JPH02207499A - 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】 ［産業上の利用分野コ この発明は、荷電粒子装置用偏向電磁石に関し、とりわ
け、主コイルが発生する磁界の均一度を向上する手段を
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３図は、例えば、日本化学技術情報センタ−１９８１
Ｅ９月発行の、ヨシ力ズ　ミャノ＼う（Ｙｏｓｈｉｋａ
ｚｕ　Ｍｉｙａｈａｒａ）　、コーン　タカタ（Ｋｏｊ
ｉＴａｋａｔａ）およびテツヤ　ナカニシ（Ｔｅｔｓｕ
ｙａ　Ｎａｋａｎｉｓｈｉ）によるｌ５ＳＰの技術報告
（Ｔｅｃｈｎ　ｉｃａ　１Ｒｅｐｏｒｔ　ｏｆＩｓｓＰ
）　Ｎｏ、２１、「シンクロトロン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（Ｓｕｐｅｒｃ。

ｎｄｕｃｔｉｎｇ　Ｒａｃｅｔｒａｃｋ　Ｅｌｅｃｔｒ
ｏｎ　Ｓｔｒａｇｅ　Ｒｉｎｇ　ａｎｄＣｏｅｘｉｓｔ
ｅｎｔ　Ｉｎｊｅｃｔｏｒ　Ｍｉｃｒｏｔｒｏｎ　ｆｏ
ｒ　５ｙｎｃｈｒｏｔｒｏｎ　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０７放射光、またはＳ
　ＯＲ（Ｓｙｎｃｈｒｏｔｒｏｎ　０ｒｂｉｔａｌＲａ
ｄｉａｔｉｏｎ）と呼ばれ、外部に取出されてリングラ
フイなどに利用される。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ー損失
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。

真空ドーナツ（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、真空ドーナツ（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、荷電粒子が気体分子に衝突してエネルギを失いその
寿命が短くなることを防止している。

第４図〜第８図は上記の偏向電磁石（３）を示し、第４
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コイルであり、（１
３）は下主コイル、（１４）は下主コイルで、レースト
ラックコイルを偏向曲率で曲げたバナナ形になっている
。なお、上、下主コイル（１３）、　（１４）は高起磁
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、、ｍ＝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５図および第６図から明らかなように、平衡軌
道（４）は、接床ＩＲθ（ｚ＝０）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（１３）
、　（１４）のそれぞれ内側半径と外側半径である。ま
た、斜線部（２７）は上、下主コイルの端部である。（
２８）は外側コイル巻線、（２９）は内側コイル巻線で
ある。

さらに、第７図は、主コイル（３）、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）、水接シ
ムコイル（２０）を示し、（１６）、　（１７）は四極
シムコイル（１５）のうちの上側コイル巻線、（１Ｂ）
、　（１９）は下側コイル巻線を示す。（２１）〜（２
３）は水接シムコイル（２０）のうちの上側コイル巻線
、（２４）〜（２６）は下側コイル巻線である。

以上の構成により、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
（１１）によりパルス的に偏向され、かつ、牛ツカ（９
）により軌道がずらされる。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、偏向電磁石（３）および
四極電磁石（６）の配置により決定される。

なお、ｍ、、ｍ、方向の電流により上２下主コイル（１
３）、　（１４）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、下主フィル（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ρ。の曲率で曲げられる。

この平衡軌道（４）の半径ρ。は次の０式で与えられる
。

ρ。＝　　Ｐ／（ｅ−Ｂｙ）　　　・・■ただし、Ｐ：
電子の運動量 ｅ：電子の電荷 Ｂｙ：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、Ｘ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、クロマティシテイの補正を行う。

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（平衡軌道）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１０−４〜１０−３程度の均一な磁
界分布く良磁界領域）が必要となる。超電導偏向主コイ
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（１０）に当
たり電子ビームが失われてしまうことになる。このＸ方
向に均一な磁界は、各θの位置において必要である。

そこで、均一な磁界分布を得るために、主コイルの作る
１次成分、２次成分等の誤差磁界を補正するための、第
７図に示したようなシムコイルが使用される。第７図に
おいて、四極シムコイル（１５）は、Ｘ（またはＲ）の
増加とともに上記１次成分に比例して増加するＹ軸方向
の磁界を発生する。水接シムコイル（２０）は、Ｘ（ま
たはＲ）の増加ととも上記２次成分に比例して増加する
Ｙ軸方向の磁界を発生する。主コイルの発生する誤差磁
界成分である１次成分、２次成分を打ち消すように、各
シムコイルの出力磁界、即ちシムコイル電流値を決めれ
ば、均一な磁界分布を得ることが可能になる。

第８図は、主コイル（１３）に水接シムコイル（２０）
を組込んだ態様を示している。　ところで、ビムの進行
方向をＳ方向とし、第８図に示す主コイル大極シムコイ
ルの平衡軌道（４）上での２次成分のθに関するＳ方向
分布を第９図（ａ）および（ｂ）に示す。この図の例で
は、θ−〇°において主コイルと水接シムコイル（２０
）の２次成分が同じになるよう、水接シムコイル（２０
）の電流値を決めた。第９図（ａ）に示すように、主コ
イルの２次成分は、θ＝Ｏ°からθ−θ、の範囲ではほ
ぼ一定の値をもつが、θ−θ１〜９０’の範囲では主コ
イル端部（２７）の作る磁界が、第８図に示すθ０°〜
θ１の範囲の主コイルの作る磁界と異るため、１次成分
は一定でなくなる。第９図（ａ）に示す例では、θ−θ
３〜９０°の間に大きな負の２次成分をもつ。これは次
のように考えることができる。第１０図（ａ）はθ＝Ｏ
＋　ｙ＝０でのｙ方向磁界ＢｙのＸ方向分布である。磁
界分布は、外側コイル巻線（２８）と内側コイル巻線（
２９）の間隔等によって異なるが、外側コイル巻線（２
８）と内側コイル巻線（２９）が比較的離れている場合
の例を示す。

Ｘ＝ＯからＸが増加するにつれ外側コイル巻線に近づき
磁界は増加するが、さらにＸが増加し外側コイル巻線下
（第８図ａ　＝　ｂ間）の位置Ｘ＋に来ると、ｘ１〜ａ
間の巻線が反対方向の磁界を作るため磁界は減少する。

さらに、Ｘがｂよりも太き（なると磁界の値は負になる
。以上より、第１０図（ａ）の例では、ｘ＝Ｏ付近の２
次成分に正の値をもつ。

一方、θ＝９０°、ｙ＝ｏのＢｙ磁界分布を第１０図（
ｂ）に示す。ｘ＝Ｏ近傍でほぼ最大磁界であるが、Ｘが
大きくなるとＯとＸ間の巻線に流れる電流のうちＸ方向
の電流成分が反対方向の磁界を作るため、磁界は減少す
る。さらに、０点を越えるとＢｙ磁界は負になる。ｘ＝
Ｑとｂ点の距離に比べてｘ＝Ｏと０点の距離は短かく、
第１０図（ｂ）に示すように、小さなＸで負になる。つ
まり、第１０図（ｂ）に示すように、ｘ＝Ｏで大きな負
の２次成分を持つ。

第９図（ｂ）は水接シムコイル（２０）の２次成分磁界
分布を示し、θ−〇°〜θ１の範囲では２次成分はほぼ
一定であるが、θ−０１を越えると２次成分は減少し始
め、θ−９０°付近ではシムコイル（２０）が存在しな
いため、２次成分はほぼ零になる。ただし、シムコイル
の巻線が主コイル同様反対方向の磁界を作るため、第９
図（ｂ）に示すように、わずかの負の成分をもつ。以上
のことから、θ−０°での２次成分を打ち消すように大
極シムコイル（２０）の電流値を決定すると、主コイル
端部であるθ＝９０°付近に大きな負の誤差２次成分を
生じることになる。

この誤差磁界を減少させるには、第１１図（ａ）のよう
に主コイル（２８）（２９）の端部巻線を分割すること
が効果的である。（３０）（３１）は分割された端部巻
線である。端部巻線を分割することにより電流が分割さ
れ、端部での誤差成分ピーク値が減少する。端部での誤
差成分が生じるＳ方向の範囲が広がるが、ピーク値が減
少するので、端部補正用シムコイルを設置した場合、端
部シムコイルの出力磁界を減少できる。この様子を第１
１図（ｂ）に示す。

［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、主コイル端部に均一な磁界分布を発生できる
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、主コイル
端部を分割し、分割された端部に平衡軌道にほぼ垂直に
交差する直線部が設けられている。

［作　用コ この発明においては、主コイル端部巻線のうち、平衡軌
道に垂直な直線部がＸ方向（平衡軌道に垂直方向）に均
一な磁界を作る。

［実施例］ 第１図はこの発明の一実施例を示し、同図（ａ）におい
て、（′Ａ２）、　（３′Ａ）は分割された直線部主コ
イル端部巻線である。この直線部主コイル端部巻線（３
２）（３３）は平衡軌道（４）に対し垂直方向になるよ
う配置されている。同図（ｂ）は出力磁界分布を示す。

その他、第１１図（ａ）と同一符号は同一部分を示して
いる。

以上の構成により、直線部主コイル端部巻線（３２）は
θ−θ、のＸ方向に対しＸ＝Ｏ周辺にほぼ均一なｙ方向
磁界を発生する。同様に端部巻線（３３）はθ＝θ、の
Ｘ方向に対しｘ＝０周辺にほぼ均一なｙ方向磁界を発生
する。端部巻線（３２）はθ０２、ｘ軸方向に必らずし
も均一な磁界を作らないが、第１１図の形状の主コイル
端部巻線と比べれば、端部の誤差磁界が減少するのは明
白である。　さらに、他の実施例として第２図に示すよ
うに、平衡軌道（４）に沿っての磁界強度が極めて不均
一で、ビームの通過する平衡軌道（４）が曲率一定でな
いような場合にも、平衡軌道（４）に垂直に端部巻線（
３２）　（３３）を配置すれば、各巻線は平衡軌道（４
）に垂直方向に、ｘ＝Ｏ周辺に均一なｙ方向磁界を発生
する。

なお、上記実施例ではコイル巻線について指定しなかっ
たが、１ｌｉＴｃ線材でコイル巻線を作れば、チッ素温
度で容易に強力な磁界を発生できる。

［発明の効果コ 以上のように、この発明によれば、主コイル端部を分割
し、分割された端部それぞれに平衡軌道にほぼ垂直方向
に交差する直線部を設けたので、主コイル端部の磁界均
一度が改善される効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）はこの発明の一実施例の要部概略平面図、
同図（ｂ）同じく磁界分布線図、第２図は他の実施例の
要部概略平面図、第３図〜第１１図は従来の技術に関し
、第３図は荷電粒子装置の概略平面図、第４図〜第６図
はそれぞれ主コイルの斜視図、平面図および正面図、第
７図は主コイルとシムコイルの分解斜視図、第８図は第
７図のものの組立平面図、第９図は第８図のものの磁界
分布線図、第１０図は主コイルの磁界分布線図、第１１
図（ａ）は別の主コイルの概略平面図、同図（ｂ）は同
じく磁界分布線図である。 （３）・・主コイル、（４）・・平衡軌道、（３２）、
　（３３）　　・・直線部主コイル端部巻線。 なお、各図中、同一符号は同一または相当部分を示す。 箒１図 形２図 彬４図 裁 形５図 γ−−−−（−ｍ−、 （Ｔ） （ｂ） 箒 図 ｌ

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，下主コイルを備えた荷電粒子装置用偏向電磁石に
   おいて、前記主コイル端部巻線を分割し、分割された端
   部主コイル巻線に前記平衡軌道にほぼ垂直に交差する直
   線部が形成されていることを特徴とする荷電粒子装置用
   偏向電磁石。