要になる。この位
の広さの一様磁場領域を低磁場から高磁場にわたって確
保することが難しい。しかし士ＬＳｎｎ位なら困難であ
るが実現不可能ではないと思われる。そこで、−様磁場
領域の大きさを±１５ｍｍ、ビームサイズ１ｍ、他の要
因による閉軌道のずれを５ｍｌとするフリンジ磁場によ
る軌道のずれＣ６○、Ｄ。

Ｆ、は、 １５＞（７σ＋５　＋Ｃ，Ｏ，Ｄ、Ｆ）＝　１２　＋Ｃ
，Ｏ，Ｄ、Ｆ・・・（１）即ち、Ｃ，Ｏ，Ｄ、Ｆ＜３ｍ
ｍとなる。したがってフリンジ磁場による軌道のずれを
上記の値以下にする必要がある。

本発明の目的はフリンジ磁場による閉軌道のずれを数ｍ
以下にすることができ、かつこの軌道のずれの補正量を
調節できる手段を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、加速された荷電粒子を蓄積しておく閉軌道
を有する真空チェンバー；この真空チェンバー内の荷電
粒子の軌道を偏向させる偏向マグネットであって、真空
チェンバーを挟んで相対する鉄磁極を有する鉄心と、こ
の鉄磁極の回りを囲むように設けられた磁場を生じさせ
る超電導コイルとから構成された偏向マグネット；真空
チェンバー内の荷電粒子のビームを収束させる収束マグ
ネット；真空チェンバー内の荷電粒子のビームを発散さ
せる非収束マグネット；真空チェンバー内の荷電粒子を
加速する高周波加速空洞；を有する荷電粒子蓄積リング
において、偏向マグネットのフリンジ部に位置する超電
導コイルを上下から囲むように、一方の端が荷電粒子の
軌道面上を中心に相対する新鉄磁極を構成し、他方の地
力１偏向マグネットの鉄心に接続された新たな鉄心を設
け、この新たな鉄心の新鉄磁極間の距離を調節可能にす
ることにより達成される。

〔作用〕

閉軌道は、第８図に示すように４極マグネット出口で中
心軌道の外側を通り、フリンジ磁場により徐々に内側に
曲がり始め、偏向マグネット７１内では中心軌道の内側
を通過する。このように大きく軌道がずれる原因は、フ
リンジ磁場が４極マグネツトのところまで長く尾を引い
ているためである。したがって閉軌道のずれを小さくす
るためにはフリンジ磁場の尾を引く部分を小さくすると
ともに、フリンジ磁場によって内側に曲げられる分だけ
あらかじめ外側に曲げておけばよい。そのためには第１
図に示すようにコイルを囲むようにして新鉄磁極を構成
する鉄心ＢＦＩ、ＢＦ２を設ければ良い。このようにす
九ばこの新鉄磁極より外側には磁束はもれず、かつ偏向
マグネットと逆方向の磁場が新鉄磁極部にでき軌道のず
れが修正される。さらに、新鉄磁極を上下に移動可能に
して、新鉄磁極の間隔を可変にすれば、磁場強度を調節
することができ、軌道のずれの補正量を調節することが
できる。これにより、軌道のずれを最適に修正すること
ができる。

〔実施例〕

特許出願人は、先に、特願昭６２−１５５４８８号に上
述の軌道のずれを修正する基本的な提案をしている。即
ち、新鉄磁極を設けるということである。

そこで本発明の詳細な説明する前にこの新鉄磁極のこと
について詳細に説明する。

まず、従来のフリンジ部の磁場のようすとの対比で原理
を詳細に説明する。

従来のフリンジ部での磁力線を模式的に示すと第９図の
ようになり、フリンジ磁場が遠くまで影響を及ぼしてい
ることがｂかる。

特許出願人が先に提案した方法では、コイルを囲むよう
に新たに鉄磁極を付加することにより、偏向マグネット
の鉄心中のフラックスの一部をこの新鉄磁極に導く。新
鉄磁極部では偏向マグネットと反対方向の磁場ができ、
フリンジ磁場はこの新鉄磁極による磁場によってシール
ディングされ、新鉄磁極より外側では偏向マグネットと
同方向の８１場はなくなる。このときの磁場分布は第１
０図のようになる。このような磁場分布に電子が入射し
た場合、新鉄磁極より外側では磁場がないため電子は直
進する。新鉄磁極部では電子は外側に曲げられ、新鉄磁
極と偏向マグネットの端までの間は、フリンジ磁場によ
り内側にまげられ、偏向マグネット本体にはほとんど垂
直で軌道がずれない。

当然のことながら偏向マグネット内での閉軌道のずれは
小さくなる。

１１図を用いて詳細に説明する。偏向マグネットの上下
の鉄心Ｂｔ、Ｂｚに新たに鉄心ＢＦＩ、ＢＦＺを付加し
ている。この２個の新たな鉄心ＢＦｚ。

ＢＦ２は、それぞれの一端１１．Ｉｚが電子軌道面３を
はさんで相対するように設置され、他端Ｈ１゜Ｈ２が偏
向マグネットの鉄心に接続される。工１゜工２は新鉄磁
極を構成し、この新しい鉄磁極Ｉｔ。

Ｉ２は電子軌道面上に新しい磁場を作る。

超導電コイル１に電流を流すとマグネット内の軌道面上
３のみならず、鉄心のない部分４、新たに設けた鉄磁極
部５にも磁場が存在する。鉄心のない部分に発生するフ
リンジ磁場は、新鉄磁極Ｉｆ、Ｉ２より内側ではまだ存
在するが、新鉄磁極Ｉｆ、Ｉ２より外側では新鉄磁極Ｉ
ｔ＋　Ｉ２によりシールドされてしまう。新鉄磁極部５
では偏向マグネットの鉄心中を通るフラックスの一部が
この新鉄磁極を構成する鉄心中を通るため偏向マグネッ
トとは逆向きの磁場が生じる。このような体系の磁場分
布を３次元の磁場計算プログラムで計算すると第１２図
のようになる。横軸のＳは、第４図と同様にしてとって
いる。次に、このときの軌道のずれの大きさについて説
明する。フリンジ磁場が生じると閉軌道はずれるが高周
波の加速周波数に同期した電子のみしか、電子容積リン
グ内を周回しないため、リング内を一周した閉軌道の長
さは常に一定に保たれ、フリンジ磁場には関係しない。

したがってフリンジ磁場が存在しても閉軌道の長さは変
化しないという条件のもとに閉軌道のずれを求めなけれ
ばならない。さらに注意しなければならないのは、閉軌
道に沿った磁場の積算値を８１、フリンジ磁場がない場
合のときの磁場の積算値をＢｌｏ　としたとき電子のエ
ネルギーがＢｌ。

となることである。

ただし、Ｅｏ：フリンジ磁場がないときの電子エネルギ
ーである。式（１）よりフリンジ磁場があると、Ｂｌ＞
Ｂｉｏ　となり、電子のエネルギーは高くなる。偏向マ
グネット内では磁場強度がかわらず、エネルギーがある
ため曲率半径がもとの曲率半径より大きくなる。

以上のことを考慮して第１２図のフリンジがあった場合
の閉軌道のずれを計算すると第１３図に示すようになる
。ただし横軸のＳは第８図と同様にしてとっている。即
ち、４極マグネツトの出口の座標を原点とし、軌道上に
沿い偏向マグネットの中心を終座標としたものである。

これより４極マグネット出口では３ｍｍ外側に軌道がず
れており、新鉄磁極に入ると偏向マグネットと反対方向
の磁場のため外側に軌道がずれる。新鉄磁極部ＢＦをぬ
けるとフリンジ磁場のため徐々に内側に軌道が曲がる。

偏向マグネット内では逆に３ｍ程度内側に軌道がずれる
。

以上のように新鉄磁極を設ける前はＬｏｎｅ以上閉軌道
がずれていたものが、新鉄磁極を設けたことにより、閉
軌道のずれは数ｍ以内に押えられることがわかる。

以上が先に提案した新鉄磁極の内容である。本発明は、
この新鉄磁極の間隔を調整できるようにして磁場強度を
可変にし、これにより軌道のずれの補正を容易にかつ最
適にするようにしたものである。

以下、この本発明の実施例について説明する。

本発明では第１図に示すように、偏向マグネットの上下
の鉄心Ｂｔ、Ｂｚに新たに鉄心ＢＦＩ、ＢＦＺを付加し
、それぞれの鉄心の一部ＢＶｌ、ＢＶｚを上下に動くよ
うにしておく。２個の新鉄磁極を構成する鉄心ＢＦｚ、
ＢＦｚはそれぞれの一端Ｈｔ　。

Ｈ２が偏向マグネットの鉄心に接続され、他端１１、Ｉ
２が軌道面をはさんで相対するように設置される。この
１１．Ｉｔは新鉄磁極であり、この新しい鉄磁極Ｉｔ、
Ｉｚにより軌道面上に磁場を作る。

この鉄磁極によって作られる磁場の強さは式（３）％式
％ ただし、Ａ（Ａ−Ｔ）：コイル起磁力 μ　　　　：鉄心の比透磁率 Ｑ（ｃｍ）　　　：鉄心中の磁路長 ｄ（ｃｍ）　　　：鉄磁極エエとＩ２の間隔である。式
（３）より新鉄磁極間距ｌｉｄ・を変えることにより新
鉄磁極間の磁場強度が変えられることがわかる。新鉄心
ＢＦＩ、ＢＦ１２は、可動部ＢＶＩ、ＢＶ２とガイド部
Ｇｔ、Ｇｚを有する。新鉄磁極１１．　Ｉ２間の距離を
変えるときはガイド部Ｇｌ、Ｇ２に沿つ　。

てＢＶ□、ＢＶｚを上下させる。このようにして磁極間
の磁場強度を変化させる。磁場強度を変えられると内側
に電子軌道を曲げる割合を変化させることができ、軌道
のずれを容易かつ最適にずれを調節することができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、新たに付加した鉄心部に偏向マグネッ
トと反対方向の磁場が生じ、軌道が外側に曲げられるた
め、フリンジ磁場により内側輪曲げられる効果と外側に
曲げられる効果が相殺し合う。そのため偏向マグネット
の入口では軌道は理想軌道と平行になり、入口での軌道
のずれも小さい。したがって偏向マグネット内でも閉軌
道のずれが小さく、数ｍ以内の値にすることができると
いう効果がある。

そして、本発明によれば新たに付加した鉄磁極の磁極間
隔を変化させ、磁極間の磁場強度を変えることができる
ため、軌道のずれの補正量を調節できるという効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明の新鉄磁極を設置した偏向マグネ
ットの正面図、第１図（ｂ）はその側面図、第２図は常
電導マグネットの側面図、第３図（ａ）は超電導偏向マ
グネットの平面図、第３図（ｂ）はその正面図、第３図
（ｃ）はその詳細図、第４図（ａ）は偏向マグネットの
軌道軸上の８＆場強度分布を示す図、第４図（ｂ）は第
４図（ａ）における横軸の座標の取り方の説明図、第５
図（ａ）゛は偏向マグネットを２分割した電子蓄積リン
グを示す図、第５図（ｂ）は４分割リングを示す図、第
５図（Ｑ）は８分割リングを示す図、第６図（ａ）は偏
向マグネット中心部における閉軌道のずれを示す図、第
６図（ｂ）は４極マグネツト出口における閉軌道のずれ
を示す図、第７図は電子容積リングを示す図、第８図（
ａ）は閉軌道のずれを示す図、第８図（ｂ）は第８図（
ａ）の横軸の座標の取り方を説明する図、第９図は従来
のマグネットのフリンジ磁場を模式的に示す図、第１０
図は新鉄磁極を設けた場合のフリンジ磁場を模式的に示
す図、第１１図（ａ）は新鉄磁極を設置した超電導偏向
マグネットの正面図、第１１図（ｂ）はその側面図、第
１２図は新鉄磁極を設けたときの磁場分布を示す図、第
１３図は新鉄磁極を設けたときの閉軌道のずれを示す図
である。 代理人　弁理士　小川勝男７、・−゛・、Ｉ　　　） ＼ ＼、 Ｉ？１．σ２−−一　種穴ｌヒ ５Ｆ＋、し９−　　新体ｌと ｒ＋・ｈ−Ｍ欽皐極 第１図 Ｚ３−一一労別酵返 茶３図 （ａツ バ （ｂ〕 ３ｑ−＊イオペヘソウ（／興 第４図 麿稼の取り方 第５図 （Ｃ） ―）橢３手イそノρ（′ｆＬ） 第７　図 ＄３図 第１１　口

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、加速された荷電粒子を蓄積しておく閉軌道を有する
   真空チェンバーと；該真空チェンバー内の荷電粒子の軌
   道を偏向させる偏向マグネットであつて、真空チェンバ
   ーを挟んで相対する鉄磁極を有する鉄心と、該鉄磁極の
   回りを囲むように設けられた磁場を生じさせる超電導コ
   イルとから構成された偏向マグネットと；前記真空チェ
   ンバー内の荷電粒子のビームを収束させる収束マグネッ
   トと；前記真空チェンバー内の荷電粒子のビームを発散
   させる非収束マグネットと；前記真空チェンバー内の荷
   電粒子を加速する高周波加速空洞と；を有する荷電粒子
   蓄積リングにおいて、前記偏向マグネットのフリンジ部
   に位置する前記超電導コイルを上下から囲むように、一
   方の端が荷電粒子の軌道面上を中心に相対する新鉄磁極
   を構成し、他方の端が前記偏向マグネットの鉄心に接続
   された新たな鉄心を設け、該新たな鉄心の新鉄磁極間の
   距離を調節可能にしたことを特徴とする荷電粒子蓄積リ
   ング。