JPH02201898A - 荷電粒子装置用偏向電磁石 - 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］ この発明は、荷電粒子装置用偏向電磁石に関し、特に、
主コイルが発生するＸ方向の誤差磁界の補正手段を備え
た荷電粒子装置用偏向電磁石に関するものである。

［従来の技術］ 第９図は、例えば、日本化学技術情報センター１９８４
年９月発行の、ヨシ力ズ　ミャハラ（Ｙｏｓｈｉｋａｚ
ｕ　Ｍｉｙａｈａｒａ）　、コーン　タカタ（Ｋｏｊ　
１Ｔａｋａｔａ）およびテツヤ　ナカニシ（Ｔｅｔｓｕ
ｙａ　Ｎａｋａ−ｎｉｓｈｉ）によるｌ５ＳＰの技術報
告（ＴｅｃｈｎｉｃａｌＲｅｐｏｒｔ　ｏｆ　［５ＳＰ
）　Ｎｏ、２１．　ｒシンクロドロア放射のための超電
導レーストラック電子蓄積リングおよび共存インジェク
タ・マイクロトロン（Ｓｕｐｅｒｃｏ−ｎｄｕｃｔｉｎ
ｇ　ＲａｃｅＬｒａｃｋ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｓｔｒａ
ｇｅ　ＲｉｎｇａｎｄＣｏｅｘｉｓｔｅｎｔ　Ｉｎｊｅ
ｃｔｏｒ　Ｍｉｃｒｏｔｒｏｎ　「ｏｒ　５ｙｎｃｈｒ
ｏｔｒ−ｏｎ　Ｒａｄｉａｔｉｏｎ）　Ｊに記載された
従来の荷電粒子装置を示し、図において、（１）は荷電
粒子を蓄積する荷電粒子装置としての蓄積リング、矢印
（２）は荷電粒子（例えば電子）を蓄積リング（１）内
に導くための入射部ビームラインである。超電導の偏向
電磁石（３）は荷電粒子を偏向して平衡軌道（４）を形
成するためのものであり、後述する偏向コイルの組合わ
せからなっている。

矢印（５）は荷電粒子を偏向電磁石（３）で偏向する際
に発生する放射光を取出すための放射光ビームラインで
ある。この放射光は、ジンクロト（７７放射光、または
Ｓ　ＯＲ（Ｓｙｎｅｈｒｏｔｒｏｎ　０ｒｂｉｔａｌＲ
ａｄｉａｔｉｏｎ）と呼ばれ、外部に取出されてリング
ライフなどに利用される。一般に、放射光ビームライン
（５）は、装置の利用効率を高めるため、偏向電磁石（
３）に沿って多数設けられているが、ここでは各偏向電
磁石（３）にそれぞれ１本のみを示し、他は省略してい
る。

四極電磁石（６）は蓄積リング（１）内の荷電粒子を集
束させる。大極電磁石（７）は偏向電磁石（３）の非線
形磁場またはクロマティシティを補正する。高周波空洞
（８）は放射光の放出による荷電粒子のエネルギ損失を
補い、所定のエネルギに加速する。キッカ（９）は荷電
粒子を入射ビームライン（２）から入射させる際に平衡
軌道（４）をずらせて入射を助けるためのものである。

真空ドーナ７（１０）は荷電粒子の通路となる。インフ
レクタ（１１）は荷電粒子を入射部ビームライン（２）
から蓄積リング（１）内に入射させるためのものであり
、真空ポンプ（１２）は真空ドーナツ（ｌＯ）内を°高
真空に保つ。以上の各部分は平衡軌道（４）に沿って配
設されている。

なお、真空ドーナ７（１０）は機械的強度が高く、かつ
、ベーキングが容易なステンレス材で形成されていて、
その内部は真空ポンプ（１２）により超高真空に保たれ
ていて、荷電粒子が気体分子に衝突してエネルギを失っ
て寿命が短くなることを防止している。

第１０図〜第１２図は上記の偏向電磁石（３）を示し、
第１０図において、（１３）および（１４）は偏向電磁
石（３）を形成する１対の超電導の偏向主バナナ形にな
っている。なお、上、下主コイル（１３）、　（１４）
は高磁力を有しているので、鉄心を用いない空心構造と
なっている。矢印ｍ＋、ｍｔは上。

下主コイル（１３）、　（１４）にそれぞれ流れる電流
の方向、矢印Ｓは平衡軌道（４）上の電子ビームの進行
方向を示している。

また、第１１図および第１２図から明らかなように、平
衡軌道（４）は、極座標Ｒθ（Ｚ＝Ｏ）の平面上に半径
ρ。の半円と、この半円の前後につながる直線とで示さ
れる。ρ１．ρ、は、バナナ形状の上、下主コイル（１
３）、　（１４）のそれぞれ内側半径と外側半径である
。

さらに、第１３図は、主コイル（１３）、（１４）　、
主コイルが発生する誤差磁界を補正する四極シムコイル
（１５）、大極シムコイル（２ｏ）の形状を示すｖｌ観
図である。（１６）、　（１７）は四極シムコイル（１
５）のうち、内側コイル巻線、＜１８）、　（１９）は
下側コイル巻線を示す。（２１）〜（２３）は大極シム
コイル（２ｏ）のうち、上側コイル巻線、（２４）〜（
２６）は下側コイル巻線を示す。

第１４図は主コイル（１３）、　（１４）に四極シムコ
イル（１５）を組み込んだ図である。大極シムコイルは
図が複雑になるため省略した。第１４図（ａ）に示す（
２７）は主コイル巻線のうち主コイル巻線端部、（２８
）は四極シムコイル巻線端部を示す。

次に、動作について説明する。入射部ビームライン（２
）から蓄積リング（１）内に入射された荷電粒子は、イ
ンフレクタ（１］）によりパルス的に偏向され、かつ、
キツカ（９）により軌道がずらされる。従って、“荷電
粒子は、最初は平衡軌道（４）から少しずれた軌道上を
周回し、何周回か後に平衡軌道（４）上を矢印Ｓ方向に
周回し続けるようになる。この平衡軌道（４）は、平衡
電磁石（３）および四極電磁石（６）の配置により決定
される。

なお、ｍ＋＋ｍ２方向の電流により上、下主コイル（１
３）、　（Ｉイ）で発生する主磁場は−ｚ（−ｙ）方向
となり、平衡軌道（４）に流れる電流は、電子ビーム方
向Ｓとは逆方向となる。従って、上、下主コイル（１３
）、　（１４）間を通過する荷電粒子、すなわち電子ビ
ームは、フレミングの左手の法則により−Ｒの方向に電
磁力を受け、これにより半径ρ０の曲率で曲げられる。

この平衡軌道（４）の半径ρ。は以下の０式で与えられ
る。

ρｏ　　＝　　Ｐ／　（ｅ−Ｂｙ）　　　・・■ただし
、Ｐ：電子の運動量 ｅ：電子の電荷 Ｂｙ二上、下主コイル（１３）、　（１４）のｙ軸方向
における発生磁界 ここで、ｙ軸は平衡軌道（４）に関するＺ軸と平行な軸
であり、ｙ軸は平衡軌道（４）に関する極座標の半径Ｒ
と同方向の軸である。

一方、高周波空洞（８）は荷電粒子を加速し、大極電磁
石（７）は、偏向電磁石（３）の半径方向の磁場の不均
一を補正したり、クロマティシティの補正を行う。

こうして平衡軌道（４）に沿って周回する荷電粒子は、
偏向電磁石（３）の電界により偏向を受けると、制動放
射による電磁波を放射光として、放射光ビームライン（
５）から平衡軌道（４）の接線方向に放射される。

ところで、電子ビームは平衡軌道（４）の周囲にベータ
トロン振動をしているので、一般に、電子ビームの進行
方向Ｓに直交する方向（主としてＲ方向、すなわちＸ軸
方向）に関し、中心軌道の周囲に数Ｃｍ以上の範囲にわ
たって１０−４〜１０１程度の均一な磁界分布（良磁界
領域）が必要となる。超電導側自主コイルでなる上、下
主コイル（１３）、　（１４）の磁界分布が不均一の場
合、電子ビームの偏向軌道（４）は上、下コイル（１３
）、　（１４）の中心からずれるが、このずれ量が所定
値より大きくなると、電子ビームが′真空ドーナツ（１
０）に当たり、電子ビームが失われてしまうことになる
。この均一な磁界分布はビーム進行方向に対しても必要
である。

そこで、均一な磁界分布を得るために、主コイルの作る
誤差磁界を補正するためのシムコイルが使用される。第
１３図のシム２イルにおいて、（１５）は四極シムコイ
ルであり、Ｘ（またはＲ）の増加とともに１次に比例し
て増加するＹ軸方向の磁界を発生する（四極磁界成分と
も言う）。（２０）は大極シムコイルであり、Ｘ（また
はＲ）の増加とともに２次に比例して増加するＹ軸方向
の磁界を発生する。（大極磁界成分とも言う）。さらに
、第１４図は、主コイル（３）に四極シムコイル（ｊ５
）を組み込んだ図で、主コイル（３）および四極シムコ
イル（１５）の平衡軌道（４）上での１次成分Ｓ方同分
布をθに関して示した図を第１５図に示す（主コイルは
誤差磁界成分として１次成分、２次成分・・・等を発生
するが１次成分のみ示した）。第１５図（ａ）は主コイ
ル（３）の１次成分のＳ方向分布例であり、第１５図（
ｂ）は四極シムコイル（１５）の１次成分Ｓ方向分布で
あり、第１５図（Ｃ）は四極シムコイル補正後の主コイ
ル（３）の１次成分Ｓ方向分布、さらに第１５図（ｄ）
は他形状主コイルの１次成分Ｓ方向分布である。第１５
図（ｂ）の例では、θ＝０°において、主フィル（３）
と四極シムコイル（１５）の１次成分が同じ値をもつよ
う、四極シムコイル（１５）の電流値を決定した。第１
５図（ａ）に示す主コイルの１次成分Ｓ方向分布では、
θ＝０°近傍では一定の１次成分をもつが、θが０１に
近づくと主コイル端部（２７）が作る磁界による１次成
分が加わり、θ＝Ｏ°での１次成分とは異なる値をもつ
。

第１５図（ａ）の例ではθ＝０１近傍では１次成分が減
少している。同様に四極シムコイル（１５）の１次成分
もθ＝０°付近では一定であるが、θ＝θ、近傍では四
極シムコイル端部（２８）が作る磁界による１次成分が
加わり、θ＝０°での１次成分とは異なる値をもつ。一
般に、四極シムコイル（１５）の端部（２８）近傍の１
次成分Ｓ方向分布は、主コイル（３）の１次成分Ｓ方向
分布とは異なる。

実際の補正では、第１５図（ｂ）に示す四極シムコイル
の電流値とは逆符号の電流値を四極シムコイル（１５）
に通電する。この操作により、θ＝０゜では、主コイル
の作る１次成分とは絶対値が同じで逆符号の１次成分が
加わり、１次成分は零になる。ところが、θ＝θ１近傍
では四極シムコイル（１５）と主コイル（３）の１次成
分の大きさに差があるため、１次成分は零ではなくなる
。第１５図（Ｃ）は四極シムコイル（１５）による補正
後の１次成分Ｓ方向分布を示し、θ＝０°では１次成分
は零であるが、θ＝θ、近傍では１次成分が生じている
ことがわかる。第１５図（ｄ）は別の形状の主コイルの
１次成分Ｓ方向分布で、第１５図（ａ）の例とは異なり
、θ＝θ１近傍で１次成分が増加している。

［発明が解決しようとする課題］ 従来の荷電粒子装置用偏向電磁石は以上のように構成さ
れているので、主コイル端部近傍に大きな誤差磁界成分
が発生するという問題点があった。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、主コイル端部近傍においても均一な磁界分布
を発生することができる荷電粒子装置用偏向電磁石を得
ることを目的とする。

［課題を解決するための手段］ この発明に係る荷電粒子装置用偏向電磁石は、ｎ極シム
コイルの出力磁界（ｎ極成分）のビーム進行方向分布（
Ｓ方向分布）が、主コイルの発生する誤差磁界成分のう
ちｎ極成分のＳ方向分布とほぼ同じになるよう、シムコ
イル巻線を複数個に分割し、分割されたシムコイルの各
巻線の位置、開き角を調節して配置したものである。

［作　用］ この発明においては、ｎ極シムコイルの出力磁界のビー
ム進行方向分布が、主コイルの発生するｎ極誤差磁界分
布のビーム進行方向分布と一致しているため、ある点１
点（例えばθ＝０°）で主コイルのｎ極誤差磁界成分を
補正すれば、θ＝θ′からθ＝θ１にまで至る広いＳ方
向の範囲に対し、ｎ極誤差磁界成分を補正することがで
きる。

［実施例］ 以下、この発明の一実施例を図について説明する。第１
図において、（１５）は巻線を複数個に分割した四極シ
ムコイルであり（本例では２分割の例について示した）
、（２９）〜（３２）は分割された各シムコイル巻線で
ある。四極シムコイル（１５）Ｉｔ主＋イルに付設され
る。第５図（ａ）は主コイル１次成分Ｓ方同分布、第５
図（ｂ）はこの実施例による四極シムコイル１次成分Ｓ
方向分布、第５図（Ｃ）は補正後の主コイル１次成分Ｓ
方同分布である。

次に動作について説明する。第５図（ａ）に示すように
、従来装置同様の主コイルの１次磁界成分はθ＝θ、か
ら減少し始める。第１５図（ｂ）に示した従来の四極シ
ムコイルの１次磁界成分のＳ方向分布においては、θ＝
θ１まで均一な磁界を発生するため、主コイル１次成分
をθ＝０°で打ち消した場合、θ＝θ、〜θ、の範囲に
打ち消されない１次成分が残る。この問題は以下の方法
により解決できる。第１図に示すシムコイルでは、シム
コイルを分割し、分割されたシムコイルのうち内側シム
コイル巻線（３０）、　（３２）の開き角をθ。

に設定している。従って、θ＝Ｏａ〜θ、の範囲ではシ
ムコイル電流として外側巻線（２９）、　　（３１）と
内側巻線（３０）、　（３２）の合計の電流が流れるが
、θ＝θ、〜θ、の範囲では、外側シムコイル（２９）
、　（３１）の巻線の電流しかシムコイル電流が流れな
い。つまり、θ＝θ、〜θ、の範囲ではθ＝０°〜θ、
の範囲の１次成分に比べて弱くなる。内側シムコイルと
外側シムコイルの電流比を調整する、内側シムコイルの
開き角θ、を調整する、さらには分割数を３分割以上に
する等により、四極シムコイル１次成分Ｓ方向分布を、
主コイル１次成分Ｓ方向分布に一致させることが可能で
ある。この様子を示したのが第５図（ｂ）である。第５
図（ｂ）に示す１次成分Ｓ方向分布とは絶対値が同じで
逆符号の１次成分を主コイルに加えることにより、主コ
イルの１次成分の補正が可能である。補正後の主コイル
１次成分Ｓ方向分布を第５図（Ｃ）に示す。

θ＝０〜θ、の範囲で１次成分が零であることがわかる
。

なお、上記実施例では主コイルの１次磁界成分のＳ方向
分布がθ＝θ、〜θ１の範囲で減少している場合につい
て示したが、主コイル１次成分Ｓ方向分布が、第５図（
ｄ）に示したように、θθ、〜θ１の範囲で増加してい
る場合には、第２図に他の実施例として示すように、内
側シムコイル（３３）〜（３６）をθ＝θ、〜θ１の範
囲に設置すれば良い。この場合、θ−θ、〜θ、の範囲
でシムコイル電流が増加するため、θ＝θ、〜θ１の範
囲で１次成分が強くなり、１次成分Ｓ方向分布は第６図
に示すようになる。

また、主コイルの１次成分がθ＝Ｏ〜θ１の中間近傍で
増加（または減少）している場合には、第３図にさらに
他の実施例として示すように、１吹成分が増加（または
減少）している位置付近に内側シムコイルを設置すれば
よい。すなわち、内側シムコイル（３７）〜（４０）を
θ＝θ、〜θ、の範囲に設置している。外側シムコイル
（２９）、　（３１）と内側シムコイル（３７）〜（４
０）の電流方向が互いに同じであれば、第７図（ａ）に
示すように、θ＝θ、〜θ、の範囲で１吹成分が強くな
る。一方、外側シムコイル（２９）、　（３１）と内側
シムコイル（３７）〜（４０）の電流が互いに逆向きで
あれば、第７図（ｂ）に示すように、θ＝θ、〜θ、の
範囲で１吹成分が弱くなる。

さらに、主コイルの１吹成分がθ＝０°〜θ、の範囲で
逆転している場合には、四極シムコイルを、別の実施例
として第４図に示すように、Ｓ方向に関して分割し、分
割した四極シムコイルの各電流方向を逆転させる。四極
シムコイル（４１）、　（４２）。

（４５）、　（４６）の電流方向はＳ方向に関し逆転し
ている。この方法による１吹成分のＳ方向分布を第８図
に示す。

なお、上記実施例では四極シムコイルの分割数が２の場
合の例について示したが、分割数は２以上でも良い。ま
た、四極シムコイルの例について示したが、大極シムコ
イル等、他のシムコイルにおいても同様の効果を奏する
。

［発明の効果］ 以上のように、この発明によれば、ｎ極シムコイルの出
力磁界Ｓ方向分布と主コイルの発生する誤差ｎ極成分の
Ｓ方向分布がほぼ一致するよう、シムコイル巻線を分割
して分散配置したため、広いＳ方向の範囲にわたって均
一な磁界分布が得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図はそれぞれこの発明の実施例の要部概略
平面図、第５図〜第８図はこれら実施例の磁界分布特性
線図、第９図〜第１５図は従来の技術に関するもので、
第９図は荷電粒子装置の概略平面図、第１０図〜第１２
図は偏向電磁石のそれぞれ斜視図、平面図および正面図
、第１３図はシムコイルを含む偏向電磁石を分解して示
した斜視図、第１４図は第１３図のものの（ａ）組立平
面図と（ｂ）Ｂ−Ｂ断面図、第１５図は磁界分布特性線
図である。 （３）・・偏向電磁石、（４）・・平衡軌道、（１３）
・・主コイル、（１５）・・四極（ｎｌ）シムコイル、
Ｓ・・ビーム進行方向、（２９）〜（４６）・・分割さ
れたシムコイル巻線、θ・・開き角。 なお、各図中、同一符号は同−又は相当部分を示す。 昂１図 ４、千ｆｔｔｖＬＩＬ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　荷電粒子が周回する平衡軌道をはさんで配置された１
   対の上下主コイルと、この主コイルが発生するｎ極誤差
   磁界成分を補正するｎ極シムコイルとからなる荷電粒子
   装置用偏向電磁石において、出力磁界のビーム進行方向
   分布が前記主コイルの発生するｎ極誤差磁界分布の前記
   ビーム進行方向分布とほぼ一致するよう、ｎ極シムコイ
   ル巻線を複数個に分割し、この分割したシムコイル各巻
   線の位置、開き角を調整して配置した前記ｎ極シムコイ
   ルを備えてなることを特徴とする荷電粒子装置用偏向電
   磁石。